Многоканальный генератор высоковольтных импульсов

(ЪСЭЙИ(1, 738115 Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик СПИ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51) М. Кл. Н 03 К 3/53 Государстввннва комитет до делам изобретений н открытий(53) УДК 621.373. .52 (088.8) Дата опубликования описания 02.06,80(54) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ, ИМПУЛЬСОВ Йзобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть ис.пользовано для управления синхроннымвыключением многих раздельных разрядников, при проведении высоковольтных им 5пульсных исследований,Известен многоканальный генераторвысоковольтных импульсов, содержащий накопитель из отрезков кабеля, расположенных радиально и присоединенных центральными проводниками и дисковому электроду механически управляемого разрядника;к другому аналогичному электроду разрядника также присоединены отрезки кабеля,передающие высоковольтный импульс к потребителям при прокалывании остриемпленки, изолирующей электроды разрядника 11.Недостатками известного устройстваявляется низкая точность момента вре- Эзманного срабатывания генератора относительно пускового импульса и ограничениедисковыми электродами разрядника длительности фронта высоковольтного импуль 2са,а также большая громоздкость из-замалой плотности электрической энергии,запасаемой в кабелях-накопителях, и низкая надежность к неуправляемому пробоюкабелей,Наиболее близким к предлагаемому потехнической сущности является многоканальный генератор высоковольтных им-.пульсов, содержащий последовательно включенные низкоимпедансный накопитель наоснове конденсаторов с высоким значениемдиэлектрической проницаемости и электрически управляемый по принципу возмущения поля коммутатор, соединительную лидию, газойаполненйый разрядник обостритель с коаксиальными электродами и пе-редающую линию из параллельно включенных волноводов 21. Разрядник-обостритель выполнен с волновым сопротивлением, равным на всей его длине волновомусопротивленйю соединительной и передающей линии., кабели которых расположены в один ряд по цилиндрической поверхности, совпадающей с кольцевым разрядным промежутком разрядника-обострителя, и присоединены оплетками и центральными " йровбдйиками соответственно к внешнемутрубчатому"и к коаксиальному" ему- вне разрядника-обострителя.Такой многоквцальный генератор имеет более высокую точность срабатывания и более короткий фронт импульса, габариты накопителя меньше, а надежность выше,Недостатками известного генератора"являются разновременность поступления импульса напряжения в волноводы передающей линии, что связано с формированием случайно расположенного в зазоре разрядного обострителя разрядного сильноточноредающей линии волновым сопротивлением разрядника-обострителя; увеличенная длительность фронта импульса из-за большоник-обостритель; пониженная стабильностьработы генераторе отзапуска "кзапускуйз-за высокой эрозии поверхностей электродов разрядника-сбострителя и из-за трудности начальной установки и поддержания одинакового зазора кольцевого раз" " рядного промежутка; сложность конструк-ции генератора из-за большой площади электродов разрядника-обострителя, заполФненного газом под давлением выше 10 Па (10 ат), что требует выполнения корпуса. разрядника-обострителя; выдерж ивающегобольшие статические и динамические нагрузки от ударных волн в газе при разряде, Кроме того, форма и фронт импуль- са в даййом передающем волноводе нестабильны от включения к включению генератора из-за разной удалейнбсти "волйовода рядном промежутке,Цель изобретения- умеЖшенйе разновременности передачи импульса в волноводы, - увеличение числа-вблноводов, сокращение длительности переднего. фронта им пульса,повышение стабильности работыгенератора и упрощение его конструкции.Поставленная цель достигается тем,что в многоканальном генераторе"высоко вопьтных импульсов напряжения, содержа-" "-щем последовательно включенные накопитель с управляемым коммутатором;" соединительную линию, газонаполненный разрядник-обостритель с коаксиальными алектродамй" и передакйцую линию из параллель"й 6 вклюейййх волйовбдов," электроды разрядника-обострителя выполнены в виде двух согласованных по волновому сопро 738 115тивлению коаксиальных конических переходов, обрашейных вершинами друг к другу,внешние электроды которых соединены непбсредственно, а между торцами внутренреннему цилиндрической формы электродам них электродов в месте их наименьшего5диаметра образован, как минимум, одинкольцевой разрядный промежуток, причеммежду электродами разрядного промежутка обострителя размещен твердый диэлек 10 трик, а один или оба электрода имеют выступы, равномерно расположенные по окружности промежутка, при этом разрядник-обостритель снабжен устройством дляперемещения диэлектрика на длину, превы 15 шающую азимутальную протяженность одиночного выступа. го канала; ограничение числа волновод пе- Многоканальный генератор при такомего выполнении уменьшает разновременность поступления импульса высокого на 20 пряжения на входы всех волноводов перего импульсного тока через канал в разряд- дающей линии от включения к включениюгенератора, ибо диаметр кольцевого разрядного промежутка меньше диаметра окружности, по которой размещаются волно 25 воды передающей линии, например, отрезки кабелей а также увеличивает числоэтих волноводовиз-за возможности увеличения диаметров конусных оснований внутреннего и внешнего электродов перехода30 в месте присоединения к ним передающихимпульсы волноводов. Увеличение диаметров достигнуто тем, что оба конусных перехода для оптимальности работы генератора согласованы по волновому сопротивле 35 нию между собой, а также с соединительной и передающей линиями, На участкеот промежутка до места подключения волноводов закон изменения волнового сопротивления по длине перехода может быть от места канала разряда в кольцевом раз любым, что достигаетсясоответствующим .изменением отношения диаметров электродов перехода; в частности, диаметры оснований электродов выходного перехода вместе подключения волноводов передающей45 линии могут быть больше. диаметров оснований аналогичных электродов входногоперехода, чтои позволяет увеличить .число передающих волноводов. Выполнениевходного перехода с увеличивающимся по50 направлению от конца до кольцевого разрядного промежутка волновым сопротивлением приводит к повышению амплитудыЙапряжения импульса при сохранении егомощности, что способствует уменьшениюдлительности фронта импульса за обострителем, уменьшению эрозии поверхностейэлектродов и запыленности изоляторов, что,в свою очередь, стабилизирует время задающей линией Б. В качестве накопителя 1 может использоваться батарея из конденсаторов, одиночная или двойная линия с распределенными параметрами, индуктивный накопитель, а в качестве коммута- . тора 2 - многоканальный или несколько параллельно соединенных газонаполненных ;разрядников, управляемых по принципу возмущени поля. Соединительная линия 3 может быть выполнена в виде парал.лельно включенных отрезков кабелей .или в виде участка одиночной коаксиальной ниэкоимпедансной лини, а передающая линия 5 - иэ размещенных по окружности на внешнем периметре электродов разрядника-обострителя (РО) отрезков радиочастотных кабелей, Разрядник-обостритель выполнен в виде двух конусных коаксиальных переходов (КП)-входного н выходного- - соответствейно за концом соедйнительной линии 3 и перед началом переда- ющей линии 5, Переходы обращены верши нами один к другому; их внешние конусные электроды 6 соединены между собой непосредственно; между торцами внутренних электродов 7 в месте их наименьшего диаметра образован кольцевой газонаполненный1 ат) разрядный промежуток 8 с изолирующим корпусом 9. Корпус представляет собой как бы распорную шайбу между внутренним и внешним электродами высоковольтной линии; его целесообразно выполнять из электрически и"механически-прочного материала, в частности из капролона,В случае заполнения объема между электродами 6 и 7 изоляцией с величиной диэлектрической постоянной, близкой к величине диэлектрической постоянной материала корпуса, волновое сопротивление конусных переходов в вх наиболее узком месте не испытывает скачка, Электроды 6 и 7 входного коаксиального перехода спрофилированы так, что волновое сопротивление образуемой ими линии увеличивается по мере приближения к кольцевому разрядному промежутку, для чего в каждом последующем поперечном сечении отношение Зд диаметров: соответственно наружного В и внутреннего Д электро- дов увеличивается, Для передачи через п реходы импульса с наименьшими отражекиями и искажениями оптимальным является изменение по их длинам одновременно диаметров Ь и д обоих электродов 6 и 7; по атой.же причине длина перехода должна быть больше максимального диаметра Й внешнего проводника. Максидержки пробоя кольцевого разрядного промежугка от включения к включению гене, ратора и повышает ресурс работы генератора, Увеличение толщины изоляции между внешними и внутренними электродами обострителя против места создания копь- . ,цевого разрядного промежутка в сочетании с уменьшением диаметра кольцевого разрядного промежутка упрощает конструкцию/ и размещение здесь изолирующего корпу- О са газонаполненного разрядного промежутка; давление газа в обостряющих промежутках составляет, как правило, свыше 10 ат, в результате чего на электроды, кольцевого разрядного промежутка и связанные с ними элементы и узлы действует большое статическое усилие, достигающее при диаметре кольцевого разрядного промежутка 200 мм величины около 3000 кг. С уменьшением диаметра коль- ф. цевого разрядного промежутка снижаются требования к механической прочности элементов кольцевого разрядного промежутка; в частности его изолирующего корпуса,г д что упрощает конструкцию разрядника-обо стрителя и повышает надежность его работы. Уменьшение диаметра кольцевого разрядного промежутка упрощает юстировку внутренних электродов и обеспечивает равномерность.