Содержание к диссертации
Введение
1. Мощные генераторы с полупроводниковым прерывателем тока 11
1.1. Концепция построения генераторов .11
1.2. Тиристорное зарядное устройство 12
1.3. Звено магнитной компрессии энергии 13
1.4. Согласование компрессора с прерывателем тока 15
1.5. Полупроводниковый прерыватель тока на основе SOS-диодов 17
Выводы 24
2. Генератор с импульсной мощностью до 2 ГВт 32
2.1. Блок-схема генератора 32
2.2. Электрическая схема и принцип работы 33
2.3. Конструкция генератора 36
2.4. Средства измерения 46
2.5. Выходные характеристики генератора 49
2.6. Испытания в частотном режиме работы 50
2.7. КПД генератора и пути его увеличения 52
Выводы 54
3. Применение генератора в электрофизических экспериментах 65
3.1. Стримерный коронный разряд 66
3.2. Мощные СВЧ-устройства 67
3.3. Электронный пучок и рентгеновское излучение 70
Выводы 73
Заключение 80
Литература 82
- Полупроводниковый прерыватель тока на основе SOS-диодов
- Электрическая схема и принцип работы
- Испытания в частотном режиме работы
- Электронный пучок и рентгеновское излучение
Введение к работе
В генераторах мощных наносекундных импульсов используют два основных типа накопителей энергии: емкостные и индуктивные. Наиболее часто применяются емкостные накопители энергии. В них энергия низкойндуктиБНЫХ конденсаторов либо формирующих линий коммутируется в нагрузку через замыкающие устройства - сильноточные на-носекундные коммутаторы [1,2]. Одной из самых распространенных схем, реализующих данный принцип накопления энергии, является генератор Маркса. В нем несколько конденсаторов ( в общем случае п) емкостью С каждый соединяются параллельно и заряжаются от источника выпрямленного напряжения через зарядные сопротивления до напряжения U. Если замкнуть одновременно все разрядники генератора, то конденсаторы С соединятся последовательно и на сопротивления нагрузки R образуется импульс напряжения с амплитудой, близкой к п U. Длительность импульса определяется величиной емкости С/п и сопротивления нагрузки R.
Индуктивные накопители энергии, в отличие от емкостных, используют прерыватели тока [3]. Этот метод наиболее перспективен для развития мощной импульсной техники, поскольку плотность энергии, запасаемой в индуктивных накопителях, примерно на два порядка выше, чем в емкостных. Принцип работы индуктивного формирователя напряжения состоит в следующем. При протекании тока через замкнутый коммутатор в индуктивности L запасается энергия, которая при размыкании ключа в момент максимума тока переключается в нагрузку R. Па нагрузке, в результате броска самоиндукции, возникает импульс напряжения, длительность которого зависит от значений L и R.
Одним из основных элементов этих систем является ключ-прерыватель. Необходимо отметить, что быстрый обрыв тока в сильноточных цепях технически представляет собой более сложную задачу, по сравнению с коммутацией напряжения - разрядом емкости. При формировании мощных импульсов наносекундного диапазона прерыватель должен выдерживать напряжения мегавольтового уровня и обеспечивать обрыв тока в десятки и сотни килоампер за время единиц и десятков наносекунд. До недавнего времени основными типами прерывателей в этой области являлись взрывающиеся проволочки и эрозионные плазменные ключи. Одними из первых стали применяться в качестве прерывателя тока тонкие электрически взрывающиеся проводники [4]. Известно, что если через тонкий металлический проводник пропустить импульс тока большой величины (плотность тока достигает 105 - 109 А/см2), то произойдет электрический взрыв проводника. При этом из-за инерции жидкого металла он перегревается и испаряется с интенсивностью взрыва. Наибольшая скорость роста сопротивления может быть получена при использовании большого числа параллельно включенных тонких проводников. Однако такие прерыватели не способны работать в частотном режиме.
Плазменные прерыватели тока [5, 6] являются наиболее мощными устройствами в этом ряду. Принцип их действия основан на изменении проводимости плазмы. Они позволяют работать с низкой частотой следования импульсов и имеют ограниченный ресурс из-за эрозии электродов. С их использованием были получены следующие результаты: скорость роста сопротивления 109 Ом/с, ток до 106 А и напряжение до З MB (при исходном 0.8 MB).
Разработка и исследование новых типов размыкателей тока, свободных от указанных недостатков и способных выйти на уровень технологических применений, выдвигает еще одно требование - длительный срок службы. В этом направлении наиболее перспективными являются схемы с индуктивными накопителями энергии и твердотельными прерывателями тока, на основе которых возможна разработка мощных импульсных устройств с высокими удельными характеристиками и практически неограниченным (твердотельным) ресурсом. Здесь основная проблема заключается в создании мощного твердотельного частотного размыкателя тока.
В 1983 году профессором И.В. Греховым был предложен и реализован наиболее мощный режим работы полупроводниковой р+- п - «+ структуры с плотностью обрывае- мого тока до 200 А/см , временем обрыва тока около 2 не и рабочим напряжением 1 кВ [7]. Такие приборы получили название дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [8]. Принцип работы ДДРВ состоит в следующем. За счет короткой длительности импульса прямого тока (сотни наносекунд) в базе возле р-п перехода создается тонкий слой инжектированной плазмы, в котором сосредоточена основная часть накопленного заряда. При протекании тока обратной накачки происходит рассасывание плазменного слоя у р-п перехода с одновременным дрейфовым выносом дырок из основной части базы. Подбором параметров структуры (длина базы и уровень легирования) и режима накачки (длительность и плотность тока) достигается условие, когда к моменту удаления из структуры всех неравновесных носителей плотность дрейфового тока достигает максимального значения для данного уровня легирования базы. При выполнении этого условия процесс обрыва обратного тока представляет собой удаление из базы равновесных носителей с максимально возможностью скоростью насыщения порядка 10 см/с. В связи с этим ДДРВ имеет ограничение по плотности тока через структуру. Для получения обратных напряжений на структуре около 1-2 кВ уровень донорной примеси в базе не может превышать 101 см'3, что на стадии отключения соответствует максимальной плотности тока около 160 — 200 А/см2. Однако путем увеличения площади структуры и создания сборок из последовательных соединенных структур возможно увеличение рабочих параметров прерывателя по току и напряжению. Рекордные для ДДРВ параметры получены в работе [9], в которой с помощью последовательно соединенных ДДРВ формируются импульсы с амплитудой 80 кВ, током 800 А и частотой следования импульсов 1 кГц.
Таким образом, существовавшие до последнего времени методы обрыва тока в полупроводниках характеризовались относительно скромными достигнутыми параметрами по импульсной мощности (десятки МВт), току (сотни А) и напряжению (десятки кВ), которые недостаточны для многих приложений мощной импульсной техники.
Ситуация в области мощной полупроводниковой электроники изменилась кардинальным образом, когда в 1992 году в Институте электрофизики УрО РАН был обнаружен эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках (SOS -эффект; от semiconductor opening switch) [11-12]. Было показано, что эффект наблюдается в кремниевых р^-р-п-п - структурах при времени накачки порядка 10"8 -10"6 с и плотности обратного тока до 60 кА/см2, а время обрыва тока при этих условиях лежит в диапазоне от десятых долей до единиц наносекунд [12-13]. На основе этого эффекта были созданы новые высоковольтные полупроводниковые приборы — SOS-диоды, представляющие собой сверхмощные твердотельные наносекундные прерыватели тока высокой плотности с рабочим напряжением в сотни кВ [10]. К моменту начала работы диссертанта на этой основе уже была разработана серия малогабаритных наносекундных генераторов с выходным напряжением от 100 до 450 кВ при импульсной мощности в сотни МВт и средней мощностью до единиц кВт [13]. Очевидно, что применение и развитие данного подхода для разработки более мощных генераторов, и освоение мегавольтного уровня выходного напряжения в сочетании с гигаваттным уровнем импульсной мощности представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Целя диссертационной работы:
Разработка и исследование мощного наносекундного генератора с полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов. Достижение мегавольтного выходного напряжения и гигаваттного уровня импульсной мощности при величине средней мощности в десятки кВт.
Исследование возможности применения разработанного генератора для получения сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом, а также его использования в качестве источника питания мощных СВЧ -устройств.
Научная повита
Разработан генератор с полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов с выходным напряжением до 1 MB, импульсной мощностью до 2 ГВт при длительности импульса 30 - 60 не.
Показано, что прерыватель тока, работающий в режиме SOS-эффекта и содержащий до 1600 последовательно соединенных полупроводниковых структур, характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам на стадии обрыва тока и формирования импульса напряжения, и способен при мегавольтном уровне напряжения коммутировать среднюю мощность в нагрузку до 30 кВт постоянно и до 60 кВт в режиме пачки импульсов.
Исследована возможность работы генератора на SOS-диодах в гибридных схемах формирования наносекундных импульсов с гигаваттным уровнем пиковой мощности. При зарядке емкостного накопителя в виде формирующей линии достигнуто напряжение 900 кВ с временем нарастания 40 не при частоте следования импульсов 700 Гц.
Показано, что разработанный генератор при работе на нагрузку в виде стримерного коронного разряда позволяет при частоте следования импульсов 500 Гц вводить среднюю мощность в разряд до 22 кВт при импульсной мощности около 1 ГВт.
5. При работе генератора на вакуумный диод получен широкоапертурный электронный пучок мощностью 1.2 ГВт (750 кВ, 1.6 кА) с энергосодержанием ~ 55 Дж и средней мощ ностью до 5 кВт при частоте следования импульсов ] 00 Гц.
Практическая ценность работы определена созданием наносекундных генераторов с мегавольтным уровнем выходного напряжения, оконечный каскад усиления мощности которых основан на использования промежуточного индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока на основе SOS-диодов. Разработанные генераторы имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии, в связи с чем сочетают высокую частоту следования импульсов и среднюю мощность, стабильность выходных параметров, надежность и имеют практически неограниченный срок службы. Именно эти качества позволяют генераторам данного класса получить широкое практическое применение, как в электрофизическом эксперименте, так и в различных электрофизических промышленных технологиях.
Реализация результатов работы
Разработанные мегавольтные наносекундные генераторы с полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов применялись при проведении прикладных исследований в различных областях электрофизики: для генерирования сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей, а также в качестве источника питания мощного СВЧ -генератора. Ниже перечислены российские и зарубежные организации, использующие результаты диссертационной работы и эксплуатирующие коммерческие образцы разработанных генераторов:
Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург
Всероссийский НИИ технической физики, Снежинск
Северо-западный Институт ядерной техники, Сиань, Китай
Компания TACOM-ARDEC, Нью-Джерси, США
Вклад автора в представленную работу состоит в моделировании, разработке конструкций и проектировании генераторов, непосредственном проведении экспериментов и анализе полученных результатов.
Апробация работы и публикации
Материалы работы докладывались на следующих Международных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международная конференция по мощной импульсной технике (США - 1999, 2001), Международная конференция по мощным пучкам частиц (Япония -
2000, Россия - 2004), Международная конференция по мощным импульсным модуляторам (США - 2002), Семинар по мощной импульсной технике (Великобритания - 2003).
Положения, выносимые на защиту
На базе SOS-диодов возможна разработка мощных генераторов с полупроводниковым прерывателем тока, имеющих выходное напряжение мегавольтного уровня, импульсную мощность до 2 ГВт при длительности импульса 30-60 не.
Прерыватель тока, работающий в режиме SOS-эффекта и содержащий до 1600 последовательно соединенных полупроводниковых структур, характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам на стадии обрыва тока и формирования импульса напряжения, и способен при мегавольтном уровне напряжения коммутировать среднюю мощность в нагрузку до 30 кВт постоянно и до 60 кВт в режиме пачки импульсов.
Генераторы на SOS-диодах могут использоваться в качестве драйверов в гибридных схемах формирования высоковольтных импульсов, заряжая емкостной накопитель в виде формирующей линии до напряжения 900 кВ за время 40 не с частотой следования импульсов до 700 Гц.
При работе на нагрузку в виде стримерного коронного разряда в воздухе разработанный генератор позволяет при частоте следования импульсов 500 Гц вводить среднюю мощность в разряд до 22 кВт при импульсной мощности около 1 ГВт.
5. При работе на вакуумный диод генератор позволяет получить широкоапертурный элек тронный пучок мощностью 1.2 ГВт (750 кВ, 1.6 кА) с энергосодержанием - 55 Дж и средней мощностью до 5 кВт при частоте следования импульсов 100 Гц.
Основное содержание работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 90 страниц, включая 43 рисунка и список литературы из 79 наименований.
В первой главе дается описание мощных генераторов с полупроводниковым прерывателем тока. Обсуждаются вопросы начального накопления энергии в тиристорном зарядном устройстве и сжатия энергии в звене магнитной компрессии. Дается описание и приводятся характеристики полупроводниковых прерывателей тока на основе SOS-диодов. Во второй главе приводятся результаты разработки мегавольтного генератора с импульсной мощностью до 2 ГВт. Описываются блок-схема генератора, его электрическая схема и принцип работы, приводятся результаты конструкторской разработки. Приводятся результаты экспериментальных исследований генератора, даются его характеристики. Обсуждаются результаты испытаний в частотном режиме работы, вопросы надежности и пути увеличения КПД. Третья глава посвящена применению разработанного генератора в электрофизическом эксперименте. Обсуждаются вопросы его применения для зажигания стримерного коронного разряда в воздухе, использования генератора в качестве драйвера в мощных СВЧ- устройствах, а также в качестве импульсного источника для генерирования мощных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения. В заключении приведены основные результаты, полученные в работе, и список литературы.
Полупроводниковый прерыватель тока на основе SOS-диодов
Поскольку основное назначение ТЗУ - сформировать импульс для дальнейшего преобразования его в магнитном компрессоре МК, необходимо сформулировать требования к параметрам импульса с выхода ТЗУ. Критерий выбора длительности импульса при переводе энергии из ТЗУ в МК содержит в себе противоречие, С одной стороны, для упрощения МК, в частности для уменьшения объема сердечников и количества ступеней сжатия, необходимо уменьшать длительность импульсов, формируемых в ТЗУ. С другой стороны, уменьшение времени вывода энергии из ТЗУ до нескольких микросекунд требует применения большого числа параллельно работающих быстродействующих тиристоров, что усложняет систему первичной коммутации энергии и снижает ее надежность. Близкое к оптимальному время вывода энергии из ТЗУ лежит в диапазоне от 10 до 100 мкс при энергии импульса от единиц до сотен джоулей. Например, в ТЗУ, описанном в [13], средняя мощность 90 кВт (450 Дж, 200 Гц) при длительности импульса около 100 мкс коммутируется единичным тиристором таблеточной конструкции, имеющим средний прямой ток 2 кА и максимальную скорость нарастания тока 1000 А/мкс. 1.3. Звено магнитной компрессии энергии.
Введение в схему звена магнитной компрессии энергии продиктовано необходимостью согласования параметров импульса с выхода ТЗУ с параметрами импульса накачки прерывателя тока. Для получения на выходе устройства в целом наносекундных импульсов с амплитудой до 1 MB магнитный компрессор должен формировать импульсы длительностью в несколько сотен наносекунд и напряжением в сотни киловольт. Таким образом, при входном импульсе амплитудой 1-2 кВ и длительностью 10-100 мкс МК должен обеспечить сжатие импульса во времени в 300-1000 раз и повышение напряжения в 100-200 раз.
На рис. 1.3 приведена схема простейшего звена магнитной компрессии энергии. При подаче напряжения на первичную обмотку импульсного трансформатора РТ начинается зарядка конденсатора CI. При этом через магнитный ключ L1 протекает только незначительный по величине ток намагничивания сердечника. При достижении максимума значения вольт-секундного интеграла магнитного ключа L1 происходит насыщение сердечника, в результате чего его индуктивность резко уменьшается и происходит передача энергии из конденсатора Сів С2. Подбором значений элементов схемы время разрядки конденсатора О может быть в несколько раз меньше времени его зарядки. Отношение этих времен и определяет коэффициент компрессии энергии одного звена.
Подобная схема, несмотря на кажущуюся простоту, имеет ряд недостатков. Во-первых, токи через индуктивные элементы протекают в одном направлении, что требует обязательного применения внешних схем размагничивания. Во-вторых, при равенстве значений емкостей С1 и С2 напряжение зарядки конденсатора С2 равно напряжению зарядки конденсатора С1 (без учета потерь). Напряжение зарядки С2 возможно увеличить, не более чем в 2 раза, путем многократного уменьшения его емкости по сравнению с С1. Но этот путь приводит к потере энергии при передаче, так как максимум передаваемой энергии возможен при отношении значения емкостей CI = С2.
На рис. 1.4. приведена схема магнитного компрессора, в котором сжатие импульса во времени происходит с одновременным повышением выходного напряжения [13]. Основное схемное отличие компрессора от вышеописанного состоит в том, что емкостный накопитель каждой ячейки сжатия имеет среднюю точку и выполнен в виде двух последовательно соединенных конденсаторов одинаковой емкости. При этом выход каждой предыдущей ячейки сжатия подключен к средней точке конденсатора следующей ячейки, а нижние конденсаторы каждой ячейки зашунтированы магнитными ключами. По мере сжатия им пульса в компрессоре происходит повышение напряжения в каждой ячейке в 2 раза. Выходное напряжение МК без учета активных потерь энергии в 2" раза выше входного, где п -число конденсаторных ячеек.
Такой МК не требует дополнительных цепей для перемагничивания сердечников магнитных ключей, поскольку в схеме этот процесс происходит автоматически из-за разного направления протекания зарядного и разрядного токов по каждому ключу (зарядные токи на рисунке показаны пунктирными стрелками, разрядные - сплошными). Еще одна отличительная особенность схемы состоит в том, .что в каждой конденсаторной ячейке происходит двойное сжатие за счет перезаряда нижних конденсаторов. Поэтому двух ячеек при коэффициенте сжатия 3-4 каждым магнитным ключом уже достаточно для сжатия импульса во времени на 2 порядка.
Поскольку при передаче энергии от ячейки к ячейке происходит удвоение напряжения, то для согласованного режима передачи энергии емкости конденсаторов следующей ячейки должны быть в 4 раза меньше, чем емкости предыдущей. Для дополнительного повышения напряжения импульсными трансформаторами они могут включаться вместо магнитных ключей, шунтирующих нижние конденсаторы ячеек. На рис. 1.4 показан один импульсный трансформатор, установленный в первой ячейке сжатия. В общем случае МК может содержать несколько трансформаторов. 1.4. Согласование компрессора с прерывателем тока.
Сокращение длительности импульса МК является необходимым, но недостаточным условием для успешной работы прерывателя тока- SOS -диодов. Другой важный вопрос, возникающий при передаче энергии от МК к полупроводниковому прерывателю, заключается в схемной реализации двухконтурной накачки прерывателя в режиме усиления обратного тока. Такое решение было независимо предложено в работах [15] и [16].
Схема согласования приведена на рис. 1.5. Между выходом магнитного компрессора и прерывателем вводятся конденсатор обратной накачки Сн и магнитный ключ обратной накачки MS (или импульсный трансформатор). После насыщения ключа прямой накачки MS+, который является выходным коммутатором магнитного компрессора, энергия из последней ячейки компрессора переводится в конденсатор Сн. При этом ток Ґ заряда конденсатора Сн одновременно является током прямой накачки прерывателя тока SOS (рис. 1.5, б). Нарастающим напряжением на Сн перемагничивается ключ MS . После его включения в прерыватель вводится обратный ток Г, превышающий Г в несколько раз, и энергия го Сн переводится в индуктивность контура обратной накачки (индуктивность обмотки насыщенного ключа MS" или добавочная индуктивность). После обрыва тока прерывателем энергия передается в нагрузку в виде короткого наносекундного импульса
Электрическая схема и принцип работы
В момент времени ti внешним импульсом запуска включается тиристор VS1, и конденсатор С1 отдает энергию в накопитель С2 (рис. 2.2) через трансформатор РТ1. Этому процессу на осциллограмме соответствует импульс тока І[. В момент времени tj сердечник трансформатора РТ1 насыщается, импеданс контура передачи энергии уменьшается, и энергия, оставшаяся в С1 и L1, перезаряжает конденсатор С1 импульсом тока Ь.
В момент времени із остаточная энергия сосредоточена в конденсаторе С1, полярность напряжения противоположна начальной, а его амплитуда составляет -600 В. Таким образом, из конденсатора С1 в конденсатор С2 передается -75% первоначально запасенной энергии.
В момент времени Із открывается диод VD2, и начинается процесс рекуперации остаточной энергии (импульс тока Ь). В промежутке от із до момента достижения максимума тока Із отрицательное напряжение конденсатора С1 приложено к тиристору VSI, что обеспечивает его запирание.
Особенность работы схемы состоит в том, что начиная с момента времени ti, и до момента tf правая клемма зарядной катушки L3 замкнута на минусовую шину выпрямителя сначала через VS1 и L2 (промежуток із -1]), а затем через VD2 (U - Із). В промежутке времени U -1\ в катушке L3 происходит нарастание тока и накопление энергии, которая затем передается в накопительный конденсатор С1.
В момент времени U величина накопленного тока в зарядной цепи становится больше тока рекуперации через диод VD2, и он запирается. Далее конденсатор С1 при выключенных VS1 и VD2 заряжается от входной сети импульсом тока Ц, величина которого к моменту U определяется интервалом времени t» - tj и индуктивностью катушки L3.
Приведенная зарядная схема обладает рядом преимуществ по сравнению со схемой с зарядным тиристором вместо диода VD1. Во-первых, в момент срабатывания генератора (начало импульса тока \г на рис. 2.4), когда все элементы зарядного устройства подвержены наиболее интенсивным электромагнитным помехам, в схеме нет силовых коммутаторов, находящихся в ждущем режиме, поскольку и коммутирующий тиристор VS1 и зарядный диод VD1 находятся в проводящем состоянии. Этим обстоятельством определяется высокая помехоустойчивость зарядного устройства.
Во-вторых, схема совмещает во времени два основных процесса - передачу энергии из накопительного конденсатора для формирования выходного импульса генератора и накопление в зарядной катушке части энергии для следующего импульса. Кроме этого, схема позволяет сократить интервал между двумя последовательными импульсами включением тиристора VS1 еще до окончания импульса тока L . При прочих равных условиях это дает возможность в 1.5-2 раза увеличить максимально возможную частоту следования импульсов по сравнению со схемой с зарядным тиристором.
И, в-третьих, благодаря предварительному накоплению тока в зарядной катушке, схема позволяет зарядить первичный накопитель С\ (рис. 2.3) до большего напряжения. Так, при установке вместо диода VD1 зарядного тиристора и разделении во времени процессов заряда накопителя С1 и его последующей коммутации максимальное значение зарядного тока, определяемое импедансом зарядного контура (L3/C1)I/2, составило -320 А, а зарядное напряжение накопителя не превышало 900 В. Установка диода вместо тиристора позволила увеличить амплитуду зарядного тока до -480 А (І4 на рис. 2.4) и поднять рабочее напряжение накопителя до 1.2-1.3 кВ.
