Генератор импульсов высокого напряжения

 

Использование: в ускорителях прямого действия при генерации мощных потоков излучений в термоядерных исследованиях. Сущность изобретения: генератор содержит первичный накопитель энергии, накопительную индуктивность, коммутирующий разрядник, плазменный размыкатель, нагрузку и нелинейный резистор, установленный параллельно плазменному размыкателю на выходе первичного накопителя энергии, при этом величина максимального сопротивления нелинейного резистора выбирается больше максимального сопротивления плазменного размыкателя и каждое из них - больше сопротивления нагрузки. 1 ил.

Изобретение относится к генерированию импульсов, в частности к генераторам высоковольтных импульсов с индуктивным накопителем энергии.

Мощные генераторы высоковольтных импульсов находят широкое применение в ускорителях прямого действия при генерации мощных потоков излучений в термоядерных исследованиях.

Известен генератор [1], состоящий из накопителя емкостного типа, последовательно включенных индуктивностей, разделенных разрядниками, и электрически взрывающихся проводников (ЭВП). При разрядке емкостного накопителя через первую индуктивность и ЭВП последние взрываются и на индуктивности формируется высоковольтный импульс, который пробивает разрядник. Ток первого контура заряжает вторую из последовательных индуктивностей и при взрыве следующих ЭВП генерируется следующий импульс. Недостатком данного аналога является необходимость замены ЭВП после каждого срабатывания, наличие выброса токсичных газов и паров после взрыва ЭВП.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является генератор ГИТ-4 [2]. Генератор содержит индуктивный накопитель, который выполнен из отрезков вакуумной коаксиальной линии и собственно первичного накопителя энергии, состоящего из 36 параллельно соединенных генераторов Аркадиева-Маркса, плазменный размыкатель, состоящий из коаксиального вакуумного промежутка, содержащего 64 плазменных пушек, генерирующих плазму. Разрядный ток, проходящий по плазме при определенных условиях, размыкается и на индуктивности формируется импульс напряжения. На нагрузке достигается электрическая мощность до 3 ТВт при коэффициенте перенапряжения, равном ≈ 3. Ток нагрузки 3 МА. Время проводимости тока в плазменном размыкателе доходит до ≈ 1 мкс.

Основным недостатком генератора - прототипа является ограниченность эксплуатационных возможностей, заключающаяся в недостаточно высокой надежности из-за большого количества коммутационных элементов (разрядников) и обусловленная невозможностью получения больших токов (много больше одного мегоампера). Действительно, чтобы получить увеличение амплитуды тока в нагрузке, необходимо добавить к имеющимся 36 генераторам еще определенное количество генераторов Аркадиева-Маркса, соединив их параллельно с имеющимися. Однако это приведет к увеличению времени нарастания разрядного тока более, чем 1 мкс и резкому снижению КПД генератора. Как известно, плазменный размыкатель в настоящее время не может использоваться из-за существенной нестабильности работы в области времени нарастания тока в разрядном контуре более 1 мкс.

Таким образом, предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по созданию генератора импульсов высокого напряжения с расширенными эксплуатационными возможностями. Технический же результат при решении этой задачи выразится в увеличении амплитуды тока в нагрузке при любом времени нарастания тока в разрядном контуре без снижения оптимального значения КПД генератора.

Это достигается тем, что генератор импульсов высокого напряжения, содержащий первичный накопитель энергии, накопительную индуктивность, коммутирующий разрядник, плазменный размыкатель и нагрузку, согласно изобретению, снабжен нелинейным резистором, установленным параллельно плазменному размыкателю непосредственно на выходе первичного накопителя энергии, при этом величина максимального сопротивления нелинейного резистора (R^max_н.р.) выбрана больше максимального сопротивления плазменного размыкателя (R^max_п.р.) и каждое из них - больше сопротивления нагрузки (R^m_н^ax) , т.е.

