Делитель напряжения преимущественно на выводах индуктора линейного индукционного ускорителя

 

ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ЙА ВЫВОДАХ ИНДУКТОРА ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ, содержащий заполненный электролитом герметичный трубчатый корпус из изоляционного материала и три параллельных электрода, из которь1х первыйи второй расположены у торцов корпуса. ВСЕСОЮЗНА «А iUTEHTHti- i| TSXiMiMRffHAa MMMfHU а третий размещен -внутри корпуса в окрестности второго злектрода, о тличающийся тем, что, с цельТо повьшения точности деления и надежности работы путем увеличения стабильности сопротивлений плеч, а также расширения функциональных возможностей за счет одновременного снятия двух низковольтных сигналов, в корпус в окрестность первого злектрода параллельно ему введен четвертый электрод, причем корпус между вторым и третьим, а также между первым и четвертым электродами выполнен со ступенчатым увеличением внутреннего диаметра и расстоянием между указанными сочетаниями электродов, меньшим (Л глубины скин-слоя на частоте измеряемого напряжения, диаметры электродов выбраны равными по меньшей мере увеличенному внутреннему диаметру корпуса, а третий ичетвертый электроды установлены на уступах корпуса.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„,108 132 А

4(5!) G 01 R 15/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЮСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3504072/18-21 (22) 19. 10. 82 (46) 15.02.85. Бюл. Ф 6 (72) В.Ф. Букаров, А.И. Герасимов и Е.Г. Дубинов (53) 621.317.7(088.8) (56) 1. !Казача В.И.: и др. О применении радиальных линий в импульсных ускорителях, "ЖТФ", 1976, т. 46, 9 7, с. 1477.

2. Пеллинен Д. и gpss Надежный делитель напряжения мегавольтного диапазона — ."Приборы для научных исследований", 1972, т, 43, К- 2, с. 123 (прототип). (54)(57) ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО НА ВЫВОДАХ ИНДУКТОРА ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ, содержащий заполненный электролитом герметичный трубчатый корпус из изоляционного материала и три параллельI ных электрода, из которых первый и второй расположены у торцов корпуса, а третий размещен внутри корпуса в окрестности второго электрода, о тл и ч а ю шийся тем, что, с цель10 повышения точности деления и надежности работы путем увеличения стабильности сопротивлений плеч, а также расширения функциональных возможностей за счет одновременного снятия двух низковольтных сигналов, в корпус в окрестность первого электрода параллельно ему введен четвертый электрод,. причем корпус между вторым и третьим, а также между первым и четвертым электродами выполнен со ступенчатым увеличением внутреннего диаметра и расстоянием между указанными сочетаниями электродов, меньшим глубины скин-слоя на частоте измеряемого напряжения, диаметры электродов выбраны равными по меньшей мере увеличенному внутреннему диаметру корпуса, а третий и четвертый электроды установлены на уступах корпуса.

1082132

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначе-, но для использования при измерении характеристик (амплитуды, фазы, длительности) импульсного напряжения. 5

Известен делитель напряжения для измерения ускоряющего напряжения индуктора, присоединенный к торцовым электродам макета индуктора и содержащий, в частности, высоковольтное и низковольтное плечи, выполненные соответственно на высокоомном и низкоомном резисторах, первый из которого размещен в области ускорения индуктора1.13.

Известный делитель позволяет измерять напряжение с амплитудой до десятков киловольт, так как характеризуется возможностью изменения в больших пределах отношения величин сопротивлений плеч. Однако ему свойственна низкая надежность работы, вызванная в основном мглой электропрочностью и большой индуктивностью примененных резисторов. Делитель на основе промышленных резисторов для измерения напряжения с амплитудой в сотни киловольт представляет собой громоздкое устройство, которое практически невозможно выполнить с переходной характеристикой в единицы наносекунд. Сигнал с низковольтного плеча делителя передается к регистратору только по одному кабельному каналу. Из-за низкой надежности делителя, большого времени нарастания и З5 одноканальной регистрации невозможно по одному или нескольким включениям индуктора достоверно судить о правильности его работы. Поэтому для достоверности измерений необходи-40 ма определенная их статистика с изменением режимов работы индуктора.