Для работы ТЗУ в режиме одиночных или редко повторяющихся импульсов схема содержит дополнительный маломощный сетевой трансформатор и выпрямитель (на рис. 2.2 и 2.3 не показаны), которые обеспечивают заряд и поддержание рабочего напряжения (-1.2 кВ) на накопителе С1. После заряда конденсатора С2 (см, рис. 2.2) и насыщения сердечника трансформатора РТ1 энергия передается в накопитель СЗ через РТ2. Накопитель СЗ имеет среднюю точку, к которой подключен высоковольтный вывод вторичной обмотки РТ2 - это обеспечивает перемагничивание сердечников элементов MS+ и РТЗ при протекании по их обмоткам тока заряда верхней секции конденсатора СЗ.
При насыщении сердечника РТ2 напряжение на нижнем конденсаторе СЗ меняет свою полярность, в результате чего напряжение в точке 3 удваивается. Удвоенное напряжение прикладывается к ключу MS+, после чего сердечник ключа MS+ насыщается. Далее энергия из СЗ поступает в конденсатор накачки С4 через трансформатор РТЗ. Ток заряда С4, имеющий амплитуду -1.4 кА и длительность -0.5 мкс, протекает по диодам прерывателя тока SOS и обеспечивает режим их прямой накачки. При этом база полупроводниковых структур заполняется электронно-дырочной плазмой.
Насыщение сердечника РТЗ инициирует процесс обратной накачки прерывателя, при котором конденсатор С4 разряжается через прерыватель в обратном направлении, полупроводниковые структуры освобождаются от избыточной плазмы, а энергия из С4 переводится в накопитель I/ и индуктивность вторичной обмотки насыщенного трансформатора РТЗ.
Длительность обратной накачки и амплитуда обратного тока перед его обрывом в зависимости от выбранной индуктивности накопителя L" лежат в диапазоне 60 -100 не и 4 - 7 кА соответственно. Последующее отключение тока прерывателем за время 10 не приводит к переключению его в нагрузку RH И формированию на ней выходного импульса напряжения длительностью 40 - 60 не. 23. Конструкция генератора.
Генератор S-5N конструктивно представляет собой прямоугольный моноблок с размерами 3.2 х 1.1 х 0.9 м с двумя отсеками - воздушным низковольтным, где распола гается ТЗУ с первой ступенью магнитной компрессии, и высоковольтным - с оконечными ступенями магнитного компрессора и прерывателем тока. Высоковольтный отсек располагается в баке, заполненном трансформаторным маслом. Нагрузка может быть как внутренней, так и внешней, подключаемой через наружный проходной изолятор.
Внешний вид установки S-5N изображен на рис, 2.5, а компоновка элементов - на рис. 2.6. Элементы, начиная с трансформатора РТ2, размещены в масляном баке. В баке предусмотрено место (пунктир) для установки вакуумного изолятора в случае использования генератора для питания вакуумного диода и генерации электронного пучка. Для вывода высокого напряжения на воздух устанавливается проходной полиэтиленовый изолятор ПИ.
Полупроводниковый прерыватель тока состоит из двух параллельных блоков ( рис. 2,7). В трансформаторном масле при длительности импульса в десятки наносекунд блок имеет рабочее напряжение 1.2 MB и обрывает ток до 4 кА. Длина блока 400 мм, масса 5 кг. Блок содержит 20 SOS-диодов: две параллельные ветви по 10 SOS-диодов последовательно в каждой.
SOS-диод, входящий в состав блока, представляет собой сборку из 32 последовательно соединенных элементарных диодов. Каждый элементарный диод содержит по че-тыре полупроводниковые структуры площадью 5x5 мм , последовательно напаянные на медный охладитель размерами 30x30 мм и толщиной 0.8 мм. Отличительные признаки профиля легирования полупроводниковой структуры SOS-диода, принцип его работы, а также технические и эксплуатационные характеристики подробно описаны в [10].
Испытания в частотном режиме работы
В импульсной технике наносекундного диапазона получение достоверной информации о протекающих в устройстве процессах является чрезвычайно важной и сложной задачей. Измерение формы и амплитуды тока и напряжения при длительностях импульса единицы наносекунд и скорости нарастания напряжения до десятков киловольт за наносекунду при наличии мощных электромагнитных помех требует применения целого комплекса специальной измерительной техники [26]. В этот комплекс входят как сами измерительные приборы с соответствующими высокочастотными трактами, так и датчики сигналов. Основным требованием ко всему измерительному комплексу является требование достоверного отображения временных и амплитудных характеристик измеряемых сигналов.
Поскольку в качестве основного устройства отображения информации использовался осциллограф Tektronix TDS520B со стандартными входными делителями сигнала, основное внимание было уделено датчикам сигнала: емкостным и резистивньгм делителям и измерительным шунтам, которые изготавливались самостоятельно. С целью выяснения амплитудно-частотных характеристик применяемых измерительных шунтов была выполнена работа по калибровке и оценке характеристик резистивного шунта для измерения выходного напряжения, как наиболее важного элемента при определении параметров генератора. Также использовалось моделирование с помощью программы PSpice.
Измерение выходного напряжения генератора S-5N осуществляется резистивным делителем, состоящим из высоковольтного измерительного плеча, собранного из нескольких резисторов ТВО-60, и низковольтного плеча, определяющего частотные свойства измерительной цепи. Низковольтное плечо - токовый шунт - представляет собой сборку из параллельно включенных низкоиндуктивных резисторов ТВО-0Л 25. Для уменьшения индуктивности всего шунта резисторы распаяны максимально близко к обратному токопро-воду из медной пластины. Для изоляции между резисторами и пластиной укладывается фторопластовая пленка. Для снятия сигнала в конструкцию интегрирован разъем СР-50-10ФВ. Общее сопротивление шунта составляет 1 Ом. Внешний вид шунта представлен на рис. 2.13.
Для широкополосных шунтов собственная постоянная времени может быть представлена как to tb - tc, где tL = L/R - индуктивная составляющая и tc = RC - емкостная составляющая постоянных времени шунта, В низкоомных шунтах (с сопротивлением до 10 Ом) влияние индуктивной составляющей проявляется более существенно, чем влияние емкостной составляющей [27]. Таким образом, задача уменьшения паразитной индуктивности шунта в нашем случае является основной задачей при его конструировании и изготовлении.
С целью оценки частотных свойств измерительного шунта импульс с генератора СГС54 амплитудой 1кВ и фронтом 0.5 не (величина взята из паспортных данных генератора) подавался через согласующий резистор 75 Ом на шунт. Осциллограмма импульса тока представлена на рис. 2.14. Необходимо отметить, что длительность фронта импульса на осциллограмме находится на пределе уровня разрешения осциллографа и составляет менее 1 не.
С целью выяснения значений паразитной индуктивности данного шунта была предпринята попытка промоделировать вышеописанную схему с помощью программы PSpice. Для моделирования была выбрана упрощенная схема замещения шунта переменного тока [27]. Емкость шунта величиной 150 пФ (рис. 2.15) была оценена исходя из его геометрических размеров, как емкость плоского конденсатора. Индуктивность L1 является паразитной индуктивностью шунта и является параметром, по которому происходила оптимизация. Варьируя значение L1, ставилась задача получения формы напряжения с шунта, близкой к экспериментальной.
При значении индуктивности шунта 0.1 нГн была получена следующая эпюра напряжения (рис. 2.16) на резисторе R3, имитирующем 50-Омный вход осциллографа. Сиг нал с шунта передавался через линию Т8, имитирующую метровый отрезок 50-омного измерительного кабеля (параметры линии взяты исходя из параметров используемого кабеля РК-50-3).
С целью изучения амплитудно-частотной характеристики измерительного шунта был проведен sweep-анализ данной цепи в программе PSpice в диапазоне частот 1 МГц - 10 ГГц. Импульсный источник сигнала, имитирующий генератор СГС54, заменялся на перестраиваемый по частоте источник синусоидального напряжения амплитудой 10 В. Результат моделирования представлен на рис. 2.17. Некоторое увеличение амплитуды сигнала в области частот 0.3-1 ГГц связано с собственным резонансом контуров модели.
Таким образом, можно сделать вывод, о том, что данный шунт может быть успешно применен для измерения выходного напряжения генератора S-5N, имеющего длительность импульса около 50 не при длительности фронта около15 - 20 не. При подаче подобного стилизованного импульса на полученную в программе PSpice модель шунта никаких искажений и отличий формы выходного сигнала от входного выявлено не было.
Для измерения формы и амплитуды сигнала в работе, как было отмечено выше, использовался двухлучевой цифровой осциллограф Tektronix TDS520B с полосой пропускания 500 МГц и широкополосные ослабители сигнала фирмы Barth-electronics.
Кроме датчиков и измерительных приборов на результаты измерений оказывали влияние измерительные тракты, представлявшие собой совокупность высокочастотных разъемов и радиочастотных кабелей. При прохождении высокочастотного сигнала по кабелю происходило его ослабление, величина которого определялась свойствами применяемого кабеля. При использовании измерительного кабеля марки РК-50-4-12 длиной около 12 м ослабление амплитуды сигнала составило 3%. Величина ослабления определялась экспериментально путем установки в разрыв измерительной цепи еще одного кабеля такой же длины. По уменьшению амплитуды сигнала делался вывод о величине затухания. Полная погрешность измерений в работе не превышала 10%.
Электронный пучок и рентгеновское излучение
Сильноточные наносекундные генераторы находят широкое применение в различных областях науки и техники. Они применяются при исследовании сверхбыстрых процессов в плазме, при электрическом взрыве проводников, при изучении электрических разрядов в твердых, жидких и газообразных диэлектриках, для накачки газовых и твердотельных лазеров [35-40]. В ядерной физике такие генераторы используются в искровых и стримерных камерах [41]. Короткие импульсы используются в радиолокации для определения расстояния до цели [42].