кольцевого разрядного промежутка по всему его периметру, что также по вышает стабильность пробивных характе- ристик кольцевого разрядного промежутка с ростом числа запусков генератора.Для дополнительного сокращения дли- .М тельности фронта импульса в кольцевом разрядном промежутке (КРП ) размещен твердый диэлектрупс, а длина зазора в ряде мест, равномерно расположенных по окружности кольцевого разрядного промежутка, уменьЖ щена эа счет выступов на одном или обо-ихэлектродах, образующих КРП.Сокращение длины промежутка и увеличение потому пробивной напряженности алектрического поля в нем за счет изоляции электродов 5 твердым диалектриком, например, пленкой из полиэтилена, спссобствует увеличению крутизны роста тока в канале при пробое диалектрика и поэтому уменьшению длительности фронта импульса в ПЛ.На.фиг. 1 изображена схема многоканального генератора; на фиг. 2 - вариант. выполнения его разрядника-обострителя.Накопитель 1 электрической анергии (.фиг, 1) соединен посредством управляе-; мого коммутатора 2 с соединительной линией 3, которая через газонаполненный разрядник-обостритель 4 связана с перемальный диаметр д вьходного коаксиаль"фного перехода больше максимального диаметра Э входного коаксиального перехода, что позволяет присоединить к разряднику-обострителю большее число передающих волноводов, чем число таких же волноводов соединительной линни. Для уменьФшения волновых сопротивлений переходовцелесообразно заполнять объем между ихэлектродами изолирующей средой с высокими частотными характеристиками и сбольшим значением относительной диэлектрической постоянной Г в частности,деионизованной водой с Е = 81; вода придлительности импульса в не"колько десятков имеет электрическую пробивную напряженность не выше 1 МВ/см. При необходимости уменьшить давление газа в кольцевом разрядном промежутке и (или) сократить длительность фронта им 11 ульса мо Гут быть размещены последовательно одинза другим два и более кольцевых разряд-,ных промежутка,На фиг. 2 показано размещение междуэлектродами кольцевого разрядного промежутка твердого диэлектрика 10, например круга, из полиэтилена, При этом места пробоев в КРП локализованы, для чего электрод 7 входного коаксиального перехода имеет . в кольцевом зазоре четыре 30выступа 11, равномерно расположенныепо длине окружности кольцевого разрядного промежутка (на разрезе А-А показа-.на для упрощения только торцовая частьэлектрода 7). Оба электрода приближены З 5один к другому на расстояние, определяемое толщиной твердого диэлектрика. Диэлектрик 10 (круг) присоединен к стержню 12, например, из изоляционного материала; стержень герметично уплотнен в 40электроде выходного коаксиальногоперехода (делители уплотнения, например, чередующиеся прокладки из резины и металла, на фиг. 2 не показаны). Диэлектрик10 посредством стержня 12 поворачивают после каждого включения генератора.на .определенный угол для расположенияпротив выступов 1 1 непробитых участковизоляции.Принцип действия генератора состоит, 50в следующем (фиг, 1),Срабатывает коммутатор 2, накопитель 1, разряжаясь через импеданс линии3, создает в ней волну напряжения, которая по достижении входного коаксиального перехода (КП) распространяется по не,му до кольцевого разрядногО промежутка .(КРП) и пробивает его. Так как входной коаксиальный переход имеет на входе в.1- новое сопротивление )х меньше, чем волновое сопротивление р , на его выходе у кольцевого разрядного промежутка, то при распространении волны по этому коаксиальному переходу происходит увеличение амплитуды импульса в К раз при сохранении мощности импульсаК= РВЬк Ьвх . (1)Это означает, что в К раз уменьшается ток через искровой канал в кольцевом разрядном промежутке,. а это в совокупности с увеличением напряженности поля уменьшает длительность фронта импульса за обострителем, ибо время коммутациисвязано с током ,Д и начальной напряженностью электрического поля Е зависимостью. ИО РР)Е (2)где Р - давление газа в кольцевом разрядном промежутке. Уменьшение разрядного тока снижает эрозию электродов и запыленность изоляторов, что стабилизирует время задержки пробоя кольцевого разрядного промежутка и повышает ресурсработы генератора. Из-за увеличения волнового сопротивления по длине входногокоаксиального перехода увеличивается толщина изоляции между наружными и внутренними электродами конусных переходовпротив места создания кольцевого разряд-ного промежутка, что упрощает конструкцию и размещение здесь изолирующегокорпуса разрядного обостряющего промежутка. После пробоя кольцевого радрядного промежутка импульс напряжения с укороченным фронтом распространяется