Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование квазипрямоугольных наносекундных импульсов
1. Формирующие свойства двухпроводных линий с коммутаторами R(l)L(t)-Tmia
2. Формирующие свойства двухпроводных линий с коммутаторами Ж,-типа
3. Форсирование фронта импульса в искровых разрядниках
Выводы
Глава 2. Трансформаторный заряд формирующих линий
1. Трансформатор в резонансном режиме (трансформатор Тесла)
Выводы
2. Трансформатор в чопперном режиме
Выводы
3. Трансформатор в квазигармоническом режиме
Выводы
Глава 3. Бестрансформаторные схемы заряда емкостных накопителей
1. Преобразователь бустерного типа
Выводы
2. Преобразователь чопперного типа
Выводы
Глава 4. Генераторы высоковольтных наносекундных импульсов
1. Генератор наносекундных импульсов на основе коаксиальной линии с комбинированной изоляцией
2. Генератор наносекундных импульсов на основе коаксиальной линии с газовой изоляцией
3. Генератор наносекундных импульсов на основе двойной коаксиальной линии
Выводы
Заключение
Литература
- Формирующие свойства двухпроводных линий с коммутаторами Ж,-типа
- Трансформатор в чопперном режиме
- Преобразователь чопперного типа
- Генератор наносекундных импульсов на основе коаксиальной линии с газовой изоляцией
Введение к работе
1. Актуальность работы
В диссертации рассматриваются вопросы создания мощных высоковольтных источников наносекундных импульсов, ориентированных на формирование сильноточных релятивистских пучков электронов, для СВЧ-генераторов гигаваттного уровня мощности [1*-3*], в которых формирование электронных пучков осуществляется с помощью кромочных взрывоэмиссионных катодов путём подачи на них высоковольтных импульсов напряжения (ускоряющих импульсов) с коротким (наносекундным) фронтом [4*,5*]. При создании СВЧ-генераторов с высокой средней мощностью, достигаемой путём реализации импульсно-периодических режимов формирования импульсов, повышенные требования предъявляются, как к эффективности процессов конвертирования энергии электронных пучков в энергию СВЧ-излучения, так и к эффективности процессов формирования ускоряющих импульсов [6*-10*]. Учитывая, что для эффективной работы релятивистских СВЧ-генераторов необходимо иметь однородные электронные пучки с короткими временами нарастания и спада электронного тока, генераторы ускоряющих импульсов должны обеспечивать эффективное формирование ускоряющих импульсов квазипрямоугольной формы.
Для получения ускоряющих импульсов мультигигаваттного уровня мощности и наносекундной длительности, могут быть использованы различные «механизмы» компрессии потока мощности, получаемого от сравнительно маломощных первичных источников питания [11*-14*]. Однако импульсы мультигигаваттной мощности и квазипрямоугольной формы - импульсы с малой длительностью фронтов и срезов (спадов импульсов), и относительно высокой частотой их следования, как правило, удаётся получать на основе процессов разряда одинарных или двойных коаксиальных формирующих линий (сокращённо ОФЛ и ДФЛ) и коммутаторов, выполненных в виде управляемых газовых разрядников высокого давления [6*-8*, 15*-20*, 27*, 28*]. При этом, большой
практический интерес представляют исследования направленные на улучшение формы импульсов - «прямоугольность» импульсов, их амплитудную стабильность и частоту следования, повышение эффективности процессов их формирования, а также снижение массогабаритов генераторов .
Поэтому, выполненный в работе анализ эффективности процессов формирования импульсов на всех основных стадиях и создание компактных генераторов квазипрямоугольных импульсов, с импульсно-периодическим режимом работы и выходным импедансом, характерным для СВЧ-генераторов, представляется актуальной задачей.
При исследовании эффективности процессов заряда формирующих линий основное внимание уделено широко применяемой резонансной трансформаторной схеме (трансформатор Тесла) [21*-25*] в однополупериодном режиме, а также сравнению эффективности этого процесса, с зарядными процессами, реализуемыми другими трансформаторными схемами. С этой целью, в работе рассмотрены зарядные процессы, реализуемые трансформаторами в однополупериодном чопперном и квазигармоническом режимах. Исследованы также свойства бустерной и чопперной бестрансформаторных схем [26*], широко используемые для реализации управляемого заряда первичных емкостных накопителей.
Возможность использования генераторов не только в лабораторных условиях, но и в мобильных установках существенно зависит от их массогабаритов и мощности, потребляемой от источников первичного питания. Для этих целей, представляет интерес, рассмотренная в работе, реализация генераторов квазипрямоугольных наносекундных ускоряющих импульсов, с относительно небольшой массой М = 150-ИООО/сг, предназначенных для формирования сильноточных взрывоэмиссионных электронных пучков с параметрами: длительность фронта - 1-=-5не, длительность спада - 1-нЮнс, длительность импульса - 6 ч- 30нс, энергия электронов - 0.3 -4- ОЛМэВ, импульсная мощность -
2 + 5ГВт, при средней мощности электронных пучков - 2 +100кВт и частоте следования импульсов - 100-^700Л/.
2. Цель работы
При выполнении данной работы ставились следующие цели:
Во-первых, оценить влияние параметров коммутаторов на форму наносекундных импульсов, получаемых путём разряда отрезков длинных линий, а также влияние различных вариантов форсирования тока через коммутатор на энергопотери и фронт формируемых импульсов.
Во-вторых, оценить влияние различных факторов на эффективность трансформаторных и бестрансформаторных процессов зарядки емкостных накопителей.
В-третъпх, создать генераторы квазипрямоугольных импульсов с высокой частотой следования импульсов с использованием многозазорных разрядников и коаксиальных формирующих линий с различной изоляцией.
3. Научная новизна
Дано аналитическое описания процессов формирования наносекундных импульсов, получаемых путём разряда формирующих линий через коммутаторы Ж-типа, позволяющее оценить влияние индуктивности на формирование спада импульса, величину и форму постимпульсов. Показано влияние на форму фронта импульса и энергопотери нескольких вариантов форсирования скорости нарастания тока через коммутирующий искровой разрядник.
Для практически значимого диапазона параметров получены:
- значения и характер зависимости оптимального коэффициента передачи энергии для трансформатора Тесла, работающего в однополупериодном зарядном режиме,
- значения и характер зависимости оптимального коэффициента передачи
энергии для трансформатора, работающего в чопперном зарядном режиме,
- характеристики управляемого зарядного процесса,, реализуемого с
помощью трансформатора, работающего в квазигармоническом режиме,
- характеристики бестрансформаторных зарядных процессов, реализуемых с
помощью бустерной и чоппернои зарядных схем.
3. На основе коаксиальных формирующих линий с комбинированной, газовой, масляной изоляцией и многозазорных газовых разрядников, созданы экспериментальные образцы малогабаритных высоковольтных источников квазипрямоугольных импульсов со средней мощностью электронного пучка до 100 кВт, ориентированные на обеспечение импульсно-периодического режима работы наносекундных релятивистских СВЧ-генераторов сантиметрового и дециметрового диапазона длин волн.
4. Практическая значимость
Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были использованы при создании нескольких вариантов генераторов наносекундных импульсов, ориентированных на формирование трубчатых взрывоэмиссионных электронных пучков для релятивистских ЛОВ. На основе генератора №1, совместно с ИПФ РАН, был создан СВЧ-генератор типа ЛОВ 10 ГГц диапазона длин волн с частотой следования импульсов до 500 Гц. Генератор №2, разработанный по заказу фирмы ВАе (Великобритания), совместно с ИСЭ СО РАН, был использован для создания СВЧ-генератора типа ЛОВ 10 ГГц диапазона длин волн, работающего в режиме сверхизлучения с частотой следования импульсов до 100 Гц. На основе генератора №3, работающего с частотой следования импульсов до 700 Гц, совместно с ИПФ РАН созданы СВЧ-генераторы типа ЛОВ 3 и 10 ГГц диапазона длин волн с низким (50-ти Омным) входным сопротивлением.
5. Апробация и достоверность результатов работы
Материалы диссертации докладывались на семинарах в СКБ НП УрО РАН, ИПФ РАН и ИЭФ РАН, IX симпозиуме по сильноточной электронике, 1992 г., международной конференции NATO Advanced Research Workshop, 2004, международной конференции 2007 IEEE Pulse Power and Plasma Science Conference, 2007.
Достоверность результатов приводимых в работе подтверждается систематическим характером выполненных исследований, применением современных методов исследования и приборов, практическим использованием результатов.
6. Личный вклад автора
Результаты, представленные в работе, получены автором самостоятельно, либо при его определяющем участии. Разработка наносекундных генераторов выполнена под руководством и при непосредственном участии автора.
7. Публикации
По материалам диссертации опубликовано 16 работ: 2 статьи в научных журналах, 1 статья в межвузовском сборнике, 7 патентов на изобретения, 5 публикаций в материалах конференций, 1 публикация в виде отчёта по НИР.
8. Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 117 страниц, включая 80 рисунков и список литературы из 46 наименований.
Формирующие свойства двухпроводных линий с коммутаторами Ж,-типа
СВЧ-генераторов гигаваттного уровня мощности [1 -3 ], в которых формирование электронных пучков осуществляется с помощью кромочных взрывоэмиссионных катодов путём подачи на них высоковольтных импульсов напряжения (ускоряющих импульсов) с коротким (наносекундным) фронтом [4 ,5 ]. При создании СВЧ-генераторов с высокой средней мощностью, достигаемой путём реализации импульсно-периодических режимов формирования импульсов, повышенные требования предъявляются, как к эффективности процессов конвертирования энергии электронных пучков в энергию СВЧ-излучения, так и к эффективности процессов формирования ускоряющих импульсов [6 -10 ]. Учитывая, что для эффективной работы релятивистских СВЧ-генераторов необходимо иметь однородные электронные пучки с короткими временами нарастания и спада электронного тока, генераторы ускоряющих импульсов должны обеспечивать эффективное формирование ускоряющих импульсов квазипрямоугольной формы.
Для получения ускоряющих импульсов мультигигаваттного уровня мощности и наносекундной длительности, могут быть использованы различные «механизмы» компрессии потока мощности, получаемого от сравнительно маломощных первичных источников питания [11 -14 ]. Однако импульсы мультигигаваттной мощности и квазипрямоугольной формы - импульсы с малой длительностью фронтов и срезов (спадов импульсов), и относительно высокой частотой их следования, как правило, удаётся получать на основе процессов разряда одинарных или двойных коаксиальных формирующих линий (сокращённо ОФЛ и ДФЛ) и коммутаторов, выполненных в виде управляемых газовых разрядников высокого давления [6 -8 , 15 -20 , 27 , 28 ]. При этом, большой практический интерес представляют исследования направленные на улучшение формы импульсов - «прямоугольность» импульсов, их амплитудную стабильность и частоту следования, повышение эффективности процессов их формирования, а также снижение массогабаритов генераторов .
Поэтому, выполненный в работе анализ эффективности процессов формирования импульсов на всех основных стадиях и создание компактных генераторов квазипрямоугольных импульсов, с импульсно-периодическим режимом работы и выходным импедансом, характерным для СВЧ-генераторов, представляется актуальной задачей.
При исследовании эффективности процессов заряда формирующих линий основное внимание уделено широко применяемой резонансной трансформаторной схеме (трансформатор Тесла) [21 -25 ] в однополупериодном режиме, а также сравнению эффективности этого процесса, с зарядными процессами, реализуемыми другими трансформаторными схемами. С этой целью, в работе рассмотрены зарядные процессы, реализуемые трансформаторами в однополупериодном чопперном и квазигармоническом режимах. Исследованы также свойства бустерной и чопперной бестрансформаторных схем [26 ], широко используемые для реализации управляемого заряда первичных емкостных накопителей.
Возможность использования генераторов не только в лабораторных условиях, но и в мобильных установках существенно зависит от их массогабаритов и мощности, потребляемой от источников первичного питания. Для этих целей, представляет интерес, рассмотренная в работе, реализация генераторов квазипрямоугольных наносекундных ускоряющих импульсов, с относительно небольшой массой М = 150-ИООО/сг, предназначенных для формирования сильноточных взрывоэмиссионных электронных пучков с параметрами: длительность фронта - 1-=-5не, длительность спада - 1-нЮнс, длительность импульса - 6 ч- 30нс, энергия электронов - 0.3 -4- ОЛМэВ, импульсная мощность 5 + 5ГВт, при средней мощности электронных пучков - 2 +100кВт и частоте следования импульсов - 100- 700Л/. Во-первых, оценить влияние параметров коммутаторов на форму наносекундных импульсов, получаемых путём разряда отрезков длинных линий, а также влияние различных вариантов форсирования тока через коммутатор на энергопотери и фронт формируемых импульсов. Во-вторых, оценить влияние различных факторов на эффективность трансформаторных и бестрансформаторных процессов зарядки емкостных накопителей. В-третъпх, создать генераторы квазипрямоугольных импульсов с высокой частотой следования импульсов с использованием многозазорных разрядников и коаксиальных формирующих линий с различной изоляцией. 1. Дано аналитическое описания процессов формирования наносекундных импульсов, получаемых путём разряда формирующих линий через коммутаторы Ж-типа, позволяющее оценить влияние индуктивности на формирование спада импульса, величину и форму постимпульсов. Показано влияние на форму фронта импульса и энергопотери нескольких вариантов форсирования скорости нарастания тока через коммутирующий искровой разрядник. 2. Для практически значимого диапазона параметров получены: - значения и характер зависимости оптимального коэффициента передачи энергии для трансформатора Тесла, работающего в однополупериодном зарядном режиме, - значения и характер зависимости оптимального коэффициента передачи энергии для трансформатора, работающего в чопперном зарядном режиме, - характеристики управляемого зарядного процесса,, реализуемого с помощью трансформатора, работающего в квазигармоническом режиме, - характеристики бестрансформаторных зарядных процессов, реализуемых с помощью бустерной и чоппернои зарядных схем.
Трансформатор в чопперном режиме
На основе коаксиальных формирующих линий с комбинированной, газовой, масляной изоляцией и многозазорных газовых разрядников, созданы экспериментальные образцы малогабаритных высоковольтных источников квазипрямоугольных импульсов со средней мощностью электронного пучка до 100 кВт, ориентированные на обеспечение импульсно-периодического режима работы наносекундных релятивистских СВЧ-генераторов сантиметрового и дециметрового диапазона длин волн.
Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были использованы при создании нескольких вариантов генераторов наносекундных импульсов, ориентированных на формирование трубчатых взрывоэмиссионных электронных пучков для релятивистских ЛОВ. На основе генератора №1, совместно с ИПФ РАН, был создан СВЧ-генератор типа ЛОВ 10 ГГц диапазона длин волн с частотой следования импульсов до 500 Гц. Генератор №2, разработанный по заказу фирмы ВАе (Великобритания), совместно с ИСЭ СО РАН, был использован для создания СВЧ-генератора типа ЛОВ 10 ГГц диапазона длин волн, работающего в режиме сверхизлучения с частотой следования импульсов до 100 Гц. На основе генератора №3, работающего с частотой следования импульсов до 700 Гц, совместно с ИПФ РАН созданы СВЧ-генераторы типа ЛОВ 3 и 10 ГГц диапазона длин волн с низким (50-ти Омным) входным сопротивлением. 5. Апробация и достоверность результатов работы Материалы диссертации докладывались на семинарах в СКБ НП УрО РАН, ИПФ РАН и ИЭФ РАН, IX симпозиуме по сильноточной электронике, 1992 г., международной конференции NATO Advanced Research Workshop, 2004, международной конференции 2007 IEEE Pulse Power and Plasma Science Conference, 2007. Достоверность результатов приводимых в работе подтверждается систематическим характером выполненных исследований, применением современных методов исследования и приборов, практическим использованием результатов. Результаты, представленные в работе, получены автором самостоятельно, либо при его определяющем участии. Разработка наносекундных генераторов выполнена под руководством и при непосредственном участии автора. По материалам диссертации опубликовано 16 работ: 2 статьи в научных журналах, 1 статья в межвузовском сборнике, 7 патентов на изобретения, 5 публикаций в материалах конференций, 1 публикация в виде отчёта по НИР. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 117 страниц, включая 80 рисунков и список литературы из 46 наименований. Глава 1. Формирование квазипрямоугольных наносекундных импульсов Формирователи высоковольтных наносекундных импульсов часто основываются на процессах разряда отрезков одинарных или двойных двухпроводных линий (схема Блюмляйна) коаксиального и планарного исполнения.
Если предположить, что используются идеальные коммутаторы, т.е. безиндуктивные, имеющие нулевое сопротивление в открытом состоянии, и нулевое время перехода в открытое состояние, а формирующие линии согласованы с нагрузкой, то в процессе их разряда на нагрузке будут сформированы прямоугольные импульсы напряжения и тока. В реальных системах, коммутаторы обладают индуктивностью и ограниченной скоростью спада сопротивления, а согласование линий с нагрузкой - частичное, что влияет как на деформацию формы импульсов, так и на возникновение постимпульсов. При этом, традиционно, большое внимание уделяется формированию фронта импульсов [28 ,29 ], а срез импульсов и постимпульсы, обычно, находятся вне поля зрения, хотя информация об их величине и форме часто бывает необходима. В данной главе даны соотношения, позволяющие проследить, применительно к постоянной нагрузке, форму импульса в любой интервал времени. Учитывая широкое применение как одинарных, так и двойных формирующих линий, в работе рассмотрены процессы формирования импульсов для обоих вариантов линий.
Преобразователь чопперного типа
Чопперный вариант реализации первичного контура трансформатора позволяет реализовать передачу энергии от источника питания, подключённого к первичной обмотке трансформатора, в емкостной накопитель, подключённый к вторичной обмотке трансформатора, без использования промежуточного емкостного накопителя, как это делается в трансформаторе Тесла. Работа трансформатора, реализующего чопперный релшм заряда емкости формирующей линии, может быть представлена общей схемой, приведенной на рисунке 2.21.
Основные фазы зарядного процесса. Процесс заряда емкости вторичного контура можно разделить на три фазы: начальную фазу заряда С? - фазу «разгона», начинающуюся в момент замыкания ключа первичного контура, завершающую фазу заряда Сг - фазу «дозаряда», начинающуюся после размыкания ключа первичного контура, и фазу диссипации остатков энергии, накопленной в магнитном поле индуктивностей контуров - фазу «выбега», которая наступает после замыкания ключа вторичного контура и связанного с этим разряда (мгновенного) ёмкости вторичного контура. Фаза выбега. Как уже отмечалось, фаза выбега начинается в момент срабатывания ключа S2, подключающего ёмкость вторичного контура (формирующую линию) к активной нагрузке, и представляет собой два связанных апериодических процесса, протекающих в контурах трансформатора. Процесс выбега поддерживается энергией, запасённой в индуктивностях контуров трансформатора, и затухает по мере выделения этой энергии на активных сопротивлениях контуров. При этом предполагается, что фаза выбега наступает мгновенно, т.е. продолжительность процесса разряда ёмкости вторичного контура через нагрузку существенно меньше времени её заряда. Как и в предыдущем случае, с целью повышения общности, численный анализ выполним на нормированных параметрах трансформатора. Управление. Управление зарядным процессом сводится к определению временного момента разрыва ключа. Если искомое значение напряжения на емкостном накопителе вторичного контура принадлежит области достижимости, то момент разрыва ключа может быть определен на основании коэффициента энергопередачи, значения которого для различных моментов времени размыкания зарядного ключа могут быть предварительно табулированы: rj(tojr), toff = 0,Ґ+ , где Ґ+ : u2(t++)= max .
Оценка момента размыкания ключа, при использовании трансформаторов с большим коэффициентом связи контуров, может быть произведена из условия баланса искомой энергии и энергии, запасённой на момент разрыва в ёмкости вторичного контура и индуктивностях рассеяния контуров, относительно тока вторичного контура Qk)2 =С2иі(т )+2Ь2(\-к)іі{т ). (2.37)
Зарядные устройства на основе трансформатора, работающего в квазигармоническом режиме, широко используются в мощных преобразователях, работающих на активные нагрузки и существенно реже для заряда емкостей. Особенно редко они используются для высоковольтного заряда, как это необходимо при заряде формирующих линий. При этом отсутствие общепринятых методов описания работы трансформаторов в таком режиме затрудняет оценку эффективности зарядного процесса. В качестве возможного варианта оценки передаточных свойств трансформатора, работающего в зарядном режиме, может быть использован нижеизложенный метод.
Так как повышающий трансформатор имеет большую индуктивность вторичного контура, то, для простоты изложения, будем полагать добротность вторичного контура неограниченно большой. В таком преобразователе передача энергии в емкостной накопитель С осуществляется за серию тактов переключения полярности напряжения на первичной обмотке, выполняемых с помощью управляемого коммутационного ключа S.
Так как получение аналитического решения для этой нелинейной системы не представляется возможным, то рассмотрим её приближённое решение, основанное на гармонической линеаризации. С этой целью будем полагать, что ток и напряжение в первичном контуре задаются соотношениями: /ш1 sm(a kt) и Esm(cokt), а ток во вторичном контуре im2sin(cokt), т. е. по вторичному контуру вместо пульсирующего тока Ц )5 протекает синусоидальный ток i2msm(cokt), амплитуда которого зависит от напряжения на емкости С. Схема замещения, соответствующая такой аппроксимации, представлена на рисунке 2.29.
При этом устройство А является «аттенюаторным выпрямительным» устройством, которое пороговый режим пропускания тока замещает амплитудным ослаблением. Соответствие фактического и «аттенюаторного» выпрямления, при синусоидальной форме тока, приведено на рисунке 2.30.
Следует отметить, что погрешность связана, как с замещением выпрямления во вторичном контуре на аттенюацию, так и замещением квазипрямоугольной формы тока первичного и вторичного контуров на их первую гармонику. При этом влияние погрешности, связанной с заменой выпрямления на аттенюацию, для квазипрямоугольной формы менее значительно, чем для синусоидальной. Характер соответствия аппроксимированных и фактических токов в первичном и вторичном контурах иллюстрируется рисунками 2.31-2.32. Анализ передаточных свойств зарядного трансформатора, работающего в квазигармоническом режиме, в рамках принятых допущений, показывает, что: 1. Коэффициент полезного действия зарядного процесса, в значительной степени, определяется коэффициентом связи контуров и добротностью первичного RL-контура, определяемой как Q = Л, 2. Для каждой пары (Q,k) существует оптимальное значение коэффициента и. передачи энергии (rj = u2 /п2Е2) или коэффициента передачи напряжения (—М, пЕ при котором процесс заряда происходит с максимальным к.п.д., например: - для Q lOO, k=0.75 оптимальный коэффициент передачи энергии составляет 0.4 (коэффициент передачи напряжения 0.63) и соответствует к.и.д=0.75; - для Q=100, k=0.95 оптимальный коэффициент передачи энергии составляет 0.65 (коэффициент передачи напряжения 0.8) и соответствует к.п.д.=0.65 - для 0=10, к=0.75 оптимальный коэффициент передачи энергии составляет 0.36 (коэффициент передачи напряжения 0.6) и соответствует к.п.д.=0.25; - для Q=10, к=0.95 оптимальный коэффициент передачи энергии составляет 0.6 (коэффициент передачи напряжения 0.8) и соответствует к.п.д.=0.2; 3. Увеличение допустимого коэффициента передачи энергии (величины выходного напряжения) достигается путём увеличения коэффициента связи контуров трансформатора. 4. Увеличение допустимого к.п.д. достигается путём увеличения добротности первичного контура. 5. Основным путем повышения добротности первичного Ж-контура является повышение частоты срабатывания коммутационного ключа (инвертора), который для мощных преобразователей может выполняться по полумостовой или мостовой схемам на тиристорах или IGBT - транзисторах. 6. Достоинством данной схемы является её хорошая управляемость в широком диапазоне выходных напряжений. 7. Основным недостатком схемы является наличие во вторичном контуре двухполупериодного выпрямителя, использование которого для высоковольтного случая связано с техническими сложностями 8. При использовании трансформатора Тесла с повышенным напряжением в первичных накопителях, что позволяет повысить добротность первичного контура, схема может применяться для заряда этих накопителей.
Генератор наносекундных импульсов на основе коаксиальной линии с газовой изоляцией
В чопперном преобразователе заряд емкостного накопителя С имеет резонансный характер. В отличие от бустерной схемы, заряд накопителя начинается сразу после замыкания ключа S. После размыкания ключа, запасенная в дросселе энергия обеспечивает дозаряд ёмкости.
Основные соотношения. Как и в бустерном варианте преобразователя, в чопперной схеме процесс заряда можно выделить две фазы: фазу «разгона», начинающуюся с замыкания ключа, и фазу «выбега» - начинающуюся с момента размыкания ключа. Управление. Управление зарядным процессом в чопперной схеме сводится к вычислению момента размыкания ключа. Если искомое значением напряжения накопителя принадлежит области достижимости, то момент разрыва ключа может быть определен из условия равенства амплитуды напряжения на фазе выбега и искомого значения напряжения. Так как получение точного решения уравнения (3.13) относительно г , не представляется возможным, то целесообразно воспользоваться методом последовательных приближений для получения приближенного решения.
1. Схема позволяет реализовать управляемые зарядные процессы с высокой эффективностью (к.п.д. более 80%), так как получение добротности Q 3, как правило не вызывает больших трудностей.
2. При реализации схемы целесообразно ориентироваться на максимально-допусимую продолжительность зарядного процесса, так как уменьшение его продолжительности связано с уменьшением индуктивности, а следовательно и к.п.д.. Глава 4. Генераторы высоковольтных наносекундных импульсов
В данной главе рассмотрена реализация генераторов сильноточных наносекундных импульсов, выполненная на основе разряда двухпроводных коаксиальных формирующих линий с использованием коммутирующих газовых разрядников высокого давления. Формирование импульсов в этих генераторах реализовано по трехступенчатой схеме преобразования энергии. Первая ступень, реализующая управляемый заряд первичного емкостного накопителя, выполнена на основе бестрансформаторной чопперной схемы. Вторая ступень, реализующая заряд ёмкости отрезка коаксиальной линий, выполнена на основе трансформатора Тесла, встроенного в эту линию. Третья ступень, выполняющая формирование наносекундного импульса, реализована путем разряда коаксиальных линий через газовый разрядник высокого давления. Системы управления генераторами» имеют программно-аппаратное исполнение [1], выполненное на основе персональных компьютеров под управлением MS-DOS или QNX. Общая схема генерации и параметры ступеней преобразования приведены на рисунке 4.1. 2 3 С1 С2 1+10тс 10-30ткс 5-5-30НС 5 -500кВт 2-20 МВт 1ч-5 ГВт
Измерение формы и параметров наносекундных импульсов на выходе генераторов производилось, как в измерительном, так и в рабочем режимах. В измерительном режиме в качестве нагрузки использовались, согласованные с генераторами по их выходному импедансу, заполненные маслом коаксиальные линии, противоположные концы которых нагружены на активные сопротивления. В рабочем режиме, в качестве нагрузки, использовались релятивистские СВЧ-генераторы с взрывоэмиссионными катодами. В обоих случаях измерение параметров наносекундных импульсов (динамики напряжений и токов) выполнялось на основе емкостных делителей и поясов Роговского [14], встроенных в выходные порты генераторов. Показания датчиков регистрировались, как цифровыми осциллографы фирмы «Tektronix» типа TDS 3052, и TDS 5064, имеющими полосу пропускания 500 МГц и позволяющими проводить измерения временных параметров импульсных сигналов, длительностью до 0.7 не, так и аналоговыми осциллографами С7-19, имеющими полосу пропускания 4ГТц и позволяющими проводить измерения временных параметров импульсных сигналов длительностью до 1 не.
Калибровка емкостных делителей производилась методом прямого измерения коэффициентов преобразования сигналов, получаемых со стандартного генератора синусоидальных сигналов типа ГЗ-109 в диапазоне частот 10-К200 кГц с амплитудой напряжения до 250 В. Синхронные измерения амплитуды сигналов на входе и выходе датчиков производились осциллографами типа TDS-540A, обладающими чувствительностью до 10 мВ/дел, и имеющими «мегаомный» вход. В процессе калибровки контролировалось отсутствие частотной зависимости в показаниях датчиков. Коэффициент преобразования емкостного делителя к&ик определялся из соотношения: kCMKkocljuoctf(t) = uUM(t), где косц- шкала осциллографа, иосц- показания осциллографа, иизм- измеряемое напряжение.
Реализация генератора основана на решениях изложенных в [2-7,11,13,16], при этом заряд формирующей линии до 650 кВ выполняется за ЗОмкс и осуществляется трансформатором Тесла, индуктивность высоковольтного контура которого выполнена в виде однослойной конической катушки, встроенной в 20-ти Омную коаксиальную формирующую линию. Мощность этого процесса достигает 6 МВт. Заряд первичного емкостного накопителя трансформатора Тесла реализован на основе двух преобразователей частоты ПСЧ-50, работающих в релсиме электромашинного усиления. Управление зарядным напряжением первичного накопителя в пределах 450-550В осуществляется путём изменения напряжения подмагничивания выходного генератора. Время заряда - 2 мс. Импульсная мощность этого зарядного процесса достигает 200 кВт.
Коммутатор линии выполнен в виде двухзазорного управляемого разрядника с кольцевой формой электродов, заполненного газом SF6 под давлением 9-10 атм. Запускающий генератор (триггатрон) встроен во внутренний электрод формирующей линии и для формирования запускающего импульса использует часть энергии магнитного поля первичного витка зарядного трансформатора Тесла. Конструкция СВЧ-генератора, высоковольтного блока генератора наносекундных импульсов и распределение электрического поля в заряженной формирующей линии (расчёт выполнен с помощью пакета FILD) приведены на рисунках 4.3-4.7.
Согласно расчётам, напряженность электрического поля в разряднике квазиравномерно распределена вдоль коммутируемых зазоров, с небольшой концентрацией вблизи поверхности электродов, и составляет около 600 кВ/см. После подачи на управляющий электрод запускающего потенциала (около +150 кВ), на кромке катодного электрода образуется область повышенной напряжённости, величина которой достигает 1 МВ/см. Так как статическое напряжение пробоя соответствует 700- 750 кВ/см, то образующееся полуторакратное перенапряжение достаточно для быстрого формирования критических лавин вблизи кромки катода, а средней межэлектродной напряжённости (600 кВ/см) достаточно для подхвата лавин и формирования пробоя зазора.
