Формирователь высоковольтных импульсов

 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в генераторах и ускорителях на основе линий с распределенными параметрами. Цель изобретения - повышение мощности формирователя и укорочение длительности импульса. Формирователь содержит генератор 1, закороченную на выходе линию 2, разомкнутую на выходе линию 3, нагрузку 4, коммутаторы 8 и 10, передающую линию 9. Введение n однородных линий 5, выходы которых закорочены, а входы включены в последовательную цепь с входами закороченной 2 и разомкнутой 3 линий, позволяет мощности на согласованной нагрузке возрасти в 4 раза, а длительности импульса сократиться в 4 раза. 2 ил.

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в генераторах и ускорителях на основе линий с распределенными параметрами. Целью изобретения является повышение мощности формирователя и укорочение длительности импульса. На фиг. 1 приведена схема формирователя; на фиг.2 показан вариант выполнения с генератором на основе двойной формирующей линии (ДФЛ). К выходу генератора 1 подключена последовательная цепь из входа закороченной на выходе линии 2 из входа разомкнутой на выходе линии 3 с клеммами для подключения нагрузки 4 и входов n дополнительных замкнутых на выходе линий 5. Вход каждой последующей дополнительной линии подключен к выходу предыдущей линии, ДФЛ образована двумя линиями 6 и 7 с волновым сопротивлением ρ и электрической длиной t_o, на входе последней установлен коммутатор 8. Формирователь содержит передающую линию 9 произвольной длины τ_u и с волновым сопротивлением 2ρ и коммутатор 10, который служит для подключения нагрузки 4 к выходным клеммам линии 3. Доказательство достижения цели изобретения приведено в виде анализа происходящих в схеме процессов. В момент времени t 0 от генератора однополярных импульсов приходит волна +V (передний фронт импульса генератора), которая в разомкнутой линии 3 возбуждает волну а в первой дополнительной линии волну К выходу генератора волна не отражается, так как сумма волновых сопротивлений разомкнутой линии 3 и первой дополнительной линии равна выходному сопротивлению генератора. В момент времени t = τ_o в линии 3 волна V/n+2 отражается с коэффициентом +1 от разомкнутого конца, при этом напряжение на нем становится равным 2V/n+2. В первой дополнительной линии волна отражается с коэффициентом от места соединения с второй дополнительной линией и в отрезок времени (1-2)τ_o распространяется в направлении к генератору с амплитудой Во вторую дополнительную линию проходит волна В момент времени t = 2τ_o эта волна отражается от места соединения с третьей дополнительной линией с коэффициентом и в отрезок времени (2-3)τ_o распространяется по второй дополнительной линии в сторону генератора с амплитудой
В момент времени t = 2τ_o на выход передающей линии 9 приходят две волны одинаковой амплитуды, но разной полярности: V/n+2 по разомкнутой линии 3 и -V/n+2 по первой дополнительной линии. При прохождении в передающую линию 9 эти волны взаимно компенсируют друг друга. В линии 3 сумма отраженной волны и прошедшей из первой дополнительной линии волны равна

В первой дополнительной линии сумма отраженной и прошедшей из разомкнутой линии 3 волн равна

Знак минус перед прошедшей волной объясняется поворотом волны при переходе из линии 3 в первую дополнительную линию (или наоборот) на 180^o, в результате чего изменяется ее полярность, то есть в результате суперпозиции на выходе передающей линии 9 двух волн одинаковой амплитуды, по разной полярности, пришедших по линиям 3 и первой дополнительной, в этих линиях в следующий отрезок времени τ_o распространяются волны той же амплитуды и полярности, но в обратном направлении. В третью дополнительную линию в момент времени t = 2τ_o идет волна

В момент времени t = 3τ_o в разомкнутой линии 3 волна V/n+2 снова отражается от разомкнутого конца (напряжение на котором вырастает до 4V/n+2) и распространяется к выходу передающей линии 9, волна V(n-1)/n+2 из третьей дополнительной линии идет в четвертую с амплитудой

в третью отражается с амплитудой

в месте соединения первой и второй дополнительных линий встречаются две волны одинаковой амплитуды и полярности -V/n+2 и -V/n+2. Сумма отраженной и прошедшей волн в каждой линии будет