Для проверки нормальной работоспособности только низковольтнбго плеча делителя напряжения элементов пере- 45 дающего сигнала тракта или регистратора требуется значительное дополнительное число запусков индуктора. с последовательными заменами перечисленных элементов и узлов заведомо S0 исправным. Указанные факторы увеличивают общее время измерений.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является делитель напряжения на выводах ин- у дуктора линейного индукционного ускорителя, содержащий заполненный электролитом герметичный трубчатый корпус .из изоляционного материала и три параллельных электрода, из которых первый и второй расположены у торцов корпуса, а третий размещен внутри корпуса в окрестности второго электрода j 2 3. Делитель подключен первым электродом к катоду электронной пушки ускорителя прямого действия, вторым электродом— к шине заземления, а с третьего электрода снимается сигнал для регистрации при измерении импульсного напряжения с амплитудой до 1,8 МВ.

Недостатком указанного устройства являются низкие точность деления и надежность работы, а также большая габаритная длина всего устройства, что .связано со значительным расстоянием между вторым и треть им электродами. Это расстояние выбирается большим, чтобы возникающие при электролизе и взаимодействии электролита с материалами твердые продукты и окислы, осаждающиеся на электродах, не уменьшали эффективную длину электролита между вторым и третьим электродами, не изменяли коэффициент деления, а также не замыкали зазор между этими электродами.

Кроме того, увеличенное расстояние необходимо для снижения влияния на него изменения температуры окружающей среды из-за разных коэффициентов температурного изменения изоляторов и металлов, а также для упрощения изготовления путем увеличения допусков.-Большое расстояние между вторым и третьим электродами уменьшает отношение плеч делителя до 50:1, в связи с чем на низковольтном плече возникает высокое импульсное напряжение (1,8 МВ/50 = Зб кВ). При требуемой для скоростных осциллографов амплитуде сигнала 1 кВ приходится устанавливать еще один делитель из .

19 штук серийных резисторов с отношением плеч примерно б0:1 (1535:25 Ом) °

В совокупности понижается точность амплитудных и временных измерений (из-за увеличения индуктивностей и емкостей рассеяния элементов всего устройства), особенно импульсов с нано- и субнаносекундным фронтом, уменьшается надежность устройства из-за многоэлементности и наличия лишь одного низковольтного плеча, наиболее часто теряющего нормальную работоспособность. Кроме того, сз1082132 щественно увеличивается габаритная длина устройства, усложняется его конструкция.

Потребностью настоящего времени является измерение характеристик ускоряющего напряжения не в моделях и макетах, а в натуральных мощных громоздких индукторах, накоиитель каждого из которых заряжается до

500 кВ и более при общей длине об- <0 ласти ускорения индуктора менее

150 мм. Такие измерения позволяют достоверно судить о степени моноэнергетичности пучка частиц, о вольтамперных характеристиках индуктора, 15 форме импульса ускоряемого тока, о электропрочности и т.д. Многоэлементные натурные индукторы срабатывают с большой скважностью при минимальном числе их запусков для измере- 2G ний в связи с ограниченным ресурсом работы. Поэтому существенным являетga повышение точности измерений ха" рактеристик ускоряющего напряжения индуктора и надежности работы измери- 25 тельной аппаратуры, а также увеличение ее информативности при каждом включении индуктора.

Целью изобретения является повышение точности деленная и надежности работы делителя напряжения путем увеличения стабильности сопротивлений плеч, а также расширение функциональ. ных возможностей за счет одновременного снятия двух низковольтных сиг- 35 н алов.

Поставленная цель достигается тем, что делитель напряжения, содержащий заполненный электролитом герметичный 4С .Ъ трубчатый корпус из изоляционного материала и три параллельных элект-. рода, из которых первый и второй расположены у торцов корпуса, а третий размещен. внутри корпуса в окрест-45 ности второго электрода, в корпус в окрестность первого электрода параллельно ему введен четвертый электрод, причем корпус между вторым и третьим, а также между первым .и четвертым электродами выполнен со ступенчатым увеличением внутреннего диаметра и расстоянием между указанными сочетаниями электродов меньшим глубины скин-слоя на частоте измеряемого напряжения,диаметры электродов выбраны равными, по меньшей мере, увеличенному внутреннему диаметру корпуса, а третий и четвертый электроды установлены на уступах корпуса.

