Генератор высоковольтных импульсов

1. ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ по схеме Аркадьева-Маркса, содержащий в каскадах накопительные конденсаторы, зарядные резисторы и разрядники, отличающийся тем, что с целью увеличения диапазона рабочего напряжения и повышения надежности, в него введена по меньшей мере во втором каскаде формирующая линия с переменным волновым сопротивлением по ее длине, образованная из соответствующих электродов разрядника и выполненная с возрастающим по величине волновым сопротивлением по направлению от входа линии к ее выходу, при этом вход линии присоединен к накопительному конденсатору предыдущего или своего каскада, а выход подключен к электроду разрядника.
2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере, один электрод формирующей линии выполнен из проводника с поперечным сечением, уменьшающимся в направлении разрядника.
3. Генератор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что по крайней мере один из электродов формирующей линии охвачен размещенными на нем ферромагнитными сердечниками, изолированными один от другого, и дополнительно введенным электродом, подсоединенным к общей шине.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для питания узлов ускорителей заряженных частиц.
Известен генератор высоковольтных импульсов, основанный на принципе умножения напряжения по схеме Аркадьева-Маркса и содержащий накопительные конденсаторы, зарядные резисторы и коммутаторы [1] .
Недостатком этого генератора является низкая надежность из-за работы коммутаторов при напряжениях, близких к напряжению неуправляемого пробоя коммутаторов.
Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является генератор высоковольтных импульсов, собранный по схеме Аркадьева-Маркса, содержащий накопительные конденсаторы, зарядные сопротивления и разрядники, образующие каскады, причем два первых каскада нагружены на катушку индуктивности [2] .
Этот генератор обладает повышенной надежностью срабатывания в связи с обеспечением большей степени перенапряжения разрядных промежутков.
Однако диапазон изменения рабочего напряжения U_о, в котором генератор устойчиво срабатывает без перестройки разрядников, недостаточен и составляет менее 65-100 % от U_о.
Целью изобретения является увеличение диапазона рабочего напряжения, в котором генератор стабильно включается без перестройки разрядников, и повышение надежности.
Поставленная цель достигается тем, что в генераторе высоковольтных импульсов по схеме Аркадьева-Маркса, содержащем в каскадах накопительные конденсаторы, зарядные резисторы и разрядники, введена по меньшей мере во втором каскаде формирующая линия с переменным волновым сопротивлением по ее длине, образованная из соответствующих электродов разрядника, и выполнена с возрастающим по величине волновым сопротивлением, по направлению от входа линии к ее выходу, при этом вход линии присоединен к накопительному конденсатору предыдущего или своего каскада, а выход подключен к электроду разрядника, и, по крайней мере, один электрод формирующей линии выполнен из проводника с поперечным сечением, уменьшающимся в направлении разрядника.
Предусматривается также, что, по крайней мере, один из электродов формирующей линии охвачен размещенными на нем изолированными один от другого ферромагнитными сердечниками и дополнительно введенным электродом, подсоединенным к общей шине.
При таком техническом решении увеличивается, например, в 3 раза, диапазон рабочего напряжения, в котором генератор устойчиво срабатывает, в связи с увеличением импульсной разности потенциалов между электродами разрядников за счет трансформации амплитуды импульса напряжения при передаче импульса по линии с увеличивающимся волновым сопротивлением от выхода предыдуще сработавшего каскада к входу последующе срабатываемого каскада.
Для увеличения изменения волнового сопротивления по длине электрод электрической линии может быть охвачен дополнительно соединенным заземленным электродом.
Для сокращения длины электрической линии ее электрод может быть охвачен последовательно размещенными ферромагнитными сердечниками, изолированными друг от друга. Такое выполнение линии позволяет также увеличить разницу между волновыми сопротивлениями начала и конца линии и повышает коэффициент трансформации импульсного напряжения, а также обеспечивает удобное регулирование величины волнового сопротивления путем замены сердечников с другими значениями магнитной проницаемости.
На чертеже приведена схема генератора, содержащего четыре каскада.
