Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование высоковольтных субнаносекундных импульсов 13
1.1. Высоковольтные генераторы субнаносеундного диапазона 13
1.2. Стабильность наносекундных газовых разрядников 18
1.3. Стабильность субнаносекундных газовых разрядников 22
1.4. Субнаносекундные разрядники с большой частотой повторения импульсов 30
1.5. Выводы 37
Глава 2. Генерирование высоковольтных субнаносекундных импульсов с увеличенной эффективной мощностью 39
2.1. Компрессия энергии импульсов в режиме бегущей волны 39
2.2. Устройство компрессии энергии генератора "РАДАН-ЗОЗ" 45
2.3. Пассивный формирователь биполярных импульсов 53
2.4. Активный биполярный формирователь 60
2.5. Выводы 71
Глава 3. Генераторы мощных сверхширокополосных субнаносекундных электромагнитных импульсов 73
3.1. Высоковольтные ТЕМ антенны 74
3.2. Лепестковая ТЕМ-антенна малогабаритного СШП генератора 78
3.3. Одно- и двумерные антенные системы из ТЕМ-рупоров 93
3.4. Электрическая прочность воздушной изоляции высоковольтных коаксиально-фидерных переходов 108
3.5. Выводы 116
Заключение 118
Приложение 120
Литература
- Стабильность наносекундных газовых разрядников
- Субнаносекундные разрядники с большой частотой повторения импульсов
- Устройство компрессии энергии генератора "РАДАН-ЗОЗ"
- Лепестковая ТЕМ-антенна малогабаритного СШП генератора
Стабильность наносекундных газовых разрядников
Вполне понятно, что продувку газа в разрядных промежутках гораздо более сложно использовать в коммутаторах субнаносекундных ступеней формирователей (рис.1), где типичные величины межэлектродных зазоров составляют 1-2 мм. Тем не менее, проблемы стабильности работы субнаносекундных разрядников принципиально остаются теми же, что и при формировании наносекундных импульсов.
Субнаносекундные разрядники отличаются более высоким уровнем предпробойного перенапряжения. Это связано с общим свойством роста электрической прочности изоляции с уменьшением времени воздействия высокого потенциала. При типичных фронтах обостряемых (рис.1,а) или зарядных (рис. 1,6) импульсов драйвера в 1-2 не параметр (dV/dt) на обостряющем разряднике субнаносекундной ступени достигает значений (2-4)х10 В/с. Срезающий разрядник в схеме (рис.1,а) может работать при (dV/dt) вплоть до 1015В/с. Ряд исследований [8,24,38] показывает, что при таких режимах пробой газа носит многоканальный характер. Это снижает индуктивность коммутатора и позволяет в принципе получать импульсы с полной длительностью в доли наносекунды и фронтами 100-150 пс.
В ряде работ (см., например, [20,43,44]) было продемонстрировано, что при среднеквадратичном амплитудном разбросе ( 7) импульса драйвера РАДАН-ЗОЗБП не хуже 5% обостряющий разрядник формирует стабильный субнаносекундный фронт. В свою очередь стабильность величины (dV/dt) Wi$ В/с на этом фронте оказывается достаточной, чтобы при электрическом поле на заземленном срезающем электроде -1.5 МВ/см срезающий разрядник срабатывал с задержкой в 200-250 пс и полной нестабильностью -50 пс. Таким образом, при амплитуде импульса драйвера в 150 кВ на выходе преобразователя (рис.1,а) формировался 100-кВ импульс с фронтом 150-200 пс и длительностью 250±25 пс вплоть до частот повторения 100 Гц (рис.8,а). Снижение поля на срезающем электроде при увеличении зазора приводило как к естественному росту времени задержки пробоя (то есть, длительности формируемого импульса), так и к непропорциональному увеличению нестабильности этого времени задержки. В результате импульс длительностью -500 пс был нестабилен уже в пределах 100 пс (рис.8,6), а дальнейшее увеличение длительности (-1 не) приводило к стохастическим выбросам вплоть до -50-100%. На основании этих данных можно было сделать предварительное заключение, что среднеквадратичная амплитудная нестабильность импульса драйвера на уровне 5% мало влияла на работу обостряющего разрядника, но оказалась уже неприемлемой для стабильной работы срезающего разрядника с временем задержки пробоя более 500 пс.
Важно обратить внимание на методику получения осциллограмм, представленных на рис.8. Судя по анализу публикаций, в экспериментах [43,44] мы одними из первых применили стробоскопические цифровые осциллографы для регистрации субнаносекундных высоковольтных импульсов в импульсно-периодическом режиме. Сам факт возможности использования стробоскопической регистрации уже говорит о достаточной повторяемости процесса от импульса к импульсу, поскольку для получения одной осциллограммы требовалось 512 последовательных импульсов. Несомненным преимуществом наблюдения быстропротекающих процессов с помощью цифрового стробоскопического осциллографа (Tektronix TDS-820, 6 ГГц) следует признать увеличение полосы регистрации за счет отсутствия кабельной линии задержки 40-50 не, неизбежной для осциллографов реального времени. На рис.9 приведено сравнение двух тестовых импульсов стандартного генератора Г5-84, регистрируемых напрямую осциллографом TDS-820 (длина соединительного кабеля 1м, рис.9,а;б) и те же импульсы, прошедшие дополнительно через короткий соединительный кабель, тройник с ослаблением 1.55-х и 50-нс линию задержки осциллографа реального времени (рис.9,в;г). Видно, что даже при использовании в качестве линии задержки пожалуй наиболее высокочастотного полужесткого кабеля с микропористой фторопластовой изоляцией (StORM/421-33 6, США) кроме существенного амплитудного ослабления имеет место заметное уширение импульса.
Осциллограф TDS-820 имеет высокочувствительный и стабильный запуск с точностью не хуже 3 пс. В нашем случае применялся запуск осциллографа от субнаносекундного фронта исследуемого импульса. При этом уровень запуска обычно настраивался на наиболее быстрый участок фронта в диапазоне от 1/3 до 2/3 от амплитудного значения. В этих условиях нестабильность амплитуды импульса и его длительности представлялась на экране в виде нерегулярности или отдельных пиков, по разбросу которых можно было судить о диапазоне нестабильностей как по амплитуде, так и по времени. Применить внешний запуск осциллографа от более
Субнаносекундные разрядники с большой частотой повторения импульсов
Предварительная экспериментальная проверка режимов зарядки накопителя р2 импульсом с крутым фронтом (-100 пс) была выполнена с помощью модели схемы рис.22,а, собранной из отрезков коаксиальных линий. На осциллограмме (рис.25,а) представлен вариант зарядки, соответствующий режиму а =3; г, = 4г. В соответствии
с зависимостью, показанной на рис.23, амплитуда выходного импульса увеличилась в 1.3 раза. При увеличении длительности исходного импульса до г, = 6г и изменении рассогласования до «=4.3 максимальная зарядка была обеспечена на втором цикле суммирования в накопителе р2, а амплитудный выигрыш составил -1.45 (рис.25,6), что также совпадает с расчетом (рис.24).
На практике при компрессии энергии наносекундных высоковольтных генераторов обычно реализуется режим, когда длительность фронта исходного импульса оказывается сравнимой с электрической длиной накопителя р2. В этом случае приведенный выше анализ не теряет смысла, если подбором длин линий Z и р2 и задержки срабатывания выходного разрядника обеспечивается суммирование амплитуд на квазиплоском участке, или вблизи вершины импульса, прошедшего из линии Z в накопитель р2. Именно такой вариант требовалось реализовать в нашем эксперименте по преобразованию импульса компактного высоковольтного генератора РАДАН-ЗОЗБП, имеющего выходной импеданс 45 Ом и длительность импульса на полувысоте г, =5нс [29]. Энергозапас двойной формирующей линии генератора при напряжении коммутации разрядника S\ 150 кВ составил 1.9 Дж. Схема экспериментальной установки представлена на рис.26.
Численное моделирование системы компрессии для параметров импульса генератора РАДАН-ЗОЗБП проводилось с помощью кода КАРАТ [53]. На первом этапе рассчитывалась форма импульса, подаваемая на вход звена компрессии энергии. На рис.27,а показана геометрия численной модели, которая с точностью 0.5 мм соответствовала реальной конфигурации двойной формирующей линии РАДАН-ЗОЗБП. Модель включала искровой разрядник, коммутационный зазор которого задавался в виде диэлектрической среды с проницаемостью є = 1 и проводимостью, изменяющейся во времени за 300-500 пс от нуля до значения, обеспечивающего малые омические потери "в искре". Сформированный на согласованном выходе импульс (в данном расчете была выбрана положительная полярность, рис.27,б) имел достаточно сложную форму, в целом соответствовавшую реально обеспечиваемой генератором РАДАН-ЗОЗБП. Для дальнейшего расчета звена компрессии импульс (рис.27,6) полагался отрицательным, с амплитудой -100 кВ, и интерполировался кусочно-линейной функцией.
В звене сжатия (геометрия показана на рис.28,а) секции Z=130 Ом и р2=50 Ом имели время задержки 0.5 не. Таким образом, после накопления энергии в р2 и срабатывания выходного коммутатора формировались выходные импульсы с характерной длительностью на полувысоте 1 не. Проводящая среда разрядника задавалась так же, как и для ДФЛ- генератора. Момент включения коммутатора мог смещаться относительно времени прихода фронта зарядного импульса на разрядник. При задержках включения в диапазоне от 1.5 до 2.5 не варьировались форма импульса, а также его амплитуда (рис.28,б-г). В случае, показанном на рис.28,г, увеличение амплитуды импульса относительно исходного составило 30%.
Единственным отличием реальной экспериментальной схемы (рис.26) от численной и аналитических моделей было использование спиральной линии взамен высокоомной коаксиальной секции (Z). Однако ее параметры (Z-120 Ом; т-\ не; « 2.6) были подобраны для обеспечения оптимального режима, следующего из расчетов (рис.23, рис.24). На рис.29 показан внешний вид преобразователя, включающего присоединенный к входному участку центральный спиральный проводник высокоомной линии. Внешний вид преобразователя в сборе с генератором РАДАН-ЗОЗБП представлен на рис.30.
В полномасштабных экспериментах было испытано несколько вариантов систем компрессии, различавшихся электрической длиной линий Z и р2. Обычно это значение выбиралось, исходя из конкретной задачи по применению данного устройства. На рис.31,а представлена осциллограмма исходного импульса наносекундного драйвера, полученная в том случае, когда спиральная линия Z была заменена согласованным отрезком коаксиала с волновым сопротивлением 45 Ом, а разрядник 52 был изначально замкнут. Отметим, что форма этого импульса несколько искажена из-за недостаточной постоянной времени емкостного делителя напряжения, предназначавшегося для регистрации процессов короче 1 не. Небольшое переполяривание импульсов на осциллограммах (рис.31) также обусловлено этой особенностью делителя. Подобные искажения могли корректироваться при обработке экспериментальных результатов. При установке спиральной линии Z=120 Ом исходный импульс трансформировался, как это показано на рис.31,б. Затяжка фронта и падение амплитуды соответствовали представлениям, полученным из анализа аналогичной трансформации импульса с крутым фронтом.
С помощью точной настройки напряжения пробоя разрядника 52 был реализован режим компресии (рис.32,а), который в целом соответствовал случаю, показанному на рис.22,в. О времени зарядки накопителя рг свидетельствует длительность предымпульса (2 не), возникающего из-за наличия межэлектродной емкости разрядника бг- Максимум амплитуды преобразованного импульса в 1.3 раза превысил амплитуду исходного (150 кВ, рис.31,а) и составил -200 кВ. То есть, в данном случае суммирование напряжения в накопителе р2 действительно было осуществлено на "вершине" исходного импульса. В случае преднамеренного увеличения задержки срабатывания разрядника (длительность предымпульса при этом возросла до 3 не, рис.32,Ь) временной момент суммирования соответствовал уже режиму рис.22,с, однако из-за "недостатка" длительности исходного импульса суммирование произошло уже на спадающем заднем фронте. Впрочем, последнее обстоятельство позволило сформировать импульс с формой, близкой к прямоугольной. Амплитуда при этом увеличилась со 150 кВ до 180 кВ (фактор 1,2). Оценки показывают, что для режимов компрессии, представленных на рис.32, эффективность трансформации энергии наносекундного драйвера была не хуже 80%.
Устройство компрессии энергии генератора "РАДАН-ЗОЗ"
При этом длительность перепада состоит из суммы фронтов, формируемых обостряющим разрядником S\ и срезающим разрядником Si. Отметим, со ссылкой на обозначения рис.42,г и осциллограмму рис.45, что в данном режиме срезающий разрядник сработал при напряжении близком к V0=\5Q кВ, то есть, без значительного перенапряжения. Некоторое снижение модуля амплитуды отраженного (положительного) пика по сравнению с отрицательным может быть объяснено ненулевым сопротивлением искровых промежутков 52 И Sz.
На рис.46,6 представлен двухполярный импульс, полученный в условиях, когда отраженная от разомкнутого разрядника 5з волна напряжения достигла разрядника Si. Амплитуда перепада напряжения между пиками составила 250 кВ. Некоторое ее снижение по сравнению с режимом (рис.46,а) по-видимому объясняется срабатыванием разрядника при напряжении, несколько меньшем максимума зарядного напряжения (2V0). Вместе с тем, увеличенное предпробойное перенаряжение разрядника S2 значительно изменило скорость его коммутации и длительность перепада между пиками укоротилась до -250 пс. Судя по осциллограмме рис.46,6, полный диапазон относительного разброса срабатывания разрядников S2 и S не превысил + 100 пс. Осциллограммы рис.46,а,б получены при длине формирующей линии 17 см. В обоих случаях двухполярному импульсу предшествует предимпульс небольшой амплитуды, который обусловлен межэлектродной емкостью разрядника 5з.
На рис.46,в представлена осциллограмма биполярного импульса, полученная в режиме работы разрядников, близком к режиму рис.46,6. Уменьшенная длительность обоих полупериодов импульса в данном случае связана с применением укороченной формирующей линии длиной 10 см. Отрицательная и положительная части импульса выглядят более симметричными, чем на предыдущих осциллограммах. Связано это с тем, что из-за меньшей длительности импульсов удалось избежать наложения отражений на спад положительного импульса. Эти отражения амплитуды с амплитудой не более (10-15)% могут возникать в области выходного изолятора, разделяющего газовый и маслонаполненный тракты генератора.
В полученных выше результатах крутизна фронта исходного импульса имела принципиальное значение. Для сравнения на рис.47,а;б приведены осциллограммы биполярных импульсов, полученных в генераторе, где формирующая линия имела длину 10 см, а фронт зарядного импульса не обострялся. То есть, в данном случае выполнялось условие /,- tfL- Приемлемую стабильность работы генераторов и повторяемость осциллограмм от серии к серии удалось получить только в том случае, когда разрядники срабатывали вблизи половинного уровня фронта зарядки, то есть, при ограниченном времени воздействия напряжения (рис.47,а). Поэтому амплитуда напряжения между пиками разной полярности не превысила 165 кВ при напряжении исходного импульса 150 кВ. При попытке сформировать импульс с большей временной задержкой пробоя разрядников (то есть, вблизи максимума зарядного напряжения, где значение (dV/dt) зарядного импульса снижается) срезающий разрядник S2 работал нестабильно. Это проявлялось "изрезанностью" каждой осциллограммы на экране строскопического осциллографа и плохой их воспроизводимостью от серии импульсов к серии (рис.47,6).
Таким образом, при зарядке с фронтом 1 не при дисперсии амплитуд зарядного импульса в 3-5 % по описанной схеме может быть реализован генератор биполярных импульсов с полной длительностью в единицы наносекунд. Формирование биполярного импульса с полной длительностью 1 нс и менее требует предварительного обострения фронта, то есть увеличения скорости зарядки.
Альтернативная схема активного биполярного формирователя. С переходом в наносекундный диапазон длительностей геометрическая длина высоковольтной формирующей линии может в несколько раз превышать ее диаметр. В этом случае базовая принципиальная схема генератора биполярных импульсов (рис.42), представляющая модификацию известной схемы Введенского [65], при типичном волновом сопротивлении линии в десятки Ом допускает топологическое преобразование, где разрядники Зг и ST, объединены, как это показано на рис.48. Скорость зарядки накопителя может быть снижена в той степени, которая позволяет обеспечить время коммутации разрядника по величине, как минимум, вдвое меньшее электрической длины формирующей линии. Естественно, что понятие стабильности биполярного генератора при использовании такого объединенного разрядника относится только к разбросу амплитуд от импульса к импульсу.
По одной из схем (рис.48) с объединенным разрядником авторами работы [66] был создан генератор с 50-омной формирующей линией, с размахом и полной длительностью биполярного импульса, составляющими ± 100 кВ и 3.5 не, соответственно. Тем не менее, при снижении волнового сопротивления линии до -12 Ом и увеличении размаха выходного импульса до ±200 кВ от объединения разрядников пришлось отказаться в основном из-за недостаточной электрической прочности изоляции низкоомной формирующей линии. Такой генератор при длительности импульса 3.5 не был построен авторами работы [67] по ранее реализованной нами схеме [43] с двумя независимыми разрядниками.
С переходом в диапазон длительностей биполярных импульсов до 1 не, согласно приведенным на рис.48 схемам с объединенным разрядником, электрические длины соосных формирующих линий будут различаться примерно на величину порядка среднего радиуса. Кроме того, охранное градиентное кольцо на промежуточном электроде формирующей линии, необходимое для снижения электрического поля на кромке электрода, уже будет представлять существенную неоднородность при распространении импульса с крутым фронтом. Этот вариант анализировался в численном моделировании (код КАРАТ). Геометрические размеры линий (диаметры и длина) были выбраны для моделирования (рис.49,а), исходя из условия формирования биполярного импульса длительностью 1 не с полным размахом амплитуды -200 кВ и обеспечения предельного электрического поля на поверхности электродов не более 200-220 кВ/см. Из результатов расчета (рис.49,6) видно, что различие длин участков формирующих линий и наличие охранного кольца выражается в разнице длительностей и искажении формы разнополярных лепестков импульса. Это обстоятельство, а также трудности подвода зарядного импульса к формирующей линии, на практике чрезвычайно осложняют реализацию конструкции с одним разрядником (рис.48) для формирования биполярных импульсов с длительностью 1 не.
Лепестковая ТЕМ-антенна малогабаритного СШП генератора
В наших собственных экспериментах [43,44,80] данные о направленности СШП излучения ТЕМ рупора были получены по методике, которая упоминалась в вводной части настоящей главы. Осциллограммы фрагментов измерений направленности СШП излучения по амплитудам временных лепестков импульсов, регистрируемых приемной ТЕМ-антенной, представлены на рис.60. В экспериментах для возбуждения передающей ТЕМ антенны использовались биполярные- или положительные униполярные тестовые субнаносекундные импульсы с амплитудой/перепадм 200 В, генерировавшиеся специально разработанным генератором с коммутатором в виде ртутного реле [82]. Измерения показали, что границы приосевых Н- и Е- секторов, соответствующие ослаблению амплитуды сигналов до уровня -6 dB, были приблизительно равны: ± 45 и ± 30 (рис.61). Различие углов в Н- и Е- плоскостях коррелировало с несимметричностью раскрыва ТЕМ рупора (35x50см в данных экспериментах). Полученные характеристики направленности не противоречат данным работы [81] по частотным характеристикам.
Измерения, проводившиеся с применением высоковольтного субнаносекундного генератора с широкой ДН в условиях отсутствия безэхового покрытия лабораторного помещения, были существенно затруднены из-за высокого уровня сигнала, зачастую выводившего из строя неэкранированную регистрирующую аппаратуру. Тем не менее, малая длительность импульсов позволяла при регистрации отстраиваться от нежелательных отражений бокового излучения антенны различными предметами, и, с другой стороны, продемонстрировать пространственную разрешающую способность СШП генератора. Эти эксперименты проводились в режиме периодического следования импульсов с частотой повторения 25 Гц и при коротких (до 30с) включениях на частоте повторения 100 Гц. Геометрия эксперимента [72] показана на рис.62. Излучатель был установлен горизонтально на высоте 1 м от пола в лабораторном помещении без поглощающего покрытия. Для приема СШП 2 излучения использовалась ТЕМ-антенна с апертурой 2 дм . Осциллографическая регистрация сигнала осуществлялась с переходной характеристикой 0.3 не низкочувствитеьным осциллографом И2-7, выдерживавшим высокие уровни электромагнитного СШП излучения из-за особенностей схемы, собранной исключительно на радиолампах. Осциллограмма на рис.63,б представляет сигнал, принятый на оси излучающей антенны. Затем на оси излучателя устанавливался проводящий экран площадью 1 м , а приемная антенна была перемещена по нормали в сторону от оси излучателя. Зарегистрированный сигнал имел вид, представленный на осциллограмме рис.63,в. Когда перед большим экраном на расстоянии 25 см был установлен другой, площадью 10 дм , на осциллограмме (рис.63,г) имелся опережающий сигнал. Сигнал от малого экрана в отсутствии большого менял структуру, но, естественно, сохранял временную привязку (рис.63,д). Следует отметить, что линейные размеры малого экрана соответствовали условию резонансного рассеяния излучаемого антенной сверхширокополосного импульса [6]. В принципе, даже в условиях использования низкочувствительного осциллографа, на фоне паразитных отражений можно было четко различать рассеянный сигнал от металлического предмета с гораздо меньшей эффективной поверхностью рассеяния -0.5 дм2 (консервная банка).
При использовании чувствительного и широкополосного цифрового стробоскопического осциллографа Tektronix TDS820 в специализированных лабораторных условиях регистрация СШП сигнала осуществлялась на расстояниях 25 м по главному направлению от антенны с помощью диско-конусной антенны (D-dot probe), аналогичной по конструкции использованной в измерениях [72,74]. Такой датчик электрического поля при малых размерах имеет "дифференцирующую" характеристику, подобно емкостному делителю напряжения с недостаточной емкостью низковольтного плеча (см., например, Приложение 2). Поэтому его сигналы (рис.64,6) представляют производную по времени от измеряемого электрического поля ТЕМ волны "(/). Измерения электрического поля СШП сигнала были выполнены с помощью приемной лепестковой ТЕМ-антенны (Приложение 3), устанавливавшейся по главному направлению на расстоянии 11 и 25 метров (рис.65). По этим данным в точках наблюдения достигалось поле 300 и 140 В/см, соответственно.
На рис.64,в;г представлены биполярный, питающий ТЕМ рупор высоковольтный импульс, и соответствующий интегрированный по времени отклик измерительной диско-конусной антенны. Как отмечалось выше, в водной части Раздела 2.3, в условиях спада АЧХ передающих ТЕМ антенн в области низких частот, [6,66,78], использование биполярных импульсов представляет особый интерес в плане снижения низкочастотной, слабо излучаемой компоненты спектра возбуждающего импульса (см. [6], а также результаты численного моделирования в [74]). В наших экспериментах [43,44], рис.64,в;г, биполярный импульс формировался с помощью настраиваемого КЗ-шлейфа (Раздел 2.3), применение которого, кроме сдвига спектра возбуждающего импульса к высоким частотам, имеет еще ряд позитивных моментов.
Во первых, при полном размахе биполярного импульса, равном амплитуде порождающего униполярного, реально действующие электрические поля в высоковольтных трактах снижаются вдвое. Это благоприятное обстоятельство в плане снижения перенапряжений в области выходного изолятора высоковольтного генератора и увеличения электрической прочности газовой изоляции подводящих фидеров и собственно ТЕМ антенн.
Второй момент интересен с точки зрения повышения энергетической эффективности излучаемого СШП сигнала. Для упрощенного объяснения заметим, что исходя из общих принципов теории излучения (см., например [83]), "ответственными" за излучение антенны являются изменяющиеся во времени токи, протекающие на фронтах импульса возбуждения. Поэтому представим исходный униполярный импульс в виде линейно интерполированных, равных по времени, фронта и спада без полки (рис.66,а). Излучаемое поле пропорционально производной по времени и условно представлено на рис.66,6 в виде разнополярных (для указания соответствия фронту или спаду) временных лепестков. Особенность биполярного формирователя со шлейфом состоит в том, что в случае специальной настройки длины КЗ-линии длительность перепада может быть сделана равной длительности фронта (или спада) исходного
