ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ


RU (11) 2063103 (13) C1

(51) 6 H03K3/53 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 93016112/28 
(22) Дата подачи заявки: 1993.03.29 
(45) Опубликовано: 1996.06.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Смирнов С.М., Терентьев П.В. Генераторы импульсов высокого напряжения. М.-Л., Энергия, 1964, с. 240. 2. Авторское свидетельство СССР N 731530, кл.H 03 К З/5З, 1930. 
(71) Заявитель(и): Институт электрофизики Уральского отделения РАН 
(72) Автор(ы): Любутин С.К.; Рукин С.Н.; Тимошенков С.П. 
(73) Патентообладатель(и): Институт электрофизики Уральского отделения РАН 

(54) ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 

Использование: для питания сильноточных наносекундных ускорителей заряженных частиц, мощных импульсных газовых лазеров, генераторов импульсного рентгеновского излучения. Сущность изобретения: генератор импульсов высокого напряжения выполнен по схеме Аркадьева-Маркса и содержит накопительные конденсаторы 1, разрядники 2, нагрузку 3, зарядные ветви из разисторов 4 и 6, цепочку из последовательно соединенных диодов 9, индуктивности каскадов 7 и индуктивность 8. Емкость накопительных конденсаторов и индуктивности каждого каскада генератора связаны соотношениями 2(LC)1/2 (0,1-0,5)р, где р - время жизни дырок в n-базе диодов. 2 ил. 1 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, предназначено для получения мощных коротких импульсов с напряжением до нескольких мегавольт, током в десятки и более килоампер, длительностью 10 100 нс и может быть использовано для питания сильноточных наносекундных ускорителей заряженных частиц, мощных импульсных газовых лазеров, генераторов импульсного рентгеновского излучен я и других сильноточных электрофизических устройств.

Известны генераторы импульсов высокого напряжения, собранные по схеме Аркадьева-Маркса (Смирнов С.М. Терентьев П.В. Генераторы импульсов высокого напряжения М-Л. Энергия, 1964, 240 с.).

Недостаток этих конденсаторов состоит в большой индуктивности разрядного контура, которая складывается из индуктивности большого количества конденсаторов, разрядников и соединительных шин. Это обстоятельство не позволяет быстро, в виде короткого импульса длительностью в десятки наноседунд, выводить запасенную энергию в нагрузку, что ограничивает выходную мощность таких устройств.

Наиболее близким к изобретению является генератор импульсов высокого напряжения (авт. св. N 731530, кл. Н 0З К 3/53, БИ N 16, 1980) накопительные конденсаторы, разрядники, нагрузку и две зарядные ветви, одна из которых выполнена в виде цепочки из последовательно соединенных диодов и работает следующим образом. От источника зарядного напряжения отрицательной полярности (для направления включения диодов, приведенного в описании) происходит заряд конденсаторов. При этом полярность напряжения на конденсаторах такова, что при включении разрядников диоды запираются обратным напряжением и последовательно соединенные конденсаторы разряжаются на нагрузку, формируя на ней импульс высокого напряжения.

Недостаток известного устройства состоит в невысокой выходной мощности импульса из-за большой величины индуктивности элементов разрядного контура, которая увеличивает минимально возможное время передачи энергии в нагрузку.

Технической задачей данного изобретения является уменьшение длительности импульса и повышение мощности в нагрузке.

Техническая задача достигается тем, что в генераторе импульсов высокого напряжения, собранном по схеме Аркадьева-Маркса, содержащем накопительные конденсаторы, разрядники, нагрузку и две зарядные ветви, одна из которых выполнена из резисторов, а вторая в виде цепочки из последовательно соединенных диодов, емкость накопительных конденсаторов С и индиуктивность L каждого каскада связаны соотношением

2(LC)1/2 (0,1-0,5)р,

где р время жизни дырок в n-базе диодов, при этом в генератор параллельно диодной ветви введена вторая зарядная ветвь из резисторов.

В данном устройстве взаимосвязь параметров L и С генератора с временем жизни дырок р в n-базе диодов приводит к достижению поставленной задачи следующим образом. После включения разрядников генератора по диодам начинает протекать синусоидальный прямой ток (полярность зарядного напряжения противоположна полярности зарядного напряжения прототипа), амплитуда и длительность которого определяются параметрами L, С и U зар. Поскольку длительность импульса прямого тока меньше времени жизни дырок р, то после окончания импульса прямого тока диода не восстанавливают своих запирающих свойств, и по ним начинает протекать нарастающий обратный ток. При выполнении вышеприведенного соотношения диоды восстанавливают свои запирающие свойства в момент времени, когда величина обратного тока по ним близка к максимальному значению, что соответствует переходу энергии из конденсаторов С в индуктивности каскадов L. После обрыва тока диодами индуктивности каскадов соединяются последовательно, перенапряжения, возникающие на них и на диодах, суммируются, и импульс напряжения прикладывается к нагрузке. При этом индуктивности каскадов из пассивных элементов, которые в прототипе препятствуют быстрому выводу энергии из конденсаторов в нагрузку, становятся активными и работают как индуктивные накопители, энергия из которых в нагрузку передается за существенно меньший промежуток времени, что и приводит к повышению мощности импульса в нагрузке.

На фиг.1 приведена схема генератора; на фиг. 2a эпюры тока и напряжениям поясняющие работу устройства; на фиг.2б осциллограммы импульсов на нагрузке устройства.

Генератор содержит (фиг. 1) накопительные конденсаторы 1, разрядники 2 нагрузку 3, зарядную ветвь из резисторов 4, цепочку из последовательно соединенных диодов 5 и зарядную ветвь из резисторов 6. Индуктивности каскадов 7 могут представлять собой как индуктивности элементов каскада (разрядников, конденсаторов, соединенных шин), так и дополнительно введенные индуктивности для выполнения вышеприведенного соотношения. Индуктивность 8 представляет собой индуктивность присоединения генератора к нагрузке.

Генератор работает следующим образом.

От источника зарядного напряжения положительной полярности через резисторы 4 и 6 заряжаются накопительные конденсаторы 1. После подачи импульса запуска на нижний разрядник 2 происходит срабатывание всех разрядников генератора, и в каждом каскаде по диодам начинает протекать прямой ток синусоидальной формы (фиг. 2а, кривая 1). Напряжение на нагрузке при этом отсутствует, поскольку генератор зашунтирован диодами 5, находящимися в проводящем состоянии. Поскольку длительность импульса прямого тока меньше времени жизни дырок р, диоды не успевают восстановить свои запирающие свойства, и после импульса прямого тока по ним начинает протекать нарастающий синусоидальный обратный ток. При выполнении вышеприведенного соотношения, связывающего параметры С, L и р диоды восстанавливают свои запирающие свойства в момент времени t2, когда обратный ток близок к своему максимальному значению. К этому времени энергия из накопительных конденсаторов переводится в индуктивности L каскадов генератора. Последующий обрыв тока в диодах за время t3 t2, которое в несколько раз меньше времени t2 t1, приводит к возникновению на индуктивностях каскадов L и диодах перенапряжений, которые суммируясь в каскадах генератора, прикладываются к нагрузке, формируя на ней мощный короткий импульс (фиг. 2а, кривая 2). Энергия из индуктивностей L каскадов выводится в нагрузку R c характерным временем NL/R (N число каскадов генератора), которое для прототипа является характерным временем нарастания импульса напряжения на нагрузке. При этом усиление мощности по сравнению с прототипом пропорционально величине n2, где n VL/VC коэффициент перенапряжения, равный отношению максимальных напряжений на нагрузке при выводе энергии из индуктивностей каскадов L и накопительных конденсаторов С.

В качестве конкретного примера реализации генератора ниже приводятся результаты одного из экспериментов. Генератор содержал N 3 каскада умножения напряжения на конденсаторах ИК-100-0,4 (100 кВ, 0,4 мкф). Зарядное напряжение до 50 кВ, напряжение холостого хода до 150 кВ, запасаемая энергия до 1,5 кДж. Нагрузка генератора имела сопротивление около 100 Ом. Разрядная емкость генератора C 0,133 мкф. Диодная ветвь была собрана из выпрямительных высоковольтных столбов СДЛ 0,4-1300 с обратным напряжением 130 кВ и средним током 0,4 А каждый. Диодная ветвь содержала 64 таких диода: 4 последовательно и 16 параллельно. Обратное рабочее напряжение диодной ветви 520 кВ. Экспериментально определенное для этих диодов время жизни дырок составило 10 + 3 мкс. Оптимальное значение индуктивности разрядного контура составило L 2,4 мкГн, что соответствует величине 2(LC)1/2 3,6 мкс и Kопт 0,36.. Время t1 t0 составило 1,8 мкс, t2-t1 0,8-0,9 мкс, и обрыв обратного тока происходил за время t3-t 60-80 нс. Ток по диодной ветви в прямом направлении достигал 25 кА, в обратном 20 кА.

На фиг. 2б приведены две осциллограммы импульса напряжения на нагрузке 100 Ом. При зарядном напряжении 35 кВ в схеме прототипа получен импульс напряжения с амплитудой 100 кВ и постоянной времени разряда 13 мкс (кривая Vс). В схеме данного генератора амплитуда импульса достигала 300 кВ, а импульс имел длительность по основанию 100 нс (кривая VL). Коэффициент перенапряжения был около 3, а мощность в нагрузке была увеличена в 9 раз. Аналогичные эксперименты проводились и с другими типами диодов, где также было получено увеличение мощности в нагрузке в 8 10 раз. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Генератор импульсов высокого напряжения, собранный по схеме Аркадьева - Маркса, содержащий накопительные конденсаторы, разрядники, нагрузку и две зарядные ветви, одна из которых выполнена из резисторов, а вторая в виде цепочки из последовательно соединенных диодов, отличающийся тем, что емкость накопительных конденсаторов С и индуктивность каждого каскада L связаны соотношением

2(LC)1/2 (0,1-0,5)р,

где р- время жизни дырок в n-базе диодов,

при этом в генератор параллельно диодной ветви введена вторая зарядная ветвь из резисторов. 


РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru