Генератор высоковольтных импульсов

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий ступенчатую формирующую линию с распределенными параметрами, образованную по крайней мере двумя последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины с отношением волновых сопротивлений второго и первого отрезка, равным ₂/ ₁=3, коммутирующий разрядник во входном высоковольтном зазоре первого отрезка и подключенную к выходу генератора нагрузку, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды формируемого на нагрузке прямоугольного импульса напряжения, к выходу второго отрезка присоединены n дополнительных отрезков линий такой же электрической длины с отношением волнового сопротивления i-го дополнительного отрезка _дi к волновому сопротивлению ₁, равным
_дi/ ₁=(i+2)(i+3)/2,
где i 1,2,3, n номер дополнительного отрезка,
а нагрузка подключена через коммутатор к выходному зазору последнего дополнительного отрезка.

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники.
Известен генератор высоковольтных импульсов, содержащий отрезок однородной формирующей линии с распределенными параметрами с волновым сопротивлением и электрической длиной t_o, коммутирующий разрядник во входном высоковольтном зазоре линии и подключаемую через коммутатор последовательно с входным и выходным зазорами формирующей линии нагрузки [1]
Недостатком такого генератора является невысокая амплитуда напряжения на нагрузке, которая не превышает величины напряжения заряда линии U_o, а в режиме максимального КПД составляет лишь половину от этой величины.
Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является генератор высоковольтных импульсов [2] представляющий собой ступенчатую формирующую линию (CФЛ) с распределенными параметрами, образованную двумя последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины _o c отношением волновых сопротивлений второго и первого отрезков, равным ₂/ ₁=3. Генератор содержит также коммутирующий разрядник К₁ во входном высоковольтном зазоре первого отрезка линии с волновым сопротивлением ₁ и подключаемую к выходу генератора нагрузку. Нагрузка подключена через коммутатор K₂ последовательно с входным зазором первого отрезка и выходным зазором второго отрезка к концам заземленного электрода ступенчатой линии.
Недостатком такого генератора является невысокая амплитуда напряжения на нагрузке, которая не превышает 2 U_o, а в режиме максимального КПД достигает лишь величины зарядного напряжения.
Целью настоящего изобретения является повышение амплитуды формируемого на нагрузке прямоугольного импульса напряжения.
Для достижения указанной цели в генераторе, содержащем ступенчатую формирующую линию с распределенными параметрами, образованную по крайней мере двумя последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины с отношением волновых сопротивлений второго и первого отрезков, равным ₂/ ₁=3, коммутирующий разрядник во входном высоковольтном зазоре первого отрезка и подключенную к выходу генератора нагрузку, к выходу второго отрезка присоединены n дополнительных отрезков линий такой же электрической длины с отношением волнового сопротивления i-го дополнительного отрезка _g.i к волновому сопротивлению ₁, равному:
_g.i/ ₁= (i+2)(i+3)/2 (1)
где i 1,2,3,n номер дополнительного отрезка, а нагрузка подключена через коммутатор к выходному зазору последнего дополнительного отрезка.
На чертеже изображена схема генератора.
Генератор содержит два последовательно соединенных отрезка однородных линий 1, коммутирующий разрядник 2, дополнительные отрезки однородных линий 3, нагрузку 4, подключенную через коммутатор 5 к выходному зазору последнего дополнительного отрезка 3, и источник 6 напряжения заряда.
Генератор работает следующим образом.
Емкость ступенчатой формирующей линии СФЛ заряжается до напряжения U_o от источника напряжения заряда 6. В момент времени t 0, когда достигается максимальное зарядное напряжение генератора, включается коммутирующий разрядник 2 и от него по линии в направлении нагрузки 4 распространяется волна разрядки U₁ -U_o. При прохождении ступенчатых неоднородностей СФЛ она изменяет свою амплитуду. В момент времени t = (n+2) _o к нагрузке 4 приходит волна разрядки:

С учетом соотношения (1) и соотношения ₂/ ₁=3, выражение для U₂ принимает вид:

В момент времени t = (n+2) _o к выходному зазору n-го дополнительного отрезка 3 с волновым сопротивлением _{g n} первоначально заряженной СФЛ подключается нагрузка R_н 4, причем на ней формируется импульс напряжения с амплитудой:

В то же время к выходу генератора приходит волна разрядки U₂, и на нагрузке 4 возникает импульс напряжения:

Суммарная амплитуда импульса напряжения, формируемого на нагрузке 4 в момент времени t n _o, равна:
(2)
и остается постоянной до прихода к нагрузке 4 отраженных электромагнитных волн, т. к. в интервале времени (n+2) _o t (n+4) _o. В дальнейшем в нагрузке 4 возникает серия импульсов. Каждый следующий импульс появляется через интервал времени 2 _o после начала предыдущего. В результате на нагрузке 4 формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2 _o. Амплитуда импульса напряжения на нагрузке 4 максимальна в режиме холостого хода и равна (n+2) U_o, что, поскольку n 1, превышает величину 2U_o. Генератор имеет наибольший КПД в согласованном режиме, когда R_н= _{g n}= ₁(n+2)(n+3)/2. В этом случае, согласно соотношению (2), амплитуда напряжения на нагрузке 4 в интервале времени (n+2) _o t (n+4) _o равна: U_н -(n+2) U_o/2.
Энергия, переданная за это время в согласованную нагрузку,
,
равна по величине энергии, запасаемой в генераторе:

