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, линию 3, разомкнутую на выходе, нагрузку 4, коммутаторы 8 и 10 и передающую линию 9. Введение n однородных линий 5, входы которых, начиная со второго, подключены к выходу передающей, позволяет генератору 1 при сохранении амплитуды импульса уменьшить длительность в 8 раз и соответственно в 8 раз повысить ток и выделяющую на нагрузке 4 мощность. 2 ил.

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в генераторах и усилителях на основе линий с распределенными параметрами. Целью изобретения является повышение мощности формирователя и укорочение длительности импульса. На фиг. 1 представлена схема формирователя импульсов; на фиг. 2 показан пример выполнения формирователя с генератором на двойной формирующей линии (ДФЛ). К выходу генератора 1 подключена последовательная цепь из входов закороченной линии 2, разомкнутой линии 3 с клеммами для подключения нагрузки 4 и n дополнительных однородных линий 5. ДФЛ состоит из линий 6 и 7 с электрической длиной τ_o и волновым сопротивлением ρ, во входном зазоре линии 7 установлен коммутатор 8, на выходе ДФЛ установлена передающая линия 9 с произвольной длиной t_n и волновым сопротивлением 2ρ. Коммутатор 10 служит для подключения нагрузки к выходным клеммам разомкнутой линии 3. Очевидно, что полный отбор энергии из линии разной электрической длины не может быть произведен за время, меньшее удвоенной электрической длины самой короткой линии. Поэтому волновые сопротивления и электрические длины всех линий подобраны так, что в закороченных линиях волновые процессы повторяются с периодом, вдвое большим для каждой последующей линии по сравнению с предыдущей, то есть эти линии периодически заряжаются и разряжаются, в то время как в разомкнутой линии 3 происходит накопление энергии. За время t_n+1, равное пробегу по линии 3, до прихода заднего фронта импульса генератора подключается нагрузка, и к моменту прихода заднего фронта во всех закороченных линиях завершается процесс разрядки, волны в них приобретают такую величину и знак, что суперпозиция этих волн, волны, пришедшей по линии 3, и волны, определяемой задним фронтом, в каждой линии, кроме линии 3, будет нулевой. Прошедшая в линию 3 волна разряжает ее до нуля, при этом на нагрузке формируется импульс напряжения амплитудой, равной амплитуде импульса генератора, и длительность в 2ⁿ⁺¹ раза короче длительности импульса генератора. Доказательства возможности достижения положительного эффекта при осуществлении изобретения приведены в виде аналитического анализа работы формирователя. В момент времени t 0 от генератора однополярных импульсов приходит волна +V, которая во всех линиях формирователя возбуждает волны . К моменту времени волны в закороченной линии 2 и разомкнутой линии 3 возвращаются к входу (в линии 2 с обратным знаком), при этом в момент времени на разомкнутом конце линии 3 появляется напряжение . При прохождении в другие линии волны и компенсируют друг друга. В момент времени t = 2τ_n+1 в линию 2 идет волна в линию 3 волна В момент времени t = 3τ_n+1 на разомкнутом конце линии 3 напряжение растет до , а к моменту времени t = 4τ_n+1, к входу линий 2 и 3 возвращаются соответственно волны и . В этот же момент времени к входу n-й закороченной линии возвращаются, изменив полярность, волна: . При прохождении в другие линии волны
взаимно компенсируют друг друга. В n-ю закороченную линию идет волна

в линию 2 волна

в линию 3 волна

В линиях 2 и 3 возбуждаются волны той же полярности и амплитуды, что и в момент времени t 0. Так как в течение отрезка времени (4-8)τ_n+1 никакие другие волны в линии 2 и 3 не приходят, то волновой процесс в них аналогичен рассмотренному в отрезок времени (0-4)τ_n+1, а именно в момент времени t=5τ_n+1 напряжение на разомкнутом конце линии 3 растет до
,
в момент времени ,
к моменту времени t = 8τ_n+1 к входу линий 2 и 3 возвращаются соответственно волны и за этот отрезок времени из этих линий в другие линии никакие волны не проходят. К моменту времени t = 8τ_n+1 к входу n-й закороченной линии, отразившись с коэффициентом -1, возвращается волна , а к входу (n-1)-й закороченной линии волна . При прохождении этих волн в другие линии (от первой до (n-2)-й они взаимно компенсируют друг друга
. В (n-1)-ю закороченную линию идет волна
,
в n-ю закороченную линию волна
,
в n(+1)-ю закороченную линию и в разомкнутую волна

