Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

260

Глава

14.

Генераторы

газоразрядными коммутаторами

Если характеристику коммутации представить в виде экспоненты

= (14.9)

то напряжение на согласованной нагрузке

= 2

определится из формулы:

\-2-——в'

2-В

2а

—-е в

2-В

(14.10)

где В = Ло2оС

, Ц

- зарядное напряжение кабеля. Зависимости

2 ШЩ

от парамет-

ра а

1 при различных значениях В представлены на рис. 4. При увеличении В

уменьшается длительность фронта, но на вершине появляется выброс, который

искажает форму импульса. При С

= 1,4/а

р величина выброса составляет 5%. Так

как время коммутации /

= 2,2/а

, то оптимальная величина емкости:

1,4 0,63/

Яо^о

(14.11)

Однако, как следует из выражения (10), возможна идеальная коррекция без ка-

кого-либо выброса. Действительно, при отсутствии емкости С

, