Спосіб генерування високовольтних імпульсів та генератор імпульсних напруг для його здійснення

1. Способ генерирования высоковольтных импульсов при помощи генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Маркса, заключающийся в формировании импульсного напряжения на нагрузке с началом спада после нарастания напряжения на ней до величины л и ч а ю щ и й с я тем, что на стартовый разрядник подают инициирующий разряд генератора - импульс напряжения с амплитудой и и и н , удовлетворяющий неравенству = N*U0CH* где \Joctt - напряжение, до которого предварительно заряжены емкостные накопители каскадов; ZH - импеданс нагрузки; Z 3 X - характеристическое сопротивление энергопровода генератора; L - индуктивность каскадов; С - емкость каскадов относительно земли, за счет разряда емкостных накопителей каскадов на энергопровод и нагрузку, о т где UCT - статическое пробивное напряжение стартового разрядника, и длительностью фронта С, фиин фн затем формирующийся импульс напряжения по энергопроводу последовательно подают на разрядники каскадов, начиная с первого, которые последовательно срабатывают, обеспечивая последовательное покаскадное обострение фронта формирующегося в энергопроводе импульса, что выражается следующими соотношениями: Т > N St> 0 ко *ком(к+1) \о*л к ~ \N ~ финн * і О' Чом к» 'фк ~ ком 0» V>MN' к =1,2 N-1; \ - \ Л, = и где к - номер каскада; Хфк - длительность фронта формирующегося в энергопроводе импульса напряжения после срабатывания разрядника к-го каскада; Хф0 - длительность фронта импульса напряжения после срабатывания стартового разрядника; Ч-N ~ длительность фронта импульса на нагрузке; t K O M 0 - время коммутации стартового разрядника; О 27077 3. tK0M k - время коммутации разрядника k-ro каскада; t K 0 M N - время коммутации разрядника N-ro каскада на нагрузку; Ак - амплитуда формирующегося импульса после к-го каскада; AN ~ амплитуда импульса после N-ro каскада на нагрузке; AQ - амплитуда формирующегося импульса после стартового разрядника; Z3 - волновое сопротивление энергопровода. 2. Генератор импульсных напряжений, собранный по схеме Маркса, содержащий N каскадов, знергопровод, состоящий из прямого и обратного токопроводов, емкостные накопители каскадов, разрядники каскадов и стартовый разрядник, устройство запуска, нагрузку, отлич а ю щ и й с я тем, что генератор дополнительно содержит широкополосную однородную длинную линию передачи между устройством запуска и стартовым разрядником, энергопровод выполнен в виде широкополосной однородной длинной линии с распределенными параметрами, состоящей из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, причем каждый из отрезков содержит в прямом токопроводе разрыв, емкостный накопитель каскада, включенный в разрыв прямого токопровода, при этом выполнены соотношения: к= финн 1ф0/2,5; 1*54 пробп' где к - номер каскада; h 3 - расстояние между прямым и обратным токопроводами; Со - скорость света в вакууме; t K0M k - время коммутации разрядника k-го каскада; є г з - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в энергопроводе; *Фк ~ длительность фронта электромагнитного импульса после срабатывания разрядника k-го каскада; *проб(к-п ~ время пробега электромагнитного импульса по энергопроводу между разрядниками (к-1)- и k-го каскадов; t n p o 6 n - время пробега электромагнитного импульса (импульса напряжения) по линии передачи между устройством запуска и стартовым разрядником; *Ф и н ~ Длительность фронта импульи са от устройства запуска; t ф 0 - длительность фронта импульса после срабатывания стартового разрядника; Za - волновое сопротивление энергопровода, равное волновому сопротивлению линии передачи между устройством запуска и стартовым разрядником; Ск - емкость накопителя k-го каскада; С р к - емкость между электродами разрядника k-го каскада; С р 0 - емкость между электродами стартового разрядника; п с - длина разрыва в прямом токопроводе, в который (разрыв) включен емкостной накопитель k-го каскада; е г с ~ относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в емкостном накопителе k-го каскада. Изобретение относится к высоковольтных напряжений, собранного по схеме ной импульсной технике, предназначено Маркса и отделенного от нагрузки раздля получения импульсов высокого напрядником (Кремнев В.В., Месяц Г.А. Меряжения с коротким фронтом и может тоды умножения и трансформации импульбыть использовано в различных высоко- 5 сов в сильноточной электронике.- Нововольтных электрофизических установках. сибирск:Наука СО, 1987.- С.41- 49). При этом длительность фронта импульса на Известен способ генерирования имнагрузке определяется параметрами разпульсов с крутым фронтом посредством рядного контура малоиндуктивного конимпульсной зарядки малоиндуктивного конденсатора (емкостного накопителя), вклю- 10 денсатора, в который входят емкость и ченного на выходе генератора импульсиндуктивность малоиндуктивного конден 27077 сатора, импеданс нагрузки и индуктивное активное сопротивление разрядного промежутка разрядника между малоиндуктивным конденсатором и нагрузкой на и после стадии коммутации разрядника. За счет использования малоиндуктивного емкостного накопителя на выходе генератора Маркса длительность фронта импульса на нагрузке можно уменьшить на порядок и более по сравнению с разрядом генератора Маркса на нагрузку без использования такого накопителя. Однако уменьшение длительности (обострение) фронта импульса на нагрузке достигается только за счет использования на выходе генератора Маркса малоиндуктивного емкостного накопителя и дополнительного разрядника. Поэтому оно (обострение фронта импульса) является слабым [1]. Наиболее близким по сути и достигаемому результату к изобретению является способ3генерирования высоковольтных импульсов при помощи генератора Маркса [2]. Он заключается в том, что скорость распространения волны включений разрядников каскадов генератора Маркса совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны в искусственной линии, образованной индуктивностями каскадов и емкостями каскадов генератора относительно земли. Такой способ генерирования обеспечивает принципиальную возможность генерирования импульсов с временем нарастания (длительностью фронта) меньшим, чем время зарядки генератором собственных емкостей каскадов относительно земли. При этом компенсация возможного медленного нарастания напряжения на нагрузке генератора, начинающегося после достижения напряжением величиныы К = N*U«H * jfa. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 где N - количество каскадов генератора Маркса; Чхн ~ напряжение, до которого предварительно заряжены емкостные накопи- 50 тели каскадов; ZH - импеданс нагрузки; Z 3 X - характеристическое сопротивление энергопровода, обеспечивается за счет разряда ем- 55 костей каскадов на энергопровод и нагрузку. Этот способ позволяет достичь такой минимальной длительности фронта импульса на нагрузке генератора, которая (дли тельность фронта) примерно равна суммарному времени коммутации в разрядниках каскадов генератора. Недостатком данного способа является большая длительность фронта импульса на нагрузке генератора, поскольку за время порядка наносекунды, примерно соответствующее времени коммутации разрядника каскада при 2-3-кратном перенапряжении, основные индуктивности и емкости схемы генератора Маркса не успевают существенно изменить ток и напряжение в схеме [2, с, 189]. Поэтому длительность фронта импульса на нагрузке увязывается с временем зарядки генератором собственных емкостей относительно земли. Однако длительность фронта импульса на нагрузке может быть не просто меньшей, а значительно меньшей, чем время зарядки генератором емкостей относительно земли, и практически независимой от этого процесса. Кроме того, недостатком данного способа является то, что для обострения фронта импульса на нагрузке не используется малоиндуктивный емкостной накопитель на выходе генератора. Вследствие этого увеличивается длительность фронта импульса на нагрузке. Известен генератор импульсных напряжений, собранный по схеме Маркса, содержащий каскады, обладающие емкостью, соединенные между собой последовательно через разрядники, имеющие основные электроды, диэлектрик, установленный между каскадами, в котором для получения импульсов высокого напряжения с коротким фронтом разрядники размещены по краям каскадов, а их основные электроды расположены на поверхностях диэлектрика [3]. Многоканальный характер разряда в разрядниках и расположение разрядников по краям каскадов уменьшают индуктивность генератора и обеспечивают получение на нагрузке импульсов напряжения с коротким фронтом. Недостатком этого генератора является то, что его энергопровод не выполнен в виде длинной линии с распределенными параметрами, электрическая длина каскада (время пробега электромагнитного импульса (импульса напряжения) по энергопроводу между разрядниками k-го и (к+1)-го каскадов ( k=1,2,...,N, k - номер каскада; N - количество каскадов) не увязана с длительностью фронта формирующегося импульса. Кроме того, время коммутации разрядников, длительность фронта импульса не увязываются с расстоянием между прямым и обратным то 7. 27077 копроводом, с характерным временем заряда емкости между электродами разрядников. Все это не позволяет при помощи данного генератора осуществить покаскадное обострение фронта импульса напряжения, что увеличивает длительность фронта импульса на нагрузке. Известен также генератор импульсов высокого напряжения с длительностью фронта 1,5*10'9 с [2, с . 4 1 - 49]. В этом генераторе использован малоиндуктивный емкостной накопитель с импульсной зарядкой, включенный на выходе генератора, и дополнительный разрядник. Диэлектриком в малоиндуктивном емкостном накопителе (конденсаторе) служил глицерин, относительная диэлектрическая проницаемость которого е г л о т н =40. За счет известного повышения диэлектрической прочности диэлектрика при малых временах воздействия напряжения удалось значительно снизить габариты компенсирующего малоиндуктивного конденсатора и разрядной камеры, выполненной конструктивно вместе с конденсатором. Малоиндуктивный конденсатор представляет собой отрезок коаксиальной длинной линии, состоящей из двух цилиндрических обкладок с пространством, заполненным глицерином. Емкость конденсатора была равна 10 9 Ф, а "ударная" емкость генератора 12,5*10 9 Ф при напряжении 150 кВ." Внутренняя обкладка конденсатора являлась также корпусом разрядной камеры, заполненной азотом при давлении 1,6*106 Па, в которую помещен коммутирующий разрядник. Расстояние между электродами разрядника могло регулироваться без нарушения давления в камере. Конденсатор подключен к выходу генератора через дополнительную индуктивность, что способствовало более эффективному умножению напряжения на нем. Недостатком этого генератора являются: подключение конденсатора к выходу генератора через дополнительную индуктивность, отсутствие в генераторе энергопровода в виде длинной линии с распределенными параметрами, отсутствие увязки между электрической длиной каскада генератора и длительностью фронта формируемого импульса. Все это не позволяет достичь покаскадного обострения фронта импульса в данном генераторе, увеличивает длительность фронта импульса, падающего на коммутирующий разрядник малоиндуктивного конденсатора, а следовательно, увеличивает и длительность фронта сформированного импульса пос 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8 ле коммутирующего разрядника, то есть на нагрузке. Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к изобретению является генератор импульсных напряжений, описанный в [2], а более подробно [Ковальчук Б.М.,Кремнев В.В., Лучинская Л.И. и др. Моделирование работы многоступенчатого генератора Аркадьева-Маркса на ЭВМ//И Всесоюзная конференция по инженерным проблемам термоядерных реакторов: Сб.докл.- Л.:НИИЭФА,1982.- Т.З.С.160- 167]. Данный генератор является двадцатикаскадным с емкостью каждого каскада 10 7 Ф, емкостью каждого каскада относительно земли 1,5*10-10Ф, индую ивностью каскада 5*10 7 Гн, зарядным напряжением каскадов 3*104 В, сопротивлением нагрузки 72 Ом, ее паразитной емкостью 4,5*10 1 0 Ф и индуктивностью 1,6*10* Гн. Генератор собран на базе малоиндуктивного конденсатора ИМН-100-0,1 с использованием трехэлектродных разрядников и емкостной связи средних электродов с предыдущими каскадами. При помощи данного генератора получен импульс с приблизительно плоской вершиной и осуществлен режим разряда генератора, когда скорость распространения волны включения разрядников генератора совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны в искусственной линии, образованной индуктивностями каскадов и емкостями каскадов относительно земли. При этом, согласно экспериментальным данным, представленным графически, длительность фронта на нагрузке, без использования малоиндуктивного конденсатора и дополнительного разрядника на выходе генератора, составила не более Ю-8 с. Недостатком данного генератора является то, что его энергопроводом является искусственная линия, образованная сосредоточенными индуктивностями каскадов и емкостями каскадов относительно земли, а не длинная линия с распределенными параметрами. Генератор обладает повышенной емкостью между электродами разрядников, что приводит к увеличенному времени нарастания на них напряжения при разряде генератора и появлению предымпульса на нагрузке. Это не позволяет осуществить способ покаскадного обострения фронта формируемого в генераторе импульса, полностью избавиться от связи длительности фронта на выходе генератора с временем зарядки генератором собственных емкостей 27077 каскадов относительно земли (электрической длиной генератора) и увязывать длительность