Генератор высоковольтных импульсов

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий коммутируемую и некоммутируемую линии одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод и по заземленному электроду, на входе коммутируемой линии включен разрядник, к заземленным электродам со стороны разрядника подключена короткозамкнутая линия с электрической длиной, равной электрической длине коммутируемой линии, в объеме короткозамкнутой линии размещен дополнительный высоковольтный электрод, соединенный с высоковольтным электродом и разрядником, и нагрузку, при этом волновые сопротивления линий выбраны из соотношения

где ₁ волновое сопротивление отрезка короткозамкнутой линии, примыкающего к разряднику, ₂ волновое сопротивление отрезка короткозамкнутой линии, примыкающего к некоммутируемой линии, ₃ - волновое сопротивление некоммутируемой линии, ₄ волновое сопротивление коммутируемой линии, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды формируемого на нагрузке прямоугольного импульса напряжения, к заземленным электродам со стороны, противоположной подключению короткозамкнутой линии, подключена ступенчатая передающая линия, выполненная в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий, электрическая длина каждого из которых равна электрической длине коммутируемой линии, нагрузка подключена непосредственно или через коммутирующий элемент к выходу ступенчатой передающей линии, а волновые сопротивления выбраны из соотношений

где m 1, 2, 3, количество отрезков ступенчатой передающей линии; _ni волновое сопротивление i-го отрезка ступенчатой передающей линии.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в частности для формирования сильноточных электронных пучков с энергией ускорения 10⁵ 10⁷ B, током 10³ 10⁶ A и длительностью 10^-8 10^-7 C.
Известен генератор высоковольтных импульсов, содержащий одиночную линию, ступенчатую формирующую линию, образованную последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины, равной электрической длине одиночной линии, коммутирующий разрядник на входе ступенчатой формирующей линии и подключенную к выходу генератора непосредственно или через выходной разрядник нагрузку, причем выход одиночной линии, выход ступенчатой формирующей линии и нагрузка включены последовательно (1).
Недостатком такого генератора является то, что при полном числе отрезков линий в генераторе, равном n, амплитуда прямоугольного импульса напряжения на нагрузке не превышает n U_o, где U_o зарядное напряжение генератора, а в режиме максимального КПД составляет лишь половину от этой величины.
Наиболее близким по технической сущности является генератор высоковольтных импульсов, принятый за прототип, содержащий коммутируемую и некоммутируемую линию одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод и заземленные электроды, причем на входе коммутируемой линии включен разрядник, к заземленным электродам со стороны разрядника подключена короткозамкнутая линия с электрической длиной, равной электрической длине коммутируемой линии, а с другой стороны нагрузка (2). В объеме короткозамкнутой линии размещен дополнительный высоковольтный электрод, который соединен с общим высоковольтным электродом коммутируемой и некоммутируемой линии у разрядника и разделяет короткозамкнутую линию на два последовательно соединенных отрезка одинаковой электрической длины, равной электрической длине коммутируемой линии, волновые сопротивления выбраны из соотношений

где ₁- волновое сопротивление отрезка короткозамкнутой линии, примыкающее к разряднику; ₂- волновое сопротивление отрезка короткозамкнутой линии, примыкающее к некоммутируемой линии; ₃- волновое сопротивление некоммутируемой линии; ₄- волновое сопротивление коммутируемой линии.
Недостатком генератора является невысокая амплитуда формируемого на нагрузке прямоугольного импульса, равная v_o в согласованном режиме и 2 v_o в режиме холостого хода.
Целью изобретения является повышение амплитуды формируемого на нагрузке прямоугольного импульса напряжения.
Для достижения указанной цели в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем коммутируемую и некоммутируемую линию одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод и по заземленному электроду, разрядник, включенный на входе коммутируемой линии, к заземленным электродам со стороны разрядника подключена короткозамкнутая линия с электрической длиной, равной электрической длине коммутируемой линии, дополнительный высоковольтный электрод, размещенный в объеме короткозамкнутой линии и соединенный с общим высоковольтным электродом коммутируемой и некоммутируемой линии, и нагрузку, при этом волновые сопротивления линий выбраны из соотношения
(1)
где ₁- волновое сопротивление отрезка короткозамкнутой линии, примыкающего к разряднику; ₂- волновое сопротивление отрезка короткозамкнутой линии, примыкающего к некоммутируемой линии; ₃- волновое сопротивление некоммутируемой линии; ₄- волновое сопротивление коммутируемой линии, к заземленным электродам коммутируемой и некоммутируемой линий со стороны противоположной подключению короткозамкнутой линии, подключена ступенчатая передающая линия, выполненная в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий, электрическая длина каждого из которых равна электрической длине коммутируемой линии, нагрузка подключена непосредственно или через коммутирующий элемент к выходу ступенчатой передающей линии, а волновые сопротивления выбраны из соотношений
(2)
где _ni волновое сопротивление i-того отрезка ступенчатой передающей линии; m 1,2,3. количество отрезков ступенчатой передающей линии.
Подсоединение к заземленным электродам коммутируемой и некоммутируемой линии ступенчатой передающей линии, к выходу которой непосредственно или через коммутирующий элемент подключена нагрузка, а также соответствующий выбор соотношения волновых сопротивлений генератора позволяют значительно повысить амплитуду формируемого на нагрузке прямоугольного импульса напряжения и, кроме того, в согласованном режиме обеспечивают полную передачу энергии из генератора в выгрузку.
На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого генератора высоковольтных импульсов.
Генератор содержит коммутируемую 1 и некоммутируемую 2 линии одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод 3. На входе коммутируемой линии 1 установлен разрядник 4. Генератор содержит также короткозамкнутую линию 5 электрической длины, равной электрической длине коммутируемой линии 1. В объеме короткозамкнутой линии 5 размещен дополнительный высоковольтный электрод 6, соединенный с общим высоковольтным электродом 3 коммутируемой 1 и некоммутируемой 2 линий. К заземленным электродам 7, 8 коммутируемой 1 и некоммутируемой 2 линий со стороны, противоположной подключению короткозамкнутой линии 5, подключена ступенчатая передающая линия 9, выполненная в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий, электрическая длина которых равна длине коммутируемой линии 1. Нагрузка 10 подключена непосредственно или через коммутирующий элемент 11 к выходу ступенчатой линии 9. Волновые сопротивления ₁, ₂ отрезков 12, 13 короткозамкнутой линии 5, волновые сопротивления коммутируемой 1 и некоммутируемой 2 линий ₄, ₃, и волновые сопротивления ступенчатой линии 9 _n1, _n2,..., _nm выбраны из соотношений (1), (2). Генератор работает следующим образом. Электрическая емкость линий 1, 2, 5, заряжается до напряжения v_o от внешнего источника, не указанного на чертеже. В момент времени t 0, когда достигается максимальное зарядное напряжение генератора, включается разрядник 4, замыкающий накоротко одновременно коммутируемую линию 1 и отрезок 12 короткозамкнутой линии 5, по которым от разрядника 4 побегут волны разрядки - U_o. В момент времени t = _o где _o электрическая длина коммутируемой линии, волна разрядки, распространяющаяся по отрезку 12, достигает места его соединения с отрезком 13. В результате в отрезок 12 отразится волна -v₀( ₂- ₁)/( ₂+ ₁) = -v₀/2, а в отрезок 13 пройдет волна разрядки v₀2 ₂/( ₂+ ₁) = -3/2v₀. В этот же момент времени волна разрядки, распространяющаяся по коммутируемой линии 1, достигает места ее соединения с входным отрезком ступенчатой линии 9 и некоммутируемой линией 2. В коммутируемую линию 1 отразится волна разрядки , а в некоммутируемую линию 2 пройдет волна разрядки -v₀2 _n3/( _n1+ ₃+ ₄) = -v₀(m+2)/(m+1), а в первый отрезок ступенчатой линии 9 пройдет волна . В момент времени t = 2 _o происходит следующее. Волна -v_o(3_m+4)/[4(m+1)] распространяющаяся по коммутируемой линии 1, достигает замкнутого накоротко разрядника 4 и отражается от него без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. К месту соединения отрезка 13 и некоммутируемой линии 2 приходят одновременно две волны: волна 3/2 v_o по отрезку 13 и волна v_om/[4(m+1)] по некоммутируемой линии 2. В результате в некоммутируемую линию 2 пойдет волна -v_o(5m+8)/[4(m+1)] В этот же момент времени t = 2 _o после прихода к месту соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии 9 волны -v_o(m+2)/(m+1) в первый отрезок ступенчатой линии отразится волна -v_o(m+2)/[m (m+1)] В момент времени t = 3 _o к месту соединения коммутируемой 1, некоммутируемой 2 и ступенчатой 9 линий приходят одновременно три волны: волна v_o(3m+4)/[(m+1)] по коммутируемой линии 1, волна -v_o(5m+8)/[4(m+1)] по некоммутируемой линии 2 и волна -v_o(m+2)/[m(m+1)] по первому отрезку ступенчатой линии 9. В результате в ступенчатую передающую линию 9 пойдет волна напряжения v_o(m+2)(2m+1)/[m (m+1)] Таким образом, в ступенчатую передающую линию 9 по первому отрезку с волновым сопротивлением _n1 в момент времени t = _o пойдет волна напряжения v_n1 -v_o(m+2)/(m+1), а в момент времени t = 3 _o волна v_n2 v_o(m+2)(2m+1)/[m (m+1)] В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии 9 только этих двух волн. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии 9 волны v_n1 и v_n2 будут изменять свою амплитуду. В интервале времени i _o (i+1) _o волна v_n1 будет распространяться по отрезку ступенчатой передающей линии 9 с номером i и ее амплитуда Uⁱ_ni будет равна