где С₁, C₂ полные электрические емкости первых двух отрезков;
СФЛ, С_д.i полная электрическая емкость i-го дополнительного отрезка 3.
Следовательно, к моменту времени t = (n+4) _o энергия, запасенная в генераторе, полностью передается в согласованную нагрузку 4, и напряжение в любом сечении генератора становится равным нулю. На согласованной нагрузке 4 генератора формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения длительностью t_н= 2 _o с амплитудой U_н (n+2) U_o/2, что при n 1 существенно превышает величину зарядного напряжения U_o. Напряжение на нагрузке 4 генератора возрастает с увеличением числа дополнительных отрезков 3. Включение каждого дополнительного отрезка 3 с волновым сопротивлением, определяемым по формуле (1), позволяет повысить амплитуду напряжения на нагрузке 4 на U_o в режиме холостого хода и на U_o/2 в режиме максимального КПД.
Подсоединение нагрузки 4 через коммутатор 5 последовательно с выходным зазором последнего дополнительного отрезка 3 и входным зазором первого отрезка 1 формирующей линии, т.е. подсоединение к концам заземленного электрода линии, как это выполнено в известном генераторе [2] при общем числе отрезков (n+2) 3 обладает существенным недостатком. При такой схеме подключения для эффективной передачи энергии из генератора в нагрузку 4 необходимо, чтобы в момент времени t = (n+2) _o коммутирующий разрядник 2, в качестве которого в мощных высоковольтных генераторах наносекундного диапазона используется одноканальный или многоканальный искровой коммутатор, был замкнут. При указанном выше отношении волновых сопротивлений ток короткого замыкания в разряднике 2 существует только в интервале времени 0 t 2 _o независимо от полного числа отрезков. В дальнейшем до момента времени t=(n+2) _o ток через разрядник 2 равен нулю.
При числе дополнительных отрезков 3 n 1 может потребоваться повторное зажигание искры в коммутирующем разряднике 2. В известном генераторе [3] у которого нагрузка подключается в момент времени t=2 _o, повторное включение разрядника 2 не требуется, так как по нему в это время еще протекает ток короткого замыкания. Повторное включение разрядника 2 должно происходить под действием приходящей в момент времени t=(n+2) _o к выходу генератора волны разрядника U₂ -U_o(n+3)/2. Амплитуда напряжения, возникающего в этот момент времени на коммутирующем разряднике 2, из-за малости отношения ₁/ _{g n} значительно меньше зарядного напряжения и равна для случая согласованной нагрузки при n 1,2,3, соответственно 0,23 U_o, 0,19 U_o, 0,16 U_o Так как разрядник 2 рассчитан на срабатывание при достижении на нем во время зарядки напряжения U_o и не должен пробиваться при меньшем напряжении, то вероятность повторного включения коммутирующего разрядника 2 под действием напряжения, значительно меньшего U_o, мала и уменьшается при увеличении числа дополнительных отрезков 3 линии.
Если коммутирующий разрядник 2 останется разомкнутым, то это приведет к заметному снижению напряжения на нагрузке 4 и уменьшению КПД генератора из-за повторной зарядки отрезка линии с волновым сопротивлением ₁. Например, при n 1 амплитуда напряжения на согласованной нагрузке 4 уменьшается на приблизительно 8% а КПД на 15% Таким образом, при подсоединении к формирующей линии дополнительных отрезков 3, с целью повышения амплитуды формируемого на нагрузке 4 прямоугольного импульса напряжения, нагрузка 4 должна быть подключена через коммутатор 5 к выходному зазору n-го дополнительного отрезка 3 между высоковольтным и заземляющим электродами. В этом случае ток нагрузки не протекает через коммутирующий разрядник 2, и его повторное включение не требуется.
Описанный генератор целесообразно применять в тех областях высоковольтной импульсной техники, где требуется формирование высоковольтных прямоугольных импульсов напряжения наносекундной длительности с высоким КПД. В частности, такой генератор целесообразно использовать в качестве импульсного источника питания для ускоряющих устройств с напряжением 10⁵ 10⁷ В, током пучка 10³ 10⁶ А и длительностью импульса 10^-8 10^-7 С. Генератор может быть выполнен на линиях плоской, цилиндрической, радиальной и тороидальной геометрии.
Генератор высоковольтных импульсов, содержащий ступенчатую формирующую линию с распределенными параметрами, образованную по крайней мере двумя последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины с отношением волновых сопротивлений второго и первого отрезка, равным ₂/ ₁=3, коммутирующий разрядник во входном высоковольтном зазоре первого отрезка и подключенную к выходу генератора нагрузку, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды формируемого на нагрузке прямоугольного импульса напряжения, к выходу второго отрезка присоединены n дополнительных отрезков линий такой же электрической длины с отношением волнового сопротивления i-го дополнительного отрезка _дi к волновому сопротивлению ₁, равным
_дi/ ₁=(i+2)(i+3)/2,
где i = 1,2,3,..., n - номер дополнительного отрезка,
а нагрузка подключена через коммутатор к выходному зазору последнего дополнительного отрезка.