фронта формируемого импульса только с временем коммутации одного разрядника каскада. Кроме того, этот генератор не содержит малоиндуктивного конденсатора (или отрезка длинной линии) и дополнительного разрядника на выходе генератора. Эти недостатки приводят к получению высоковольтного импульса на нагрузке с увеличенной длительностью фронта. В основу изобретения поставлена задача создания способа генерирования высоковольтных импульсов и устройства для его осуществления, в которых более короткая длительность фронта импульса на нагрузке достигается покаскадным обострением фронта импульса в энергопроводе генератора Маркса, представляющем собой широкополосную однородную длинную линию с распределенными параметрами, состоящую из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, и дополнительным полным обострением фронта импульса при помощи выходного отрезка энергопровода и выходного разрядника. При этом длительность фронта импульса на нагрузке не зависит от электрической длины генератора Маркса, от времени зарядки его емкостей относительно земли. Указанная задача решается тем, что в способе генерирования высоковольтных импульсов при помощи генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Маркса, содержащего N каскадов, энергопровод, нагрузку, емкостные накопители каскадов, разрядники каскадов и стартовый разрядник, устройство запуска, при котором емкости накопителей выбирают так, чтобы после срабатывания разрядников генератора обеспечить начало спада импульсного напряжения на нагрузке сразу после нарастания напряжения на ней до величины (1) ЛіZO1, -Э.к = (2) где Ц ^ - напряжение, до которого предварительно заряжены емкостные накопители каскадов; ZH - импеданс нагрузки; 2Эк - характеристическое сопротивление энергопровода генератора; L - индуктивность каскадов; С - емкость каскадов относительно земли, 10 за счет разряда емкостных накопителей каскадов на энергопровод и нагрузку, в соответствии с изобретением, энергопровод представляет собой широкополосную однородную длинную линию с распределенными параметрами, состоящую из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, генератор дополнительно содержит широкополосную однородную длин10 ную линию передачи между устройством запуска и стартовым разрядником, на стартовый разрядник от устройства запуска по линии передачи подают инициирующий разряд генератора импульс нап15 ряжения с амплитудой и и и н , удовлетворяющей неравенству го U 3*U (3) где UCT - статическое пробивное напряжение стартового разрядника, и длительностью фронта в результате чего стартовый разрядник срабатывает, затем формирующийся им25 пульс напряжения по энергопроводу последовательно подают на разрядники каскадов, начиная с первого, которые последовательно срабатывают, обеспечивая последовательное покаскадное обострение ЗО фронта формирующегося в энергопроводе импульса, что выражается следующими соотношениями: (5) ф.иин. (к-1) (6) 0 (7) (8) Чом.к - * ф.к - * ком.О» • (9) Ф (Ю) к = 1,2 (11) 40 ! = АГ ZH (12) (13) где к - номер каскада; т.фк - длительность фронта формирующегося в энергопроводе импульса напряжения после срабатывания разрядника k-го каскада; т.ф0 - длительность фронта импульса напряжения после срабатывания стартового разрядника; т.фп - длительность фронта импульса на нагрузке; t K O M 0 - время коммутации стартового разрядника; время коммутации разрядника TOMk к -го каскада; - время коммутации разрядника N-ro каскада на нагрузку; KOM.N н 27077 ^ - амплитуда формирующего импульса после к-го каскада; . AN - амплитуда импульса после N-ro каскада на нагрузке; А - амплитуда формирующегося имф пульса после стартового разрядника; Ze - волновое сопротивление энергопровода. Указанная задача решается также тем, что в генераторе импульсных напряжений, собранном по схеме Маркса, содержащем N каскадов, энергопровод, состоящий из прямого и обратного токопроводов, емкостные накопители каскадов, разрядники каскадов и стартовый разрядник, устройство запуска, нагрузку, в соответствии с изобретением, генератор дополнительно содержит широкополосную однородную длинную линию передачи между устройством запуска и стартовым разрядником, энергопровод выполнен в виде широкополосной однородной длинной линии с распределенными параметрами, состоящей из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, причем каждый из отрезков содержит в прямом токопроводе разрыв, емкостный накопитель каскада, включенный в разрыв прямого токопровода, при этом выполняются соотношения: • W ТОМ 5 10 15 20 25 30 э = 0,8 * V i ^ к =1,2 N; t. £2*t (14)