Для линий 2 и 3 условия периодически не изменяются, то есть в следующие отрезки времени, кратные 4τ_n+1, волновые процессы в них повторяются и через каждый отрезок времени 2τ_n+1 напряжение на разомкнутом конце линии увеличивается на , то есть выражение для напряжения на конце разомкнутой линии 3 можно записать в виде формулы для любого момента времени. В момент времени t = 8τ_n+1 в n-ю закороченную линию идет волна , то есть такая же, что и в момент времени t 0. В течение последующего отрезка времени (8-16)τ_n+1 волновые процессы в n-й линии определяются только волновыми процессами в линиях с большим порядковым номером. Таким образом, волновые процессы в последних трех линиях n-й, (n+1)-й закороченных и разомкнутой аналогичны рассмотренным в отрезке времени (0-8)τ_n+1, то есть они повторяются с периодом T_п= 8τ_n+1. Аналогично период волновых процессов в группе линий при присоединении каждой следующей закороченной с номером на единицу меньше увеличивается вдвое, то есть , где T_i период волновых процессов в группе линий, начиная с номера i; τ_n+1 электрическая длина (n+1)-й закороченной и разомкнутой линий; n число дополнительных закороченных линий. Отметим некоторые закономерности динамики волновых процессов. Первое, к моменту окончания периода к началу линии возвращается волна той же амплитуды и полярности, что поступившая в эту линию в начале периода. И второе, начало и окончание периодов в различных группах линий совпадают в моменты времени, кратные наибольшему периоду из рассматриваемых. Для первой дополнительной линии i 1 период
,
это означает, что к моменту прихода заднего фронта импульса генератора к началу этой линии от закоротки возвращается волна V/2. Нагрузка в формирователе подключается в момент времени t = τ_o-τ_n+1. К этому времени напряжение на разомкнутом конце линии 3 растет до
. При включении согласованной нагрузки (равной R_{вых.ген}/2ⁿ⁺¹) на ней появляется напряжение +V, а в линию 3 от нагрузки идет волна разрядки . Таким образом, к моменту времени t = τ_o= 2ⁿ⁺²·τⁿ⁺² к началу закороченных линий со стороны закоротки происходят волны V_i V/2ⁱ, где i 1, 2, n, n+1, а со стороны выхода генератора волна V. В момент времени t τ_o в результате суперпозиции всех волн происходит их взаимная компенсация и в сторону генератора волна не идет. В каждой из закороченных линий
,
то есть все проходящие волны взаимно компенсируют друг друга. В разомкнутую линию идет волна