повыходному коаксиальному переходу и переходит с него в каналы линии 5. А таккак диаметр кольцевого разрядного промежутка меньше диаметра этой окружности, например, в 5 раз, то в 5 раз уменьшается по сравнению с известным и равновременнооть передачи импульса напряжения во все волноводы, Уменьшение диаметра кольцевого разрядного промежутка снижает механические напряжения в элементах разрядного промежутка, например, в корпусе 9, что упрощает конструкцию разрядникаобострителя и повышает надежность рабо ты генератора. Уменьшение диаметра делает менее сложной юстировку внутренних электродов с целью достижения равномерности кольцевого разрядного промежутка по всему его периметру, что также ловышает стабильность пробивных характеристик кольцевого разрядного промежутка сростом числа запусков генератора. Выполнение выходного перехода с конуснымиэлектродами, закон изменения вблновогосопротивления по длине которого можетбыть любым, а диаметр электродов на выходе больше диаметра электродов входного коаксиального перехода, позволяет уве.личить число передающих волноводов. При 1 Оэтом удобным оказымется изменение ам-,плитуды импульса напряжения вволново-дах заменой выходного коаксиального перехода другим, с иным законом измененияволнового сопротивления по его длине и 15на конце коаксиального перехода,Размещение твердого диэлектрика между электродами кольцевого разрядного промежутка и уменьшение йри этом длиныпромежутка позволяет дополнительно уменьшать длительность фронта импульса в волноводах, Известно, что пленочные диэлектрики типа полиэтилена, полиэтилен-терефталата и др. имеют на импульсах длительностью в десятки наносекунд импульсную 25электрическую прочность свыше 4 МВ/см,в то время как пробивная напряженностьгазонаполненных промежутков примернона порядок ниже, А так как согласно формулы (2) время коммутации сокращается с ростом , то укорачивается и длительность фронта импульса напряжения заобострителем, При типичных амплитудахимпульсов напряжения 50-100 кВ возможно сокращение длины кольцевого разрядного промежутка до 0,1-0,2 мм, Нафиг, 2 между электродами кольцевого зазора размещен круг из полиэтиленовойили лавсановой пленки, а места возможных пробоев изоляции локализомны за 40счет выступов 11. После включения генератора и пробоя пленки, круг перед очередным запуском генератора поворачиваютпри помощи стержня 12 на угол, длинадуги которого больше азимутальной протяженности выступа 11. Сокращение дли-ны разрядного канала в кольцевом разрядном промежутке и увеличение напряженности электрического поля в нем позволяют уменьшить длительность фронта высоковольтного импульса. При этом временная нестабильность пробоя пленки от импульса к импульсу не превышает доли: Илиединицы наносекунд. Кроме описанного/возможны другие варианты перемещения 55 твердого диэлектрика, в частности, протягивание пленки.Такие многоканальные генераторы особенно перспективны для использования их в составеустановок, в которых необходимо синхронно управлять включением нескольких сотен или тысяч разрядников, на. пруер в многоэлементных ускорителях сильноточных пучков электронов нарадиальных линияхЫ СФА 2 46 %1Формуле изобретения. 1. Многоканальный генератор высоковольтных импульсов, содержащий последомтельно включенные накопитель с управляемым" коммутатором, соединительную линию, газонаполненный разряднйк-обострител 1 скоаксйальными электродами и передающю лини 1 о из параллельно включенных вопноводов, о тл и ч а ю щ и й с ятем, что,-с целью уменьшенйя разновременйости передачи импульса в волноводы,увеличения числа волноводов, сокращениядлительности переднего фронта импульса,повышения стабильности работы генератораи упрощения его конструкции, электро-ды разрядника-обострителя выполнены ввиде двух согласомнных по волновому сопротивлению коаксиальных конических переходов, обращенных вершинами друг кдругу, внешние электроды которых соединены непосредственно, а между торцамивнутренних электродов, в месте их наи.меньшего диаметра, образован, как мини-мум,один кольцевой разрядный промежуток.2.Генератор по п. 1, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что между электродамиразрядного проМежутка обострителя размещен твердый диэлектрик, а один илй обаэлектрода имеют выступы, равномерно расположенные по окружйости промежутка,причем разрядник-обостритель снабжен устройством для перемещения диэлектрика надлину, превышающую азимутальнуюпротяженность одиночного выступа,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Зотов Е. В. и др. Многоканальныйгенератор высоковольтных импульсов,фПТЭ, 1978, М 2, с; 91.2. Павловский А. И. и др, Генераторвысоковольтных импульсов с многокабельной разводкой. "ПТЭ, 1976, М 3, с. 334.е и,пни П 11 П "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная,574/101 ШИИ 1но2 13035,Тираж 995 1 Государственног елам изобретений Москва, Ж, Ра