R^max_н.р.> R^max_н.п.> R^m_н^ax Последнее условие является необходимым, т.к. если оно не будет соблюдено, то введение нелинейного резистора в предлагаемый генератор будет бессмысленным. Действительно, предположим, что R_н.р. < R_п.р. < R_н, тогда ток из нелинейного резистора или практически не перебросится в плазменный размыкатель (если R_п.р. > R_н.р.), или распределится пополам (R_п.р. = R_н.р.). Аналогично, при R_п.р. < R_н ток не потечет через нагрузку или потечет с меньшей, по крайней мере в 2 раза, амплитудой (R_п.р. = R_н). Таким образом, в этом случае генератор или совсем не будет работать (при R_н.р. < R_п.р. < R_н), или будет работать, но с существенно меньшим КПД (при R_н.р. = R_п.р. = R_н).

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом позволил выявить новую совокупность существенных признаков, обусловленных снабжением генератора нелинейным резистором, подключенным определенным образом. Поэтому заявляемый генератор отвечает критерию "новизна".

На чертеже представлена электрическая схема заявленного генератора импульсов высокого напряжения, содержащего последовательно соединенные коммутирующий разрядник 1, емкостный первичный накопитель энергии 2, индуктивный накопитель 3, соединительный проводник аб , обладающий индуктивностью 4, и нагрузку 6, обладающую индуктивностью 5, параллельно нагрузке 6 подключены плазменный размыкатель 7 и нелинейный резистор 8, причем последний подключен одним выводом к точке, т.е. между индуктивным накопителем 3 и индуктивностью проводника 4, а другим - к обратному токопроводу ("земле" схемы). Плазменный размыкатель 7 подсоединен аналогично, между точкой б, т.е. между индуктивностью проводника 4 и индуктивностью нагрузки 5 и "землей" схемы генератора. Индуктивности соединительного проводника 4 и нагрузки 5, которые являются конструктивными элементами, делаются минимальными.

Работает генератор следующим образом.

При срабатывании коммутирующего разрядника 1 в контуре 2-3-8 начинает нарастать ток. С его ростом начинает нелинейно расти величина сопротивления резистора 8. В максимуме тока (через время ≈ Т/4) срабатывает плазменный размыкатель 7 (сопротивление плазмы мало) и ток из-за большой разницы сопротивлений резистора 8 и размыкателя 7 перебрасывается в контур 2-3-4-7. Через время, оптимальное для размыкателя (обычно 100 - 200 нс), происходит размыкание размыкателя 7, в точке б формируется импульс напряжения и ток при достигнутом импульсе напряжения замыкается в нагрузку 6 по контуру 1-2-3-4-5-6. Так как общее сопротивление цепочки 5 - 6 много меньше сопротивления резистора 8, практически вся энергия, накопленная в индуктивностях 3 - 4, перебрасывается в нагрузку 6.

Таким образом, включение нелинейного резистора 8 в схему генератора позволяет коммутировать разрядные контура мощных генераторов с большими временами нарастания тока (более 1 мкс) с помощью плазменных коммутаторов наносекундного диапазона. В качестве нелинейного резистора может быть использован проводник из тугоплавкого металла (например вольфрама или молибдена), у которого при нагреве до каления изменяется сопротивление на порядок. Начальное сопротивление нелинейного резистора выбирается много меньше волнового сопротивления разрядного контура, тогда оно оказывает минимальное влияние на амплитуду разрядного тока контура.

Включение нелинейного резистора 8 позволило в качестве первичного накопителя энергии использовать конденсаторные батареи, заряжаемые от источников постоянного тока, вместо генераторов импульсов напряжения (ГИН) прототипа. Это привело к повышению надежности заявляемого генератора импульсов высокого напряжения по сравнению с прототипом.

Использование настоящего изобретения позволяет создавать простые по конструкции и дешевые генераторы высоковольтных импульсов большой мощности для применения в ускорительной технике. Это позволяет разработать и внедрить в практику компактные и недорогие установки для использования как в радиационных исследованиях, так и для целей биологии, литографии и т.п.

Формула изобретения

Генератор импульсов высокого напряжения, содержащий соединенные последовательно первичный накопитель энергии, индуктивный накопитель, коммутирующий разрядник, плазменный размыкатель и параллельно подключенную к нему нагрузку, отличающийся тем, что генератор снабжен нелинейным резистором, подключенным параллельно плазменному размыкателю на выходе первичного накопителя энергии, при этом величина максимального сопротивления нелинейного резистора выбирается больше максимального сопротивления плазменного размыкателя и каждое из них - больше сопротивления нагрузки.

РИСУНКИ

Рисунок 1