Емкостный делитель импульсов высокого напряжения нано- и субнаносекундной длительности

 

ЕМКОСТНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАНО- И СУБНАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ, содержащий низкоомную коаксиальную линию, встроенную в заземленный внешний кондуктор передающей высоковольтной линии так, что ее внутренняя торцовая поверхность компланарна внутренней поверхности заземленного внешнего кондуктора передающей высоковольтной линии, и высокоомный коаксиальный соединитель, внутренний и внешний кондукторы которого соединены соответственно с внутренним и внешним кондукторами низкоомной коаксиальной линии, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента деления при сохранении верхней граничной частоты полосы пропускания делителя, низкоомная коаксиальная линия выполнена конической с усеченной вершиной, обращенной внутрь передающей высоковольтной линии.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для регистрации импульсов высокого напряжения нано- и субнаносекундной длительности, формируемых в электронных ускорителях. Известен емкостный делитель импульсов высокого напряжения нано- и субнаносекундной длительности, содержащий отрезок коаксиальной передающей высоковольтной линии, в котором между внутренним и внешним заземленным кондукторами проложена металлическая фольга, отделенная от заземленного внешнего кондуктора линии изолирующей пленкой, а во внешний заземленный кондуктор передающей высоковольтной линии встроен отрезок радиочастотного кабеля, жила которого подсоединена к фольге, а оплетка к заземленному внешнему кондуктору высоковольтной передающей линии. В известном делителе низковольтным плечом служит емкость C₁ конденсатора, образованного металлической фольгой и внешним заземленным кондуктором, а высоковольтным емкость С₂ конденсатора, образованного внутренним кондуктором передающей линии и металлической фольгой. Измерительным элементом делителя является штыревая антенна, функцию которой выполняет отрезок жилы радиочастотного кабеля, расположенный между внутренней поверхностью внешнего кондуктора передающей линии и фольгой. Такой антенно-штыревой делитель хорошо воспроизводит высокочастотные составляющие импульсов напряжения. Верхняя граничная частота полосы пропускания известного делителя в основном ограничивается индуктивностью подключения радиочастотного кабеля. Недостатком известного делителя является низкий коэффициент деления, обусловленный конструктивными особенностями делителя. Наиболее близким техническим решением к изобретению является емкостный делитель импульсов высокого напряжения нано- и субнаносекундной длительности, содержащий низкоомную коаксиальную линию, встроенную в заземленный внешний кондуктор передающей высоковольтной линии так, что ее внутренняя торцевая поверхность компланарна внутренней поверхности заземленного внешнего кондуктора высоковольтной передающей линии, и высокоомный коаксиальный соединитель, внутренний и внешний кондукторы которого соединены соответственно с внутренним и внешним кондукторами низкоомной коаксиальной линии. Недостатком известного делителя является недостаточно высокий коэффициент деления, который, хотя и значительно выше, чем у антенно-штыревого делителя, но все же недостаточен для регистрации импульсов напряжения с амплитудой ≥ 10⁶ В. Значение коэффициента деления известного делителя зависит от соотношения между длиной h и диаметром D внутреннего кондуктора низкоомной коаксиальной линии. При этом отношение h/D может быть выбрано достаточно большим, однако с увеличением h возрастает электрическая длина низкоомной коаксиальной линии и, как следствие, снимается верхняя граничная частота полосы пропускания делителя, а с уменьшением D снижается емкость C₁ низковольтного плеча делителя и возрастает нижняя граничная частота полосы пропускания делителя, определяемая постоянной времени цепи, образованной емкостью С₁ низковольтного плеча делителя и волновым сопротивлением коаксиального соединителя. Целью изобретения является повышение коэффициента деления делителя при сохранении верхней граничной частоты полосы пропускания делителя. Цель достигается тем, что в емкостном делителе импульсов высокого напряжения нано- и субнаносекундной длительности, содержащем низкоомную коаксиальную линию, встроенную в заземленный внешний кондуктор передающей высоковольтной линии так, что ее внутренняя торцевая поверхность компланарна внутренней поверхности заземленного внешнего кондуктора высоковольтной передающей линии, и коаксиальный соединитель, внутренний и внешний кондукторы которого соединены соответственно с внутренним и внешним кондукторами низкоомной коаксиальной линии, низкоомная коаксиальная линия выполнена конической с усеченной вершиной, обращенной внутрь передающей высоковольтной линии. На фиг. 1 изображен емкостный делитель импульсов высокого напряжения; на фиг. 2 эквивалентная электрическая схема делителя. Делитель содержит (фиг. 1) низкоомную коаксиальную линию с внутренним кондуктором 1 и внешним кондуктором 2, которые разделены пленкой 3 изоляционного материала, в качестве которого используется полиэтилен. Низкоомная коаксиальная линия встроена во внешний заземленный кондуктор 4 высоковольтной передающей линии. Делитель содержит также высокоомный коаксиальный соединитель с внутренним кондуктором 5 и внешним кондуктором 6. Низкоомная коаксиальная линия выполнена конической и ее усеченная вершина компланарна внутренней поверхности внешнего заземленного кондуктора 4 передающей высоковольтной линии, имеющей внутренний кондуктор 7. Внешний кондуктор 6 коаксиального соединителя является продолжением внешнего кондуктора 2 низкоомной конической коаксиальной линии, а их внутренние кондукторы 1 и 5 соединены. Делитель работает следующим образом. При передаче импульса высокого напряжения нано- и субнаносекундной длительности по высоковольтной передающей линии, образованной внутренним кондуктором 7 и заземленным внешним кондуктором 4 (фиг. 1) напряжение импульса делится в соответствии с эквивалентной схемой, представленной на фиг. 2, где: С₁ емкость конденсатора низковольтного плеча делителя, образованного внутренним кондуктором 1 низкоомной конической коаксиальной линии и заземленным внешним кондуктором 4 высоковольтной передающей линии, а С₂ емкость конденсатора высоковольтного плеча, образованного плоскостью усеченной вершины внутреннего кондуктора 1 низкоомной конической коаксиальной линии и внутренним кондуктором 7 высоковольтной передающей линии. В данной конструкции делителя в сравнении с известной емкость С₂ уменьшена, следствием чего является увеличение коэффициента деления делителя. Емкость С₁ низковольтного плеча делителя равна C₁ а емкость С₂ высоковольтного плеча делителя составляет C₂ где d, D соответственно диаметры усеченной вершины и основания внутреннего кондуктора 1 низкоомной конической коаксиальной линии; l длина образующей конического внутреннего кондуктора 1 низкоомной коаксиальной линии; σ толщина изолирующей пленки 3; ε_r относительная диэлектрическая проницаемость материала изолирующей пленки 3; r радиус заземленного внешнего кондуктора 6 высоковольтной передающей линии; ρ волновое сопротивление высоковольтной передающей линии. При этом коэффициент П_ек деления делителя может быть представлен как П_ек 1 + n_l (1) где
2 α угол при вершине низкоомной конической коаксиальной линии;
n_l коэффициент деления де- лителя-прототипа. Таким образом, коэффициент деления предлагаемого делителя примерно в 1/2 раз превышает коэффициент деления делителя-прототипа. Длину образующей l внутреннего кондуктора 1 конической коаксиальной линии выбирают из условия обеспечения требуемой верхней граничной частоты f^c_гр полосы пропускания делителя, которая с уменьшением l увеличивается. Однако при этом уменьшается емкость С₁ низковольтного плеча делителя, что приводит к снижению коэффициента деления делителя. Как следует из выражения (1) для увеличения коэффициента П_ек деления необходимо увеличивать величину D. При этом необходимо учитывать, что увеличение диаметра D основания внутреннего кондуктора 1 конической коаксиальной линии сопряжено с возможностью появления колебаний высшего типа. Поэтому при выборе величины D, также как и диаметров сечения коаксиального соединителя и передающего радиочастотного кабеля, следует ограничиться величиной порядка 10 мм. Величину D целесообразно выбирать в пределах 5-10 мм. При D < 5 мм уменьшается емкость С₁ низковольтного плеча делителя и снижается значение его коэффициента П_ек деления. При D > 10 мм коэффициент деления делителя увеличивается, но сужается его полоса пропускания. Практически диаметр D основания внутреннего кондуктора 1 конической коаксиальной линии определяется диаметром внешнего кондуктора 6 коаксиального соединителя, у которого диаметры внешнего 6 и внутреннего 5 кондукторов одинаковы с диаметрами применяемого для передачи сигнала радиочастотного кабеля. Диаметр d усеченной вершины внутреннего кондуктора 1 низкоомной конической коаксиальной линии выбирается из условия обеспечения требуемого коэффициента деления, который при прочих равных условиях больше коэффициента деления прототипа более, чем в раз. Однако с уменьшением d возрастают относительная погрешность при изготовлении делителя и погрешность при расчете емкости С₂ высоковольтного плеча делителя коэффициента П_ек деления делителя. Если погрешность в определении коэффициента деления делителя ограничить единицами процентов и учесть, что d >> δ, где δ толщина изолирующей пленки 3, то допустимый минимальный размер d составит примерно 1 мм. Исходя из этого, диаметр D основания и диаметр d усеченной вершины внутреннего кондуктора 1 низкоомной конической коаксиальной линии наиболее целесообразно выбирать из условия
1< ≅ 10 при этом сохраняется значение верхней граничной частоты f^в_гр полосы пропускания делителя, а коэффициент П_ек деления делителя по сравнению с прототипом повышается более, чем на порядок. Таким образом, выполнение низкоомной коаксиальной линии конической с усеченной вершиной, обращенной внутрь передающей высоковольтной линии, позволяет снизить емкость высоковольтного плеча делителя и тем самым существенно повысить коэффициент деления делителя, причем при сохранении верхней граничной частоты полосы пропускания делителя, что расширяет функциональные возможности делителя, так как обеспечивает возможность измерения импульсов нано- и субнаносекундной длительности более высокого напряжения.

Формула изобретения

ЕМКОСТНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАНО- И СУБНАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ, содержащий низкоомную коаксиальную линию, встроенную в заземленный внешний кондуктор передающей высоковольтной линии так, что ее внутренняя торцовая поверхность компланарна внутренней поверхности заземленного внешнего кондуктора передающей высоковольтной линии, и высокоомный коаксиальный соединитель, внутренний и внешний кондукторы которого соединены соответственно с внутренним и внешним кондукторами низкоомной коаксиальной линии, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента деления при сохранении верхней граничной частоты полосы пропускания делителя, низкоомная коаксиальная линия выполнена конической с усеченной вершиной, обращенной внутрь передающей высоковольтной линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---