Очень широк спектр применения сильноточных наносекундных ускорителей электронов, которые используются для генерирования мощных импульсов электромагнитного излучения, такого, как рентгеновское, лазерное и СВЧ. Такие ускорители используются также в медицине и пищевой промышленности для стерилизации, очистки воздуха и воды от вредных примесей, создании медицинских рентгеновских аппаратов, модификации свойств материалов, в биологии, геологии, минералогии и т.д. [43-52].
Несмотря на относительно небольшой промежуток времени, прошедший с момента появления первых SOS-генераторов (1996 г.), они уже также получили широкое применение в различных исследовательских центрах в России и за рубежом. Круг вопросов, решаемых в настоящее время при их использовании, охватывает следующие области электрофизического эксперимента и его технологических приложений: генерирование частотных сильноточных электронных пучков [53-55] для радиационно-химической стерилизации [56], очистки и дезинфекции воды [57] и генерации озона [58], дефектоскопия и медицинская рентгеновская техника [59-61], накачка газовых лазеров [62-64], ионизация воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей [65], генерация микроволнового излучения [66-68] и др.
Генератор S-5N, описываемый в данной работе, является на сегодняшний день самым мощным генератором, разработанным на основе SOS-подхода. Разработка генератора была завершена в 1999 г. К настоящему времени генератор прошел испытания при его применении в следующих областях электрофизики: зажигание стримерных коронных разрядов большого объема в воздухе, генерация мощного микроволнового излучения, генерация мощного электронного пучка и рентгеновского излучения. 3.1. Стримерный коронный разряд.
Одним из перспективных направлений применения мощной импульсной техники является развитие на ее базе различных экологических технологий, в частности, технологии очистки газообразных отходов промышленных предприятий от токсичных примесей. Основой подобных технологий является ионизация газа электронными пучками и/или электрическими разрядами. В ионизованных отходящих газах протекают плазмохимические процессы связывания или разложения токсичных молекул с образованием в качестве конечного продукта нетоксичных соединений.
Для ионизации отходящих газов и удаления примесей из них используется электрический разряд в виде импульсной стримерной короны. Обычно этот разряд зажигается в коаксиальной геометрии электродов - центральный электрод в виде нити натянут по оси металлического заземленного цилиндра. Генератор наносекундных импульсов подключается к нитевидному электроду. С помощью такой конструкции проводится очистка дымовых газов от оксидов серы и азота на ТЭЦ [69], ведутся исследования по очистке выхлопных газов от оксидов азота, очистке воздуха от летучих органических соединений, генерации озона, разрабатываются новые плазмохимические технологии [70].
По сравнению с электронными пучками применение импульсных разрядов приводит к повышению затрат энергии на удаление токсичных примесей, однако в ряде случаев это может компенсироваться рядом преимуществ. Основными из них являются простота устройства и отсутствие сопутствующего тормозного излучения. Кроме того, использование высоковольтных генераторов для питания стримерного коронного разряда позволяет с достаточной степенью однородности ионизовать большие газовые объемы. Это особенно ценно при очистке дымовых газов на ТЭЦ с расходами в несколько тысяч кубических метров в час.
Генератор S-5N использовался нами в экспериментах по зажиганию стримерных коронных разрядов большого объема в атмосферном воздухе [71]. В первом случае напряжение подавалось на уединенный проволочный электрод диаметром 1 мм и длиной 6 метров (см. рис. 3.1). При частоте следования импульсов 500 Гц амплитуда напряжения на проволоке составляла 620 кВ, средняя мощность, вводимая в разряд - 22 кВт. В другом варианте разрядный промежуток был образован металлической заземленной плоскостью и полой полусферой с острой кромкой. Диаметр полусферы - 30 см. Расстояние между кромкой полусферы и плоскостью - 70 см. Получены следующие параметры разряда (рис. 3.2): амплитуда напряжения - 760 кВ, ток разряда -1.4 кА, импульсная мощность - 1 ГВт, длительность импульса на полувысоте - 56 не, энергия, вводимая в разряд за 1 импульс - 45 Дж, частота следования импульсов - 500 Гц. 3.2. Мощные СВЧ- устройства.
С начала 80-х годов работы по совершенствованию наносекундных сильноточных электронных ускорителей позволили создать релятивистские СВЧ- генераторы импульсно-периодического действия [72]. Среди них наиболее мощными являются релятивистские лампы обратной волны (ЛОВ) миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн. Режим работы этих приборов с частотой повторения до сотен герц стал доступен, когда для высоковольтных генераторов на основе формирующих линий были разработаны эффективные зарядные устройства и найдены условия стабильной работы газовых разрядников.