На чертеже представлена конструкция предложенного делителя напряжения.

Герметичный трубчатый корпус 1 из изоляционного материала, в частности из полиэтилена, имеет ступенчатые увеличения, например в 5 раз внутреннего диаметра около обоих его торцов по сравнению с внутренним диаметром полости в средней части корпуса 1.

У торцов корпуса 1 расположены электроды 2 и 3 (соответственно первый и второй). Электроды 4 и 5 (соответственно третий и четвертый) размещены внутри. корпуса 1 на его уступах, примыкая своими поверхностями к поверхностям уступов. Диаметры электродов 2, 3, 4 и 5 равны ступенчато увеличенному внутреннему диаметру корпуса 1 у его торцов. Полость между электродами 2 и 3 заполнена электролитом, например водным раствором медного купороса, а поверхности электродов 2, 3, 4 и 5, контактирующие с электролитом, выполнены взаимно параллельными. Объемы электролитов между электродами 2 и 5, 5 и 4, 4 и 3 сообщаются между собой, например через отверстия в электродах 4 и 5, на чертеже не показанные.

Толщина слоя электролита между элект— родами 2 и 5, 4 и 3 меньше глубины скин-слоя на частоте измеряемого напряжения. От электродов 4 и 5 сделаны стержневые выводы б и 7 через изоляторы 8 и 9 к отрезкам кабелей

10 и 11, подключенным к регистраторам 12 и 13, например осциллографам.

Делитель размещен по оси области ускорения индуктора линейного индукционного ускоритеЛя и электродами

2 и 3 присоединен посредством плоских дисковых проводников 14 и 15 к заземленным торцовым фланцам 16 и

17 индуктора. Фланцы 16 и 17 совместно с другими элементами индуктора образуют тороидальную прямоугольного сечения полость индуктора, в которой размещен высоковольтный дисковый электрод 18 накопителя индуктора и кольцевой коммутатор 19, например в виде газонаполненных тригатронов.

Полость индуктора заполнена эффективным диэле.ктриком, в частности водой, Работает делитель напряжения следующим .образом. При включении комl

1082132

%Ю-П) 2с (1) 45 где с — скорость света в пустоте .

Подставив в -(1) величины =,2,3, В =Ю 75а, D =15 ae3-10 см/с, получим t = 0,15 нс. 50

При толстой прослойке электролита между поверхностями уступа и электродов зто време возросло бм в 1Гз(В х, 6 раз. Выполнение диаметров электродов 2, 3, 4 и 5 равными. ступенчато 55 увеличенному внутреннему диаметру корпуса 1 у его торцов способствуеет уменьшению времени t и выполнению мутатора 19 индуктора генерируется в области его ускорения между проводниками 14 и 15 импульсное напря.жение с чередующейся полярностью. типичная длительность первого (из 5 серии) импульса составляет 10-30 нс.

При общей величине сопротивления делителя много больше внутреннего импенданса индуктора амплитуда им пульса напряжения близка к разности потенциалов зарядки индуктора и обычно составляет 500 кВ и более. Cosданное импульсное напряжение прикладывается к делителю между его элект-родами 2 и 3, причем оба они отно- 15 сительно наружных поверхностей заземленных фланцев 16 и 17 находятся под нулевым потенциалом, а указанная . разность потенциалов возникает только в области ускорения между внут- 20 .ренними поверхностями проводников 14 и 15. Через электролит делителя на чинает течь ток, причем в местах перехода его с высоковольтного плеча между .электродами 4 и 5 на низковольтные плечи соответственно между электродами 2 и 5, 3 и 4 время t пробега электромагнитной волны составляет незначительную величину

as-за примыкания поверхностей элект- ЗО родов 4 и 5 к поверхностям уступов корпуса 1, диэлектрическая постоянная E которого много меньше ди4 электрической постоянной E электролита (для корпуса 1 иэ полиэтилена K = 2,.3, для водяного раствора электролита Еэ = 81, т.е. E+c< Es ), При типичном размере диаметра D< =

15 мм столба электролита между электродами 4 и 5 и ступенчатом о увеличении внутреннего диаметра корпуса 1 в 5 раз, т.е. D> = 5 D<, время пробега составит максимально возможного расстояния между электродами 2 и 5, 3 и 4, что стабилизирует величину сопротивления низковольтных плеч. Так как расстояние 2 между электродами 2 и 5

3 и 4 выбрано меньшим, например в

10 и более раз глубины д"скин-слоя на частоте f измеряемого напряжения, то между указанными сочетаниями электродов устанавливается равномерная плотность тока по поперечному сечению электролита за характерное время t О, 15 .нс. Глубина d"îïðåäåëÿется иэ соотношения (2) где р — величина удельного сопротивления электролита, некритичная по отношению к размерам делителя напряжения.

