Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование схем наносекундных генераторов с суммированием напряжения на основе линий с распределенными параметрами
1.1. Обзор известных схем наносекундных высоковольтных генераторов на основе линий с распределенными параметрами
1.2. Схемы многоступенчатых генераторов без накопления энергии в суммирующей линии
1.3. Многоступенчатые генераторы с накоплением энергии в передающей линии на основе одиночной формирующей линии
1.4. Многоступенчатые генераторы на основе двойной формирующей линии
1.5. Выводы к главе 1
ГЛАВА 2. Исследование работы многоступенчатого генератора
2.1. Влияние параметров схемы многоступенчатого генератора на эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку
2.2. Увеличение мощности выходного импульса
2.3. Моделирование работы многоступенчатого генератора.
2.3.1. Конструкция модели
2.3.2. Моделирование распределения напряжения зарядки по окружности формирующей линии
2.3.3. Влияние количества ключей в поясе на параметры выходного импульса
2.3.4. Исследование зависимости параметров выходного импульса от разброса моментов включения поясов ключей 67
2.4. Исследование работы коммутаторов ДФЛ установки «АНГАРА-5-1» вблизи максимума импульса напряжения зарядки 74
2.5. Выводы к главе 2 76
ГЛАВА 3. Исследование двумерных эффектов в формирующих линиях многоступенчатого генератора 77
3.1. Физический аналог двумерного волнового уравнения 77
3.2. Оценка точности расчета формирующих линий с помощью двумерной физической модели 80
3.3. Численное моделирование коммутаторов формирующих линий с помощью двумерной физической модели 85
3.4. Численное моделирование схемы установки «С-300» с помощью двумерной физической модели 88
3.4.1. Конструкция модуля терраваттного генератора «С-300» и его расчетная схема 88
3.4.2. Результаты расчета 91
3.5. Выводы к главе 3 96
ГЛАВА 4. Высоковольтный наносекундный генератор пг-1 для системы синхронизации мощной электрофизической установки на основе схемы многоступенчатого генератора маркса 97
4.1. Введение 97
4.2. Описание высоковольтного наносекундного генератора ПГ-1 98
4.3. Схема формирования высоковольтного импульса 101
4.3.1. Параметры конденсаторов ГИН 102
4.3.2. Параметры разрядников ГИН 113
4.4. Пусковые характеристики и выходной импульс генератора 120
4.5. Испытание генератора ПГ-1 при запуске генератора Маркса установки «АНГАРА-5-1» 124
4.6. Применение генератора ПГ-1 для калибровки датчиков выходного тока установки «АНГАРА-5-1» 127
4.7. Выводы к главе 4 131
Заключение 132
Список литературы 134
- Схемы многоступенчатых генераторов без накопления энергии в суммирующей линии
- Увеличение мощности выходного импульса
- Влияние количества ключей в поясе на параметры выходного импульса
- Оценка точности расчета формирующих линий с помощью двумерной физической модели
Введение к работе
Интенсивное развитие методов получения концентрированных потоков энергии открыло широкие перспективы для применения высоковольтных генераторов наносекундных импульсов. Огромный интерес, проявляемый к генераторам мощных наносекундных импульсов, вызван возможностью получения мощных электронных пучков, свойства которых широко используются при создании рентгеновских [1] и СВЧ источников [2,3], генераторов для накачки лазеров [4, 5], изучении структуры твердого тела [6], физики ударных волн [7] и нагрева плазмы [8]. Развитие мощной импульсной техники тесно связано с необходимостью получения мощных импульсов тормозного излучения электронов для имитации воздействия у-излучения ядерного взрыва на электронную аппаратуру (Hermes-III, Aurora в США [1, 9]) и осуществления импульсной термоядерной реакции с инерциальным удержанием [10, 11]. Для инициирования термоядерной реакции нужна энергия электрического импульса > 30 МДж при скорости нарастания мощности > 102|-И022 Вт/с [12, 13]. Исследование в вышеупомянутых областях проводятся с помощью мощных импульсных лазеров и электрических генераторов с длительностью импульса -100 не.
В последние годы в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу (ИТС) [14] заметное место занимают мощные импульсные генераторы, использующие в качестве нагрузки сжимающийся цилиндрический лайнер. Сжатие лайнеров происходит под давлением магнитного поля, вызванного протекающим по лайнеру импульсным током. Энергия движущегося лайнера преобразуется в энергию мягкого рентгеновского излучения с температурой 100-200 эВ, с последующим облучением термоядерной мишени. Главными проблемами таких установок являются: концентрация энергии излучения на мишень и сокращение длительности импульса рентгеновского излучения. Одна из первых работ в этом направлении была выполнена в начале 90-х годов на установке
6 «Ангара-5-1» (Россия). Эксперименты по имплозии (сжатию) каскадных лайнеров, состоящих из двух, расположенных один внутри другого, цилиндрических лайнеров, продемонстрировали принципиальную возможность получения коротких импульсов мягкого рентгеновского излучения с длительности менее 10 не. [15, 16]. На установке «Ангара-5-1» при сжатии каскадных лайнеров были получены импульсы мягкого рентгеновского излучения с мощностью ~ 1-=-5 ТВт при длительности импульса ~ 6 не. Интерес к этому направлению использования мощных электрических генераторов возрос после значительных успехов достигнутых на установке PBFA-Z (США) при сжатии проволочных лайнеров. В экспериментах на этой установке было получено более 200 ТВт мощности мягкого рентгеновского излучения с длительностью ~ 8 нс и полной энергией излучения ~ 1,8 МДж [17, 18].
Мощные электрофизические установки, к которым относятся «Ангара-5-1», «С-300» (Россия), PBFA-Z, Saturn, Hermes-HI ( США ), являются генераторами электрического импульса с длительностью 50-^100 нс, использующими емкостные накопители энергии. Они являются в настоящее время наиболее распространенными и удобными в работе. Обычная схема наносекундного электрического генератора содержит три основных элемента: первичный накопитель энергии, накопитель-формирователь и нагрузку. Первичное накопление энергии происходит в конденсаторной батарее, которая заряжается от источника постоянного тока. Максимальная плотность энергии w, запасаемой в каждом конденсаторе, определяется предельной электрической прочностью используемого изолятора, а также его относительной диэлектрической проницаемостью: w = єє0Е2/2. В настоящее время в таких фирмах, как Maxwell, General Atomics Energy Products (GAEP) и Aerovox разработаны новые конденсаторы с величиной w, достигающей 300-500 Дж/л. Кроме высокой энергоемкости данные конденсаторы обладают низкой индуктивностью, которая составляет 10-кЗО нГн, и малым внутренним сопротивлением -15 мОм. Эти параметры определяют
минимальное время вывода энергии из конденсатора в накопитель-формирователь и величину его максимального разрядного тока. Несмотря на значительные успехи в разработке более энергоемких конденсаторов и снижение их стоимости до 0,1-^0,3 $/Дж, плотность запасаемой энергии современных конденсаторов примерно в 10-И 00 раз меньше, чем в индуктивных накопителях, запасающих энергию в магнитном поле тока протекающего через проводник. Однако емкостные накопители энергии обладают высоким коэффициентом передачи энергии в накопитель-формирователь и используют более простые средства коммутации токов по сравнению с разрывными коммутаторами индуктивных накопителей, что обуславливает их широкое применение в мощных импульсных установках.
Максимальная величина напряжения зарядки конденсаторов от постоянного источника тока составляет ~ 100 кВ. Для увеличения напряжения и получения на выходе установки импульса высокой мощности > 1 ТВт такой амплитуды напряжения недостаточно. Поэтому обычно в первичных накопителях энергии мощных генераторов используется хорошо известная схема Маркса. Увеличение выходного напряжения до 1 MB и более происходит за счет переключения конденсаторов из параллельного соединения в последовательное. Это обеспечивается газонаполненными разрядниками, замыкающими цепь путем пробоя разрядных промежутков. Часть этих разрядников пробиваются после подачи на их управляющий электрод внешнего электрического импульса, а остальные срабатывают от перенапряжения, возникающего на их разрядных промежутках вследствие перезарядки конденсаторов. Амплитуда и фронт пускового электрического импульса определяют время задержки появления импульса напряжения на выходе генератора Маркса. Как правило, на выходе генератора Маркса не удается получить импульс длительностью менее 1 мкс, что связано с большой величиной индуктивности последовательной цепи конденсаторов и разрядников. Она имеет величину от единиц до десятков мкГн, поэтому дальнейшее сокращение длительности импульса до десятков наносекунд и
увеличение выходной мощности электрического импульса происходит в
накопителе-формирователе. В качестве накопителя-формирователя мощных
импульсных генераторов применяют формирующие линии с
распределенными параметрами коаксиальной или полосковой конструкции с
межэлектродной изоляцией из жидкого диэлектрика (трансформаторное
масло, глицерин, вода). В коаксиальной конструкции формирующей линии
внешний электрод (корпус) одновременно является электромагнитным
экраном генератора.
Основными параметрами, характеризующими линию, являются:
\ с
скорость распространения электромагнитной волны v= . =-j= и
VA)Co V5" волновое сопротивление Р= \-7 линии, где L0 и С0 - погонные
индуктивность и емкость линии, с - скорость света в вакууме, є и и. -относительные диэлектрическая и магнитная проницаемость среды.
Волновое сопротивление линии с распределенными параметрами без потерь зависит от размеров и относительной диэлектрической
проницаемости используемого изолятора, как/? =-pin
\d j
Ом - для
377 и „ „ _ ,
коаксиальной линии, ир = —^-, Ом - для полосковой линии, где D и а -
у/є h
диаметры внешнего и внутреннего электродов коаксиальной линии, b -ширина полосковой линии, а - расстояние между полосами.
Трансформаторное масло имеет низкую диэлектрическую проницаемость, поэтому его удобно использовать в линиях в диапазоне волновых сопротивлений несколько десятков Ом, а воду (с»80) - для линий с волновым сопротивлением менее 10 Ом. Из-за различия в диэлектрической проницаемости энергия, запасенная в единице объема формирующей линии, и плотность тока при заполнении линии водой существенно выше (35^80 Дж/л и 240-кЗбО кА/м, соответственно), чем для линии с масляным
заполнением (4-г9 Дж/л и 80-И 20 кА/м, соответственно) [19]. При использовании коаксиальных линий, получение максимальных параметров (напряжения и мощности) требует оптимальных соотношений радиусов линий [20]. Такая оптимизация проводится с учетом различия пробивных напряжений при различных полярностях на электродах [21, 22] k = Е./Е+. Например для трансформаторного масла коэффициент к» 1,5 , а для воды к « 2 [19].
В мощных наносекундных генераторах в качестве изолятора формирующих линий применяется вода, как наиболее энергоемкий диэлектрик. Характерная величина удельного сопротивления для очищенной воды составляет 1-ь2 МОм см [20], что соответствует характерному времени саморазряда 7-ьН мкс. Это время ограничивает время зарядки формирующей линии до максимального напряжения, которое, как правило, не превышает 1,5 мкс, и приводит к неизбежным энергетическим потерям. Выходом из этой ситуации является создание генераторов Маркса с временем зарядки формирующей линии, составляющим несколько сотен наносекунд, или, так называемых, «быстрых» генераторов Маркса с временем вывода энергии -10 не и менее без использования дополнительных формирующих линий.
Для коммутации формирующих линий используются
быстродействующие разрядники, имеющие малую величину индуктивности за счет многоискрового режима коммутации и использующие в качестве диэлектрика вакуум, сжатый газ, жидкий или твердый изолятор. Эти разрядники должны обеспечивать длительность фронта формируемого импульса в несколько раз меньшую, чем длительность самого импульса. При использовании нескольких параллельно замыкающихся разрядников они должны иметь разброс моментов срабатывания (замыкания) в несколько раз меньший, чем длительность формируемого импульса.
Получение терраваттного уровня выходной мощности генератора в одном модуле является труднореализуемой задачей, поэтому современные установки сооружаются в виде системы из нескольких идентичных модулей,
которые соединяются на выходе, суммируя выходные токи на общей нагрузке. [23,24,25]. Объединение, как правило, происходит в вакуумной передающей линии, работающей в режиме магнитной самоизоляции.
Для получения требуемой выходной мощности отдельного модуля в некоторых случаях одной линии недостаточно, поэтому применяют генераторы, состоящие из нескольких линий последовательно соединенных через разрядники. Характерным примером такого генератора является установка BJ-5 [26]. Формирование мощного импульса здесь происходит за счет последовательной передачи энергии от одной водяной линии к другой и «сжатия» по времени длительности электрического импульса. Из-за большого числа перезарядок линий эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку установки не превышает 30%. Рассматривая зарядку линий, как распространение волн напряжения и учитывая при этом коэффициенты отражения и прохождения волн в узлах соединения линий, можно поднять величину эффективности до 50% [24].
В некоторых установках для повышения мощности выходного импульса отдельного модуля, использующего водяные линии, в вакуумной части устанавливался плазменный эрозионный размыкатель [27].
Суммарная индуктивность выходной части современных генераторов сверхвысокой мощности без учета нагрузки составляет не менее 10-^15 нГн [18], поэтому при характерной амплитуде импульса тока в нагрузке - 10-^50 МА индуктивная составляющая импульса напряжения составляет не менее 1-^-5 MB. Получение на выходе генератора импульса напряжения с амплитудой, превышающей 1 MB, возможно путем создания высоковольтных генераторов Маркса и формирующих линий, рассчитанных на полное выходное напряжение генератора, либо за счет сложения импульсов напряжения от нескольких модулей в вакуумной передающей линии или в накопителе-формирователе.
Сложение импульсов напряжения от 20 модулей с ферромагнитными
сердечниками для индуктивной развязки отдельных модулей по напряжению,
11 расположенных последовательно вдоль основной передающей вакуумной линии на оси генератора, используется в ускорителе электронов "Hermes-III" [28]. Другая схема генератора высокой мощности со сложением напряжения в вакуумной линии может быть реализована на основе ЛТД-ячеек [29]. Каждая такая ячейка, состоящая из низкоиндуктивной емкости и разрядника, способна формировать импульсы высокого напряжения с длительностью от 500 до 100 нс.
Схема накопителя-формирователя, основанная на принципе ступенчатого сложения импульсов напряжения от отдельных формирующих линий в конструктивно связанной с ними передающей линии, была предложена в работе [30]. В этой схеме для развязки отдельных формирующих линий по напряжению используются дополнительные объемы с большой индуктивностью. При создании линейных индуктивных ускорителей И-3000 и ЛИУ-10м [31] была использована схема генератора на основе ступенчатых формирующих линий, которая обеспечивает получение на нагрузке прямоугольного импульса с амплитудой в несколько раз превышающей зарядное напряжение. В отличие от первой схемы, в которой количество разрядников соответствует количеству формирующих линий, вторая схема требует только двух разрядников, один из которых находится в формирующей линии, а другой на выходе генератора. Однако из-за большого выходного сопротивления генератора по сравнению с волновым сопротивлением формирующей линии вторая схема не обеспечивает высокую мощность в нагрузке.
Сотрудниками ТРИНИТИ и НИИЭФА [32] для проекта нового генератора сверхвысокой мощности была разработана и предложена схема многоступенчатого генератора на основе коаксиальных формирующих линий, объединенных с передающей линией в одном корпусе. Генератор с данной схемой обеспечивает высокую эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку без дополнительных индуктивных объемов. В рамках проекта автором проводились расчетные и экспериментальные исследования
многоступенчатой схемы генератора, а также была осуществлена разработка некоторых элементов для системы его синхронизации. Эти исследования составили основное содержание диссертационной работы. Целью работы является:
создание расчетной и экспериментальной модели многоступенчатого
наносекундного генератора;
экспериментальное и расчетное исследование влияния параметров модели многоступенчатого наносекундного генератора на параметры формируемого импульса;
определение оптимальных параметров схемы многоступенчатого генератора для получения максимальной эффективности передачи накопленной энергии в нагрузку;
проверка двумерной физической модели для расчета формирующих и передающих линий и использование ее для учета двумерных эффектов в схеме многоступенчатого генератора;
разработка и исследование высоковольтного наносекундного генератора для системы синхронизации установки, основанной на схеме многоступенчатого генератора.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 141 страницу, 63 рисунка, 18 таблиц и список литературы из 88 наименований.
В первой главе диссертации дан обзор известных схем генераторов на основе линий с распределенными параметрами, которые используются для получения высоковольтного наносекундного импульса с амплитудой, равной или превышающей зарядное напряжение. Рассматриваются два класса генераторов на основе многоступенчатых схем, в которых выходной импульс напряжения получается за счет сложения импульсов от нескольких накопителей-формирователей. Первый класс схем основан на суммировании импульсов отдельных генераторов, расположенных вдоль передающей линии, которая не связана с устройствами зарядки. Второй класс схем - это
генераторы с накоплением энергии в передающей линии. Представлены численные расчеты схем обоих классов многоступенчатых генераторов и выведены соотношения для волновых сопротивлений линий, обеспечивающие согласование линий в местах их стыковки, и скорости роста напряжения вдоль линии передачи.
Вторая глава посвящена исследованию схемы многоступенчатого наносекундного генератора, которая выбрана для проекта генератора сверхвысокой мощности. Представлены результаты численного расчета, выполненного по одномерной схеме многоступенчатого генератора, показывающие влияние синхронности срабатывания и индуктивности коммутаторов (разрядников), а также длительности импульса зарядки формирующих линий на эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку. Описана экспериментальная низковольтная модель генератора, имеющего 2,5 ступени. Вместо коммутаторов в схеме модели использованы транзисторные ключи. Представлены экспериментальные и расчетные зависимости параметров выходного импульса и энергии на согласованной нагрузке от количества ключей в каждой ступени и времени их срабатывания. На основе расчета электрического поля в зазорах между электродами модели составлена уточненная расчетная одномерная схема модели генератора. Проведено сравнение энергии выходного импульса, полученного расчетным путем, с экспериментальными данными при вариациях моментов срабатывания ключей.
В третьей главе рассмотрена физическая модель генератора, построенная с использованием двумерной сетки из отрезков однородных длинных линий. Модель предназначена для учета двумерных эффектов возникающих при формировании и распространении импульса. Приведены уравнения для расчета параметров линий двумерной сетки и сосредоточенных элементов (сопротивления, индуктивности), подключаемых к узлам на границе сетки. Оценена точность счета при использовании физической модели в зависимости от количества линий в сетке и параметров
источника. Вычислена дополнительная индуктивность, входящая в эквивалентную индуктивность коммутатора одномерной расчетной схемы многоступенчатого генератора. Величина этой индуктивности зависит от количества коммутаторов, расположенных по окружности формирующих линий, и характерного времени коммутации. Для проверки адекватности использованной физической модели проведены расчеты импульса напряжения зарядки формирующей линии и выходного импульса напряжения в передающей линии модуля установки терраваттной мощности «С-300». Проведен сравнительный анализ импульсов, полученных в эксперименте, с импульсами, полученными в результате расчета по одномерной и двумерной схемам, который подтвердил высокую точность двумерных расчетов.
Четвертая глава посвящена исследованию высоковольтного наносекундного генератора ПГ-1, разработанного для системы синхронизации мощной электрофизической установки, основанной на схеме многоступенчатого наносекундного генератора. Генератор, созданный на основе конденсаторов-формирователей, предназначен для запуска генератора Маркса. Получены характеристики, разработанных для этого генератора разрядников, параметры импульса, формируемого отдельным конденсатором, а также серией соединенных параллельно конденсаторов. Представлена зависимость времени задержки выходного импульса генератора относительно импульса запуска от амплитуды и полярности выходного напряжения запускающего генератора, а также формы выходных импульсов генератора при различных нагрузках. Приведены результаты запуска генератора Маркса (ГИН) одного из модулей установки «Ангара-5-1» от штатного генератора и генератора ПГ-1. На базе генератора создан стенд для калибровки датчиков тока выходного импульса установки «Ангара-5-1» и показаны результаты его работы.
Научная новизна.
Впервые проведено полное исследование схемы мощного наносекундного многоступенчатого генератора, предложенного для установки сверхвысокой мощности.
Впервые создана экспериментальная модель многоступенчатого генератора и проведено сравнение результатов расчета с экспериментом.
Впервые определены оптимальные параметры элементов схемы многоступенчатого генератора, обеспечивающие максимальную эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку.
Впервые вычислены значения дополнительной индуктивности коммутатора, входящей в одномерную расчетную схему многоступенчатого генератора, учитывающие двумерные эффекты при формировании и распространении импульса в линиях.
Впервые предложен и экспериментально проверен высоковольтный наносекундный генератор на основе конденсаторов-формирователей для запуска генераторов Маркса, которые заряжают формирующие линии многоступенчатого генератора.
Практическая ценность работы связана с развитием техники генерации высоковольтных наносекундных импульсов, применяемых в различных областях научных исследований. Данные, полученные в работе, были использованы при конструировании полномаштабного многоступенчатого генератора. Результаты исследований схем суммирования напряжения на основе многоступенчатых генераторов и специальных конденсаторов могут быть использованы при разработке и создании высоковольтных наносекундных генераторов.
Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов численных расчетов и аналитических решений с экспериментальными данными.
16 На защиту выносятся:
Результаты расчетных и экспериментальных исследований схемы многоступенчатого генератора, суммирующего напряжение и формирующего импульс наносекундного диапазона.
Результаты проверки и оценки точности физической модели на основе двумерной сетки из отрезков однородных длинных линий, предназначенной для расчета формирующих и передающих линий.
Результаты расчета дополнительной эквивалентной индуктивности коммутатора, входящей в одномерную расчетную схему многоступенчатого генератора, которые позволяют учесть двумерные эффекты при формировании и распространении импульса в линиях.
Предложение по использованию высоковольтного наносекундного генератора ПГ-1 на основе конденсаторов-формирователей с фронтом формируемого импульса < 10 не для запуска генераторов Маркса в проекте установки сверхвысокой мощности на основе многоступенчатого генератора.
Результаты исследований по определению оптимальных режимов работы высоковольтного наносекундного генератора ПГ-1.
Апробация работы:
Основные результаты, составляющие содержание диссертационной работы докладывались на 9-й и 11-й международных конференциях по пучкам частиц большой мощности (Вашингтон, 1992г., Прага, 1996г.), а также на научных семинарах ТРИНИТИ. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в научных трудах [50, 57, 68, 87, 88].
Схемы многоступенчатых генераторов без накопления энергии в суммирующей линии
Схемы сложения напряжения или тока от отдельных генераторов хорошо известны. На рис. 5а изображена схема суммирования напряжения в общей передающей линии, вокруг которой последовательно расположены несколько отдельных генераторов импульсов. Для того, чтобы такая схема была работоспособна, необходимо, во-первых, согласование параметров линий, с тем, чтобы обеспечить отсутствие отраженных волн от узла соединения передающей линии и линии, ведущей от генератора, во вторых, равенство длительности импульсов, выдаваемых каждым генератором, в-третьих, синхронизация прихода фронта импульсов, следующих от генератора и по передающей линии, в каждом узле. Для узла вблизи генератора Гк обычная система уравнений для напряжения и тока имеет вид: Ш + V„k + Unit -\) + Uok + Vok + Uo(k -1) = о Где индексы «n» и «о» обозначают соответственно падающие и отраженные волны, V - амплитуда волны в линии, ведущей к генератору, Uk-i, Uk - амплитуды волн напряжения до и после узла, pk.i, Pk — волновые сопротивления передающей линий до и после узла, Rk - волновое сопротивление линии ведущей к генератору. Для того, чтобы волна напряжения распространялась только в сторону нагрузки необходимо: U „к = О U о (к: - 1) = О Vok = О Тогда соотношения (1) преобразуются в следующую систему:
Таким образом, для согласования параметров волн напряжения и параметров линий в узле необходимо: во-первых, выполнение условий (3) и, во-вторых, синхронизация прихода импульса по передающей линии и от генератора Гк, поскольку соотношение (3) должно выполнятся в любой момент времени. Аналогичным образом можно получить соотношения для параметров схемы, в которой происходит суммирование токов (рис.5б). Рис.5. Схема многоступенчатого генератора без накопления энергии в суммирующей линии: а - для суммирования напряжений, б - для суммирования токов. Примеры расчетных параметров многоступенчатого генератора для суммирования напряжений и тока приведены в таблице 1. Предполагалось, что все генераторы имеют одинаковую длительность импульса, выходное сопротивление 1 Ом и выходное напряжение ивых=1. Схемы генераторов Г -Гп могут быть различными. Некоторые конструктивные схемы приведены на рис.6. В отличие от схемы с суммированием токов, в схеме с суммированием напряжений необходимы буферные объемы с большой индуктивностью (L) или ферромагнитные сердечники с большой магнитной проницаемостью. Это необходимо, чтобы поддержать достаточно высокий импеданс на выходе генератора при приложении кратковременного высоковольтного импульса. Однако буферные объемы значительно увеличивают размеры системы и не дают возможность полностью избежать потерь. При работе генератора они действуют, как паразитные линии, в которые накапливается часть энергии. Энергия импульса на выходе генератора составит 80 -90 % от величины накопленной энергии, если буферный объем имеет размеры порядка полезного объема генератора. На рис.6а, 66 и 6в показаны конструктивные схемы генераторов на основе одиночных формирующих линий. Генераторы на основе ДФЛ представлены на рис.бг, 6д и бе. В любом высоковольтном генераторе особое внимание уделяется расположению коммутаторов, так чтобы электрические поля, возникающие при зарядке линий, имели равномерное распределение на поверхности изоляторов и были не слишком большими.
С этой точки зрения оказываются более предпочтительными конструктивные схемы, показанные на рис.ба и 6г, хотя они менее экономичны по поперечным размерам. Для схем на рис.бв и бе, требуется создание сердечника сечением до 10J см", выдерживающего воздействие выходного импульса напряжения -10 В. Материалом для таких сердечников могут служить ленты из так называемых аморфных сплавов [46]. Рис.6. Конструктивные схемы генераторов для суммирования напряжения в передающей линии, а, б, в - на основе одиночных формирующих линий, г, д, е - на основе двойных формирующих линий.
Увеличение мощности выходного импульса
Ограничения, связанные с величиной индуктивности коммутаторов и разбросом моментов их срабатывания, не позволяют получать в многоступенчатом генераторе импульсы с длительностью менее 60 не. Для этой цели можно использовать дополнительную обостряющую секцию, подключаемую к выходу формирующей части генератора. Секция представляет собой отрезок длинной линии, отделенный от формирующей части и нагрузки двумя разрядниками. При использовании водяной коммутации на выходе обостряющей секции, необходимо, чтобы напряжение, возникающее при зарядке формирующей части генератора из-за конечной величины емкости предымпульсного разрядника, установленного между формирующей частью и обостряющей секцией, было ниже напряжения самопробоя водяного коммутатора. Это напряжение определяется величиной проходной емкости и сопротивлением воды. В таблице 12 представлены результаты расчета величины напряжения предымпульса Ц, „ в нагрузке в зависимости от емкости предымпульсного разрядника и постоянной времени разряда воды. Для каждого случая указаны амплитуды зарядного напряжения накопительных линий U3ap и разность между амплитудами напряжения зарядки в линиях разных ступеней AU3ap-Значения напряжений менее 20 кВ в таблице пропущены. Предполагалось, что омические потери в генераторах, заряжающих накопительные линии, отсутствуют, а напряжение зарядки равно 2000 кВ. Если время зарядки накопительных линий составляет 1,5 мкс, а параметры формирующей и обостряющей части генератора согласованы, то величина напряжения предымпульса отнесенная к величине емкости разрядника, составляет около 100 кВ/нФ. Максимальная разность между зарядными напряжениями линий на разных ступенях генератора составляла не более 60 кВ, т.е. примерно 3% от зарядного напряжения. Поскольку длительность импульса зарядки невелика (менее 100 не), оптимизация параметров обостряющей секции должна учитывать волновые процессы передачи и накопления энергии. Максимальная эффективность накопленной энергии может быть получена при параметрах секции, соответствующих параметрам схемы "двойного удара", где выходной импульс формируется в результате наложения прямой волны напряжения и волны, дважды отраженной от коммутатора, отделяющего секцию от нагрузки [55, 56]. При этом добавление обостряющей секции позволяет развязать жесткую зависимость величины нагрузки от параметров формирующей части генератора.
Для схемы "двойного удара" наибольшая передача энергии в импульс на нагрузке может быть получена при величине отношения волновых сопротивлений первичного накопителя и обостряющей секции, равной 1,5- 2. На параметры выходного импульса также влияет величина индуктивности обоих разрядников. Расчетная схема генератора содержала 2,5 ступени и обостряющую секцию. Результаты расчетов, проведенные по этой схеме, представлены в таблице 13. Длительность импульса, формируемого многоступенчатым генератором, равна 100 не. Величины сопротивлений передающих линий и параметры обостряющей секции определялись заданной величиной нагрузки. Расчеты проводились для четырех вариантов сопротивления нагрузки 1, 2, 4 и 8 Ом. Оптимальные значения параметров схемы определялись последовательной вариацией напряжений срабатывания коммутаторов, расположенных с двух сторон обостряющей секции, индуктивностью предымпульсного разрядника, длиной и волновым сопротивлением обостряющей секции. Наилучшие результаты были получены при индуктивности предымпульсного коммутатора, равной 60 нГн. Реализация концепции "двойного удара" позволила получить эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку 60 %. На характеристики выходного импульса значительное влияние оказывает емкость предымпульсного разрядника, разделяющего формирующую и обостряющую секцию генератора. Были сделаны расчеты выходного импульса для схемы многоступенчатого генератора с обостряющей секцией. Волновые сопротивления передающих линий формирующей части были равны, соответственно, 2 и 4 Ом, обостряющей секции и нагрузки - 3 Ом. В результате расчетов обнаружено, что эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку убывала от 62 до 42 % с увеличением емкости предымпульсного разрядника от 1 нф до 8 нФ. В
Влияние количества ключей в поясе на параметры выходного импульса
На эффективность использования накопленной энергии и параметры формируемого импульса существенно влияет количество ключей работающих в каждом поясе. Для определения этого влияния были проведены измерения выходного напряжения при работе двух, четырех, шести и восьми ключей в каждом поясе. Осциллограммы этих напряжений представлены на рис.19. В результате эксперимента получена зависимость коэффициента усиления генератора К, численно равного отношению амплитуды выходного импульса напряжения к напряжению зарядки, от количества ключей в поясе. В таблице 14 представлены параметры выходного импульса и энергии в нагрузке, вычисляемой по следующей формуле: Где U(t) - значение выходного напряжение, В (рис.19), R„ -сопротивление согласованной нагрузки, 8,4 Ом, t - время, не. Коэффициент 1/4 связан с тем, что величина регистрируемого импульса в 2 раза превышает напряжение на согласованной нагрузке. Отсутствие явной закономерности изменения энергии от количества ключей связано с ошибкой измерения напряжения ( 7%). Большие значения длительности фронта и ширины импульса, а также отсутствие прямоугольного импульса даже при 8 ключах в поясе, связано с собственной индуктивностью ввода, которая включена последовательно с транзисторным ключом. Для сравнения данных эксперимента с расчетом и получения значений эквивалентной индуктивности коммутатора была составлена расчетная схема, которая принципиально не отличается от схемы на рис.14. Варьируемым параметром схемы является эквивалентная индуктивность коммутатора.
По минимальному среднеквадратичному ОТКЛОНЄНИЮ МЄЖДУ импульсами выходного напряжения, полученными в результате расчета и эксперимента, были найдены значения эквивалентной индуктивности коммутатора Ьэкв., соответствующие количеству ключей N в каждом поясе. На рис.20 показаны формы импульсов напряжения на выходе генератора, полученные в расчете и эксперименте. В таблице 15 представлены параметры расчетных импульсов выходного напряжения модели генератора и значения эквивалентной индуктивности в зависимости от количества ключей в поясе. Рассчитаны отклонения эквивалентной индуктивности 5ЬЭКВ при среднеквадратичном отклонении между импульсами, полученными в результате расчета и эксперимента, равном 10% для каждого количества ключей. Данное отклонение соответствует максимальной ошибке, возникающей при измерении выходного импульса напряжения. Эквивалентная индуктивность коммутатора складывается из суммарной индуктивности транзисторных ключей, суммарной индуктивности вводов и дополнительной индуктивности Ьдоп, зависящей от расстояния между ключами в поясе и характерного времени формирования импульса. Учитывая, что собственная индуктивность транзисторных ключей мала, можно найти значения ЬЛШ1, равные 1,5 нГн, 0,8 нГн, 0,9 нГн и 0,2 нГн, соответственно для 2, 4, 6 и 8 ключей в поясе, которые находятся в пределах значений ошибки SL.
Отсутствие прямой зависимости Ьдоп от количества ключей в поясе (см. Глава 3), связано с тем, что величина характерного времени фронта волны разрядки, близка к времени распространения сигнала между соседними ключами, находящимися в одном поясе. Характерная длительность фронта волны напряжения, определяемая, как ——, равна 11,6, ZN 5,8, 3,8 и 2,9 не, соответственно для 2, 4, 6 и 8 ключей в поясе. Где Z — волновое сопротивление формирующей линии, а N - количество работающих ключей в поясе. Время распространения сигнала между ключами в поясе соответственно равно 25,1, 12,6, 8,4 и 6,3 не. Поэтому длительность фронта выходного импульса, в основном, определяется индуктивностью ввода, деленной на количество ключей. На рис.21 показаны зависимости коэффициента усиления генератора от количества ключей в поясе, полученные по данным расчета и эксперимента.
Оценка точности расчета формирующих линий с помощью двумерной физической модели
Точность данной физической модели расчета зависит от числа узлов сетки, а также от отношения характерного времени процесса к длине линии сетки. Для оценки точности были проведены расчеты напряжения в полосковой линии с квадратными электродами. Волновое сопротивление линии Z, определяемое стороной квадрата и зазором между электродами, равно 10 Ом. Источник сигнала, формирующий скачок напряжения с крутым фронтом, подключался к углу квадратной сетки, занимая 0,1 стороны квадрата, насколько позволял шаг сетки, как показано на рис.28. Последовательно с источником сигнала подключалась индуктивность L и сопротивление R « Z, для создания фронта волны напряжения с характерным временем т = у/у . Расчет напряжения проводился в наиболее удаленном от источника углу квадратной сетки. Расчеты были проведены при различном количестве узлов на одной стороне квадратной сетки N = 3, 5, 10, 20, 40 и более, а также при различных значениях индуктивности L. При увеличении числа узлов в сетке отклонение от точного значения, полученного аналитическим путем, уменьшается и достигает 0,1 % при 40 узлах на сторону. Процесс в линии определяется безразмерным параметром р, численно равным отношению постоянной времени т к времени распространения сигнала вдоль одной из сторон сетки Т. Результаты расчета представлены на рис.29. Рис.29. Зависимость ошибки расчета импульса напряжения (%), выполненного с помощью двумерной физической модели, от количества узлов на сторону при различных значениях параметра р = т / Т.
Источник расположен в углу линии. На этом рисунке показана зависимость AU/Ua-100% отклонения расчетного импульса напряжения, полученного с помощью двумерной физической модели, от импульса, полученного аналитическим расчетом Ua, от различного количества узлов на сторону и при различных значениях параметра р. Величина отклонения показана в процентах. Аналогичные расчеты были сделаны для случая, когда источник напряжения равномерно распределялся по узлам сетки вдоль одной ее стороны. Результаты этого расчета представлены на рис.30. Если безразмерный параметр р умножить на количество узлов N, можно получить зависимость величины ошибки от отношения характерного времени источника сигнала к времени задержки регулярной линии сетки. Такая зависимость для величин pN и для двух случаев размещения источника сигнала представлена на рис.31. (%), выполненного с помощью двумерной физической модели, от количества узлов на сторону при различных значениях параметра р = т / Т. Источник расположен равномерно вдоль одной стороны линии. Таким образом, когда время задержки для линий сетки у в 10 раз меньше, чем характерное время источника сигнала т, ошибка расчета составляет 2%. При удвоении числа разбиений ошибка уменьшается примерно вдвое. Для рассмотренных выше задач уровню ошибки в пределах 5% соответствует значение параметра р 5 практически при любом числе узлов на сторону. Кроме описанных выше случаев важно рассмотреть зависимость распределения напряжения поперек линии от расстояния до источника сигнала. В данном расчете источник сигнала, формирующий скачок напряжения, подключался к углу линии с прямоугольными электродами, занимая 0,1 длины его меньшей стороны.
Таким образом, с помощью двумерной физической модели проводился расчет распространения волны напряжения в прямоугольной линии, у которой одна сторона много больше, чем другая. Время задержки распространения сигнала вдоль ширины линии Т = 5 не, волновое сопротивление линии р = 10 Ом. Как и в предыдущих расчетах, источник напряжения имеет некоторую индуктивность L и активное сопротивление R« Z. Результаты расчета среднеквадратичного отклонения между двумя импульсами напряжения, вычисляемыми в крайних, противоположно расположенных узлах вдоль ширины прямоугольной линии в зависимости от расстояния до источника сигнала и при различных значениях характерного времени т = L/Z, представлены на рис.32. При удалении от источника сигнала существенного уменьшения разности между импульсами напряжения в этих крайних узлах не наблюдалось. Причиной тому являются колебания напряжения, вызванные слабо затухающими по мере удаления от источника поперечными волнами напряжения. Размах этих колебаний определяется параметром р=т/Т. Рис.32. Зависимость среднеквадратичного отклонения (%) между двумя импульсами напряжения, вычисляемыми в крайних, противоположно расположенных, узлах вдоль ширины прямоугольной линии, от расстояния п до источника сигнала, выраженного в единицах ширины линии, и характерного времени т источника сигнала.