Генератор высоковольтных импульсов собран по схеме Аркадьева-Маркса и содержит накопительные конденсаторы 1-4, зарядные резисторы 5-12 и разрядники 13-16. Резисторы 9-12 присоединены к общей заземленной шине 17. Разрядник 13 первого каскада - управляемый трехэлектродный, разрядники 14-16 в остальных каскадах двухэлектродные. Между смежными первым и вторым - по очередности срабатывания - каскадами включена электрическая линия в виде проводника 18 с уменьшающимся поперечным сечением по мере приближения к разряднику 14 второго каскада; в связи с таким выполнением проводника 18 его волновое сопротивление , определяемое соотношением = (1) где L - величина погонной индуктивности проводника, приходящаяся на единицу его длины;
С - величина погонной электрической емкости проводника, например, относительно шины 17, возрастает по длине проводника по направлению от предыдуще срабатывающего первого каскада с разрядником 13 к последующе срабатывающему второму каскаду с разрядником 14. В разряднике 15 третьего каскада электрод 19 выполнен непосредственно в виде линии с увеличивающимся волновым сопротивлением по аналогии с проводником 18; второй электрод 20 этого же разрядника выполнен с конической полостью, охватывая на части длины электрод 19. Расстояние между электродами 19 и 20 уменьшается по направлению к четвертому каскаду, в связи с чем электроды 19 и 20 образуют между собой двухэлектродную коническую электрическую линию с возрастающим волновым сопротивлением по направлению от выхода второго к входу третьего каскада. В разряднике 16 электрод 21 выполнен совмещенным с цилиндрическим проводником электрической линии и охвачен на части длины заземленным полым проводником 22 в виде усеченного конуса электроды 20, 21 образуют совместно линию с увеличивающимся по направлению к четвертому каскаду. Электрод 21 охвачен около разрядного промежутка двумя изолированными между собой ферромагнитными сердечниками 23. Зажим 24 служит для подключения генератора к внешнему источнику тока зарядки накопительных конденсаторов 1-4, а зажим 25 для присоединения к выходу генератора нагрузки.
Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом. При подаче управляющего сигнала срабатывает разрядник 13 и накопительный конденсатор 1 начинает разряжаться через этот разрядник и резистор 9, выделяя на резисторе 9 импульсное напряжение, близкое по амплитуде к зарядной рабочей разности потенциалов U_о. Импульс напряжения начинает передаваться по проводнику 18 к разрядному промежутку разрядника 14, причем из-за возрастания по длине проводника 18 величины волнового сопротивления амплитуда импульса напряжения будет по мере прохождения импульса возрастать, достигнув у конца проводника в месте размещения электрода разрядного промежутка величины U U (2) где ₁ - величина волнового сопротивления конца проводника 18 у выхода первого каскада;
₂ - величина волнового сопротивления проводника у разрядника 14. Так как значение ₂/ ₁>1 и практически может быть выполнено равным, например 3, то амплитуда U₁ между электродами разрядного промежутка разрядника 14 превысит U_о примерно в 1,7 раза, причем полярность импульсного потенциала конца проводника 18 и соответственно электрода разрядного промежутка 14 будет обратной полярности потенциала на втором электроде разрядника 14. Достигнув электрода разрядника 14 у разрядного промежутка, импульс напряжения отразится обратно с удвоением его амплитуды, в результате чего между электродами разрядника 14 приложится максимально возможная импульсная разность потенциалов
U₂= 2U₁+U_o= 2 x x 1,7U_o+U_o= 4,4U_о, (3) что приведет к высокому перенапряжению этого разрядного промежутка и к быстрому его пробою. Из (3) следует, что без электрической и геометрической перестройки разрядного промежутка разрядника 14 он будет стабильно пробиваться в диапазоне изменения U_o от 100% до 25% , т. е. превышать более чем в 2 раза рабочий диапазон в прототипе. Аналогичное рассмотрение работы разрядника 15 показывает, что максимальная величина импульсной разности потенциалов между его электродами составит при соотношении 1,7 значение
U₃= 2(1,7 2 U_o)+U_o= 7,8U_o (4) что также обеспечит быстрый и стабильный пробой промежутка в разряднике 15 в более широком диапазоне изменения рабочего напряжения U_о, чем указано выше для разрядника 14. В разряднике 16 импульс передается к искровому промежутку между электродами 21 и 22 с возрастающим по их длине, в связи с чем импульсная разность потенциалов U₄ превысит значительно U₃, что стабилизирует пробой разрядника 16 в большем диапазоне изменения U_о, чем диапазон для разрядника 15. Возрастанию способствует также охват выходного конца электрода 21 сердечниками 23, т. к. погонная индуктивность L под каждым сердечником увеличивается примерно в раз ( - величина относительной магнитной проницаемости), что согласно формуле (1) повышает линии у разрядного промежутка. Так как в генераторе увеличился для разрядника каждого каскада диапазон изменения рабочего напряжения, в котором разрядник стабильно пробивается, то соответственно увеличился диапазон рабочего напряжения стабильного включения и генератора в целом. Наиболее целесообразен диапазон изменения рабочего напряжения (30-100)% от U_о. Поэтому дополнительно в предложенном генераторе повышается его надежность к неуправляемому самопробою разрядников в каскадах. В практических конструкциях генераторов трудно достигнуть стабильного включения коммутатора во втором каскаде, поэтому электрическую линию с увеличивающимся по ее длине волновым сопротивлением особенно целесообразно устанавливать между первым и вторым каскадами.
Другие варианты генератора могут отличаться последовательностью соединения разрядников и конденсаторов в каскадах, формой поверхности дополнительной электрической линии, размещением линии между любыми смежными каскадами.
(56) Смирнов С. М. , Терентьев П. В. Генераторы импульсов высокого напряжения, М. Л. , Энергия, 1964, с. 11.27
Демидов Б. А. Генератор импульсов высокого напряжения. ПТЭ. 1975. N 3, с. 120.