Варьированием значения у легко обеспечить l, (d или 2 С(о", При протекании через электролит тока под действием возбужденной ин; дуктором разности потенциалов на обоих низковольтных плечах делителя выделяется напряжение сигнала, уменьшенное по амплитуде в сотни и более раэ по сравнению с общей разностью потенциалов. Эти сигналы передаются по независимым кабелям

10 и 11 к регистраторам 12 и 13.

Если в автономных трактах регистрации зафиксированы идентичные по амплитуде, форме и длительности сигналы с обоих низковольтных противоположно размещенных плеч, то это позволяет достоверно судить о работе делителя и генератора напряжения даже за одиночное их срабатывание.

В связи с этим можно исключить добавочные запуски источника (индуктора) или существенно снизить их число и тем самым сократить общее время измеренйй.

Предложенное техническое решение обеспечивает повышение точности измерения параметров импульсного напряI жения (амплитуды, длительностей фронта и среза, формы импульса), благода" ря возрастанию стабильности величины активного. сопротивления обоих низковольтных плеч делителя, образованных соответственно между электродами 3 и 4, 5 и 2. Ступенчатое увеличение внутреннего диаметра корпуса 1 позволяет увеличить толщину слоя электро1082132 лита в низковольтных плечах и умень-. шить тем самым относительный вклад в снижение толщины электролита осаждающихся на поверхностях электродов продуктов электролиза и реакции по- 5 верхностей с электролитом, что стабилизирует эффективную длину столба электролита в низковольтных плечах и поддерживает постоянным коэффициент деления делителя напряжения.

Кроме того, уменьшается вероятность перемывания электродов в низковольтных плечах мостиками из образующих продуктов электролиза и твердых частиц окислов. Увеличение расстояний 15 между электродами 3 и 4, 5 и 2 уменьшает влияние на расстоянии изменения

1 геометрических размеров элементов делителя из-за разных коэффициентов температурного изменения изоляторов 20 и металлов, а также позволяет отказаться от дополнительных делителей сигналов с низковольтных плеч. Выполнение расстояния между укаэанными электродами меньше глубины скин-слоя 2 на частоте измеряемого напряжения обеспечивает- быстрое установление равномерной плотности тока по поперечному сечению электролита в низковольтных плечах. Осуществление ди- 30 аметров электродов, по меньшей мере, равным внутреннему диаметру корпуса в его частях со ступенчатым увеличением диаметра и размещение электродов 4 и 5 на уступах корпуса способствует быстрому переходу тока .с высоковольтного плеча делителя в оба низковольтных плеча. Все перечисленные выше факторы повышают точность амплитудных:и временных измерений импульсных. напряжений при уменьшенном времени нарастания. Одновременно повышается надежность измерений, поскольку повышается электропрочность низковольтных плеч делителя напряжения. При каждом приложении к нему входного напряжения сигналы снимаются одновременно с двух автономных низковольтных плеч, расположенных у торцов корпуlса 1, причем сигналы могут передаваться затем к раздельным регистраторам. Идентичность параметров сигналов с противоположно расположенных плеч повышает информативность при каждом импульсном измерении, позволяет достоверно судить об исправности самих плеч и трактов регистра- ции и исключить добавочные срабатывания контролируемого источника импульсного напряжения, например индук- тора линейного индукционного ускорителя. Сокращение числа циклов измерений уменьшает трудоемкость измерений и повышает оперативность получения данных о работе источника напряжения.

1082132

Корректор И. Эрдейи

Редактор П. Горькова Техред С.Цигунова

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Увгород, ул. Проектная, 4

Заказ 314/2 Тирам 748

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5