Амплитуда волны v_n2 в отрезке ступенчатой линии 9 с номером i, обозначим ее vⁱ_ni связана с амплитудой той же волны и в отрезке с номером i-1 и амплитудой волны v_n1 в отрезке с номером i Uⁱ_n1 следующим рекурентным соотношением:

С учетом соотношения волновых сопротивлений отрезков ступенчатой линии 9, выражения для vⁱ_M и амплитуды волны v_n2 в первом отрезке ступенчатой линии 9 vⁱ_ni v_o(m+2)(2m+1)/[m+1)] находим .
В момент времени t=(m+1) _o волна v_n1 с амплитудой v^m_n1 -v_o(m+2)/2 приходит к выходу генератора с волновым сопротивлением _nm. Так как коммутирующий элемент 11 выключен, то волна отражается от разомкнутого конца линии без изменения полярности и амплитуды. В результате выходной отрезок ступенчатой ступенчатой передающей линии 9 с номером m оказывается заряженным до напряжения 2 v^m_ni. В момент времени t = (m+3) _o включается коммутирующий элемент 11. При подключении к заряженной линии на нагрузке 10 формируется импульс напряжения

В это же время к выходу генератора приходит волнa U^m_n2 v_o 3(m+2)/2 и на нагрузке 10 возникает импульс напряжения

Суммарная амплитуда импульса напряжения, возникающего на нагрузке 10 в момент времени t = (m+3) _o, равна

и остается постоянной до прихода к нагрузке 10 отраженных волн, т.е. в интервале времени (m+3) _o-(m+5) _o. В дальнейшем на нагрузке 10 формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2 _o. Амплитуда напряжения на нагрузке 10 максимальна в режиме холостого хода и равна v_o 2 (m+2). Генератор имеет наибольший КПД в согласованном режиме, когда R_н= _nm= ₃(m+4) (m+2). В этом случае на нагрузке 10 формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения амплитудой v_o (m+2) и длительностью 2 _o. Энергия, переданная в течение импульса в согласованную нагрузку 10

равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе

где С₁, C₂, C₃, C₄ электрическая емкость отрезков 12, 13, некоммутируемой линии 2 и коммутируемой линии 1.
Следовательно, к моментувремени t = (m+5) _o запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 10, и напряжение в любом сечении генератора становится равным нулю.
При использовании генератора в качестве ускорителя, нагрузкой 10 является автоэмиссионный диод, в котором происходит формирование и ускорение потока заряженных частиц. В этом случае нагрузка 10 (диод) может быть подключена непосредственно к выходу ступенчатой линии 9 без коммутирующего элемента 11. Функции отсутствующего коммутирующего элемента 11 будет выполнять сам диод.
Так на нагрузке генератора формируется импульс напряжения v_o 2(n-2) в режиме холостого хода и v_o(n-2) в согласованном режиме, где n m+4 полное число отрезков линий генератора. Так как для предлагаемого генератора n 5, то амплитуда напряжения на нагрузке в согласованном режиме и в режиме холостого хода как минимум в 3 раза выше по сравнению с генератором-прототипом.
Генератор может быть выполнен в вариантах, использующих полосовые, коаксиальные и радиальные линии.
Генератор высоковольтных импульсов, содержащий коммутируемую и некоммутируемую линии одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод и по заземленному электроду, на входе коммутируемой линии включен разрядник, к заземленным электродам со стороны разрядника подключена короткозамкнутая линия с электрической длиной, равной электрической длине коммутируемой линии, в объеме короткозамкнутой линии размещен дополнительный высоковольтный электрод, соединенный с высоковольтным электродом и разрядником, и нагрузку, при этом волновые сопротивления линий выбраны из соотношения

где ₁ - волновое сопротивление отрезка короткозамкнутой линии, примыкающего к разряднику, ₂ - волновое сопротивление отрезка короткозамкнутой линии, примыкающего к некоммутируемой линии, ₃ - волновое сопротивление некоммутируемой линии, ₄ - волновое сопротивление коммутируемой линии, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды формируемого на нагрузке прямоугольного импульса напряжения, к заземленным электродам со стороны, противоположной подключению короткозамкнутой линии, подключена ступенчатая передающая линия, выполненная в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий, электрическая длина каждого из которых равна электрической длине коммутируемой линии, нагрузка подключена непосредственно или через коммутирующий элемент к выходу ступенчатой передающей линии, а волновые сопротивления выбраны из соотношений

где m = 1, 2, 3,... количество отрезков ступенчатой передающей линии; _ni - волновое сопротивление i-ого отрезка ступенчатой передающей линии.