для второй дополнительной линии и

для первой дополнительной линии, то есть суммарная волна в каждой линии имеет такую же амплитуду и полярность, что и у волны в предыдущий отрезок времени в этой линии, но обратную направленность. Так как величина и полярность суммарной волны не зависят от волновых сопротивлений линий, то рассмотренный волновой процесс справедлив для любой пары линий. Формально можно считать, что волны в линиях лишь меняют направление на противоположное. В момент времени t = 4τ_o на выходе передающей линии 9 вновь встречаются две волны: V/n+2 из линии 3 и -V/n+2 из первой дополнительной линии, а в месте соединения второй и третьей дополнительных линий волны -V/n+2 и -V/n+2. Волновые процессы аналогичны рассмотренным выше: для первого случая в момент времени t = 2τ_o, для второго в момент времени t = 3τ_o. В пятую дополнительную линию идет волна
,
а в четвертую отражается волна
. В момент времени t = (i-1)τ_o в i-ю линию идет волна

в направлении от генератора, представляющая собой передний фронт импульса генератора, в (i-1)-й линии волна

отразившаяся в (i-1)-ю линию при прохождении передним фронтом импульса генератора места соединения (i-1)-й и i-й дополнительных линий. Таким образом, при прохождении переднего фронта импульса генератора по дополнительным линиям линии заряжаются до напряжения (n+2-i) V/n+2, то есть до напряжения, отличающегося в соседних линиях на V/n+2. За передним фронтом в каждой из линий распространяются волны разрядки одинаковой амплитуды и полярности -V/n+2. В силу указанных выше причин можно считать, что через каждый отрезок времени τ_o эти волны меняют направление на противоположное, то есть дополнительные линии разряжаются ступенчатым образом с шагом по времени τ_o и по амплитуде V/n+2. В то же время волна V/n+2 в линии 3, также через каждый отрезок времени τ_o меняющая свое направление на обратное, заряжает эту линию ступенчатым образом с шагом по времени τ_o и по амплитуде V/n+2, соответственно напряжение на конце линии растет через каждые 2τ_o, начиная с момента времени t = τ_o на 2V/n+2. В момент времени t = nτ_o в закороченную линию 2 волна зарядки (n+2)-(n+1))V/n+2 V/n+2. В момент времени t = (n+1)τ_o она отражается от закоротки с коэффициентом 1 и в момент времени t = (n+2)τ_o в месте соединения n-й дополнительной линии и линии 2 встречается с волной -V/n+2. Так как обе волны имеют одинаковую амплитуду и полярность, то в следующий отрезок времени τ(n+2)-(n+3)]τ_o в n-й и в линии 2 распространяются такие же волны, но в обратном направлении. В линии 2 волна вновь отражается от закоротки с коэффициентом -1 и в момент времени t = (n+4)τ_o в месте соединения линии 2 и n-й дополнительной встречается с волной -V/n+2. При этом линия 2 оказывается разряженной, а линия n перезаряженной до напряжения

Заметим, что в любой момент времени t = iτ_o дополнительные линии за передним фронтом волны генератора заряжены до одинакового напряжения, напряжение в k-й линии в момент времени t = iτ_o равно

то есть все предыдущие линии с номером меньше i к моменту времени t = iτ_o успевают разрядиться до напряжения, равного напряжению зарядки i-й линии. Значит, к моменту времени t = nτ_o все дополнительные линии заряжены до напряжения V/n+2, а начиная с момента времени t = (n+1)τ_o, перезаряжаются до напряжения с обратным знаком, возрастающим по амплитуде на V/n+2 через каждый отрезок времени τ_o. В момент времени t = (n+4)τ_o в линию 2 идут отраженная волна

и прошедшая из n-й линии волна
,
которые взаимно компенсируют друг друга, а в n-ю линию идет волна (также являющаяся суперпозицией отраженной и прошедшей волн)
которая линию i=n разряжает до нуля к моменту времени t = (n+5)τ_o. В момент времени t = (n+5)τ_o эта волна в месте соединения n-й и (n=1)-й линий встречается с волной V/n+2. В линии i n отраженная волна

и прошедшая из (n-1)-й линии

взаимно компенсируют друг друга, в (n-1)-1 линии суммарная волна (отраженная плюс прошедшая из n-й линии) равна

К моменту времени t = (n+5)τ_o напряжение в (n-1)-й линии равно напряжению зарядки в момент времени t = (n-1)τ_o минус суммарное напряжение разрядки с момента времени t = (n-1)τ_o до t = (n+5)τ_o, то есть равно

значит волна 3V/n+2 в отрезок времени (n+5)τ_o- (n+6)τ_o разряжает (n-1)-ю линию до нуля. Таким образом, с момента времени t = (n+3)τ_o в сторону генератора от закоротки по дополнительным линиям начинает распространяться волна, которая в каждой последующей линии увеличивает амплитуду на V/n+2 и разряжает эту линию до нуля (ток в этой линии также становится равным нулю, чем завершается отбор энергии из линий с i > n). Заметим, что эта волна в каждой из рассмотренных линий равна по амплитуде и полярности волне, определяемой передним фронтом импульса генератора при распространении в направлении от генератора, то есть можно представить в виде (n+2-i) V/n+2. что совпадает с волнами для линий 2, n-й, (n-1)-й. В i-й линии с момента времени t = [(n+4)+(n+i)]τ_o= (2n+4-i)τ_o в направлении к генератору распространяется волна (n+2-i) V/n+2. В момент времени t = (2n+5-i)τ_o она в месте соединения i=й и (i-1)-й линий встречаются с волной -V/n+2, после чего в i-1 линии сумма отраженной и прошедшей волн равна
,
а в (i-1)-й распространяется волна

то есть амплитуда этой волны на величину V/n+2 больше амплитуды волны в i-й линии. К моменту времени t = (2n+5-i)τ_o (i-1)-я линия оказывается заряженной до напряжения, равного напряжению первоначальной зарядки в момент времени t = (i-1)τ_o минус напряжение, созданное волнами разрядки -V/n+2 в течение времени от (i-1)τ_o до (2n+5-i)τ_o

то есть напряжения
,
значит, волна (n+3-i) V/n+2 разряжает эту линию до нуля. К моменту времени t = (n+3+n)τ_o во второй дополнительной линии в направлении генератора распространяется волна , разряжая эту линию до нуля. В дополнительных линиях с номером больше двух энергия отсутствует. В первой дополнительной линии в направлении от генератора распространяется волна -V/n+2, в разомкнутой линии 3 к разомкнутому концу волна +V/n+2. Напряжение на разомкнутом конце линии 3 достигает в момент времени t = (2n+3)τ_o величины
. Выше указывалось, что, начиная с момента времени t = τ_o напряжение на разомкнутом конце линии 3 через каждые 2τ_o возрастает на величину 2V/n+2. При включении в этот момент времени согласованной нагрузки R_н R_{вых.ген.}/n+2 от нее в линию 3 идет волна разрядки -V, которая в сумме с отраженной волной V/n+2 дает волну . К моменту времени t = (2n-4)τ_o эта волна приходит к входу передающей линии 9. В результате суперпозиции волн из второй дополнительной линии и -V/2+n из первой дополнительной линии в последней к моменту времени t = (2n+4)τ_o распространяется волна
,
разряжая эту линию до нуля. (Во второй дополнительной линии аналогично ранее рассмотренным процессом отражения и прошедшая волны взаимно компенсируют друг друга). По передающей линии 9 к моменту времени t = (2n+4)τ_o к ее выходу распространяется волна -V, являющаяся задним фронтом импульса генератора. Суперпозиция этих трех волн, встречающихся на выходе передающей линии 9, дает в линии 9

в первой дополнительной линии

в разомкнутой линии 3

которая в момент времени t = (2n+5)τ_o обращает напряжения на нагрузке в ноль. Таким образом, на согласованной нагрузке в течение отрезка времени (2n+3)τ_o-(2n+3)τ_o формируется импульс напряжения амплитудой V, равной амплитуде импульса генератора, длительностью 2τ_o, то есть в (2n+4)τ_o/2τ_o= (n+2) раза короче длительности импульса генератора. Формировать работает следующим образом. В момент времени t 0, когда зарядное напряжение достигает требуемой величины V, срабатывает коммутатор 8, возбуждая в линии 2 волну зарядки -V. В момент времени t = τ_o эта волна вызывает в передающей линии 9 волны зарядки -V, в линии 6 волну разрядки V/2, а в линию 7 отражается волна -V/2. После отражения от входных концов линии (в линии 6 с коэффициентом +1, в линии 7 с коэффициентом -1) волны в момент времени 3τ_o суммируются на выходе ДФЛ, возбуждая в передающей линии волну +V. Пришедшая в момент времени t_o= τ_o+ τ_u на выход передающей линии 9 волна +V возбуждает в линии 3 и первой дополнительной линии 5 волны -V/4 и -3/4V соответственно. В момент времени t = t_o+τ_o/4 в линии 3 волна -V/4 отражается от разомкнутого конца с коэффициентом +1, при этом на нем появляется напряжение -V/2, в первой дополнительной линии 5 волна -3/4V отражается с коэффициентом -1/3, а во второй дополнительной линии 5 идет с коэффициентом прохождения 2/3. К моменту времени t = t_o+τ_o/2 в линии 3 к выходу передающей линии 9 идет волна -V/4, в первой дополнительной линии 5 волна V/4. В момент времени t = t_o+τ_o/2 при прохождении в передающую линию 9 волны взаимно компенсируют друг друга, в линии 3 сумма пришедшей и отраженной волн дает волну -1/4V, в первой дополнительной линии 5 волну V/4. В этом же время волна -1/2V во второй дополнительной линии 5 идет в линию 2 с амплитудой -1/4V, а во вторую дополнительную линию 5 отражается с амплитудой +1/4V. В момент времени t = t_o+3/4τ_o в линии 3 волна -1/4V отражается от разомкнутого конца, доведя напряжение на нем до -V, в первой дополнительной линии 5 сумма отраженной от нижней линии 5 и прошедшей из нее волн дает 1/4V, во второй дополнительной линии 5 сумма отраженной от второй дополнительной линии 5 и прошедшей из нее волн дает 1/4V, в линии 2 волна -V/2 отражается от закоротки с обратным знаком. В момент t = t_o+τ_o эта волна встречается в месте соединения линий 2 и 5 с волной +V/4, пришедшей по линии 5. В результате в линию 2 идет волна V/4 и во вторую дополнительную линию 5 волна V/4. В этот момент времени в передающую линию 9 волна не идет, в линию 3 идет волна -V/4, а в первую дополнительную линию 5 волна +V/4. В момент времени в линии 3 волна отражается от разомкнутого конца, доведя напряжение на нем до -3/4V, с коэффициентом +1. В месте соединения первой и второй дополнительных линий 5 встречаются волны +V/4 и -V/4 (как и в момент времени t = t_o+ 3/4τ_o и аналогично рассмотренному случаю, в обе линии идут такие же волны -V/4 и V/4. В линии 3 волна +V/4 отражается от закоротки с коэффициентом -1. В момент времени t = t_o+ 6/4τ_o в линии 2 сумма прошедшей и отраженной волн дает ноль. В момент времени t = t_o+ 7/4τ_o напряжение на линии 3 -2V. Одновременно срабатывает коммутатор 10 и подключается нагрузка 4, равная ρ/2.. При этом на ней выделяется напряжение -V, а в линию 3 идет волна +V 1/4V +3/4V. В момент времени t = t_o+ 8/4τ_o к выходу передающей линии 9 по линии 3 идет волна +3/4V, по первой дополнительной линии 5 волна -3/4V, а по передающей линии 9 волна +V (задний фронт импульса генератора). В линии 9 волны +3/4V и 3/4V взаимно компенсируют друг друга, в первой дополнительной линии 5 сумма прошедшей и отраженной волн дает ноль, а в линии 3 имеется сумма +V, которая в момент времени t = t_o+ 8/4τ_o обращает напряжение на нагрузке в ноль. При этом на нагрузке выделяется импульс напряжения амплитудой -V и длительностью τ_o/2, то есть в 4 раза короче импульса, сформированного генератором ДФЛ. Мощность на согласованной нагрузке выросла в 4 раза, длительность импульса сократилась в 4 раза.

Формула изобретения

Формирователь высоковольтных импульсов, содержащий генератор на основе линий с распределенными параметрами, линию, закороченную на выходе, и линию, разомкнутую на выходе, волновые сопротивления и электрические длины которых равны между собой, и клеммы на выходе разомкнутой линии для подключения нагрузки, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности формирования и укорочения длительности импульса, в него введены n однородных линий, выходы которых закорочены, а входы включены в последовательную цепь с входами закороченной и разомкнутой линий, подключенную к выходу генератора, при этом электрическая длина и волновые сопротивления закороченной линий выбраны из соотношений

где i=1,2.n+1 порядковый номер закороченной линии;
τ_ген длительность импульса генератора;
R_{вых.ген} выходное сопротивление генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2