В момент t = τ_o+τ_n+1 волна делает на согласованной нагрузке напряжение равным О и во всех линиях волновые процессы прекращаются. Таким образом на согласованной нагрузке R_н R_{вых.ген.}/2ⁿ⁺¹ получают импульс напряжения амплитудой V и длительностью t_имп= 2τ_n+1, то есть меньше длительности импульса генератора в 2ⁿ⁺¹ раза. Формирователь работает следующим образом. В момент времени t 0, когда зарядное напряжение достигает требуемой величины, срабатывает коммутатор 8, возбуждая в линии 2 волну разрядки -V. в момент времени t = τ_o эта волна вызывает в передающей линии 9 волну зарядки -V, в линии 6 волну разрядки V/2, а в линию 7 отражается волна -V/2. После отражения от входных концов линий (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 9 волну +V. Пришедшая в момент времени t_o= τ_o+τ_и на выход передающей линии 9 волна +V возбуждает в обеих линиях 5, в линиях 2 и 3 волны, соответственно равные -V/2,-V/4, -V/8, -V/8. Через отрезок времени 2τ₂= τ₀/4 волны -V/8 в линиях 2 и 3 возвращаются к входу линий, отразившись от выходных концов (в линии 2 с коэффициентом -1, в линии 3 с коэффициентом +1), при этом на разомкнутом конце линии 3 появляется напряжение -V/4. При прохождении в другие линии волны -V/8 и +V/8 взаимно компенсируются, в линию 2 проходит волна V/8, в линию 3 -V/8. В момент времени t = t₀+4τ₂= t₀+τ₀/2 к выходу передающей линии 9 возвращаются волны: в линии 3 -V/8, в линии 2 -V/8 и во второй дополнительной линии 5 +V/4 (отразившись с коэффициентом 1 от закоротки на выходе линии). При этом на разомкнутом конце линии 3 напряжение вырастает до -V/2. При прохождении в другие линии волны +V/4, -V/8 и -V/8 взаимно компенсируются, во вторую дополнительную линию 5 идет волна V/4, в линию 2 V/8, в линию 3 V/8. В момент времени на разомкнутом конце линии 3 напряжение вырастает до . В момент времени волны +V/8 и -V/8 в линиях 2 и 3, вернувшись к передающей линии 9, компенсируют друг друга при прохождении в другие линии и возбуждают такие же волны в линиях 2 и 3, то есть +V/8 в линии 2 и -V/8 в линии 3 (аналогично моменту времени t = t₀+2τ₂,, то есть процессы в линиях 2 и 3 повторяются с периодичностью 4τ₂)). В момент времени t=t₀+7τ₂ напряжение на разомкнутом конце линии 3 возрастает до -V, а к моменту времени t = t₀+8τ₂= t₀+τ₀ к входу передающей линии 9 возвращаются волны: по линии 3 -V/8, по линии 2 -V/8, по второй дополнительной линии 5 -V/4, по верхней линии 5 +V/2. При прохождении в передающую линию 9 эти волны взаимно компенсируют друг друга (-V/8-V/8-V/4+V/2 0). В первую дополнительную линию 5 в момент времени t = t₀+8τ₂ идет волна V/2, во вторую дополнительную линию 5 V/4, в линии 2 и 3 V/8. В следующий отрезок времени 8τ₂ волновые процессы в линиях 5, 2, 3 не отличаются от рассмотренных, так как на входах этих линий возбуждаются такие же по полярности и величине волны, что и в момент времени t₀= τ₀+τ_n,, а никакие другие волны из других линий в этот отрезок времени в линии 5, 2, 3 не проходят. Отличие будет лишь в том, что в момент времени t = t₀+15 τ₂ срабатывает коммутатор 10 и к разомкнутому концу линии 3 подключается нагрузка 4(R_н=ρ/4).. Напряжение на выходе линии 3 к этому времени вырастает до . В момент времени t = t₀+15 τ₂ от выхода линии 3 отражается волна -V/8, напряжение на выходе вырастает до -2V, в этот же момент при подключении нагрузки от нее в линию идет волна +V, а на нагрузке появляется напряжение -V. Таким образом к моменту времени t = t₀+16τ₂ = t₀+2τ₀ к выходу передающей линии 9 по линии 3 идет волна , по линии 2 волна -V/8, по второй дополнительной линии 5 волна -V/4 и по первой дополнительной линии 5, отразившись от короткозамкнутого конца, -V/2. К этому же моменту по передающей линии 9 от генератора идет волна +V, которая сформирована суммой волн +V/2, пришедшей по линии 6 после отражения в момент времени t = 2τ_o от разомкнутого конца с коэффициентом +1, и +V/2, пришедшей по линии 7 после отражения в момент времени t = 2τ_o от короткозамкнутого входа линии с коэффициентом 1 волны -V/2. В линиях 6 и 7 в момент t = 3τ_o эти волны компенсируют друг друга. В результате сложения всех волн в момент времени t = t₀+16τ₂ в передающую линию 9 волна не идет, а в обеих линиях 5 и линии 2 волны также компенсируют друг друга. В линию 3 идет волна V, которая в момент времени t = t₈+17τ₂ обращает в ноль напряжение на нагрузке. Таким образом, на согласованной нагрузке R_н= ρ/4 сформирован импульс напряжения амплитудой V и длительностью t_n= (t_o+17τ₂)-(t_o+15τ₂)= 2τ₂=τ_o/4,, то есть при сохранении амплитуды импульса генератора длительность уменьшается в 8 раз, соответственно в 8 раз вырастает ток и в 8 раз вырастает выделяемая в нагрузке мощность.

Формула изобретения

Формирователь высоковольтных импульсов, содержащий генератор на основе линий с распределенными параметрами, линию, закороченную на выходе, и линию, разомкнутую на выходе, электрические длины которых равным между собой, и клеммы на выходе разомкнутой линии для подключения нагрузки, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности формирователя и укорочения длительности импульса, в него введены n однородных линий, входы которых, начиная со второй, подключены к выходу предыдущей, к выходу n-й дополнительной линии подключен вход закороченной на выходе линии, выход генератора, вход разомкнутой линии и вход первой дополнительной линии включены последовательно, электрические длины всех линий равны между собой и выбраны из соотношения

где τ_ген длительность импульса генератора, [с]
n число дополнительных линий,
волновые сопротивления дополнительных линий выбраны из соотношения

где i 1,2.n порядковый номер дополнительной линии;
R_{вых.ген} выходное сопротивление генератора, Ом,
волновое сопротивление закороченной линии выбрано из соотношения

а волновое сопротивление разомкнутой линии выбрано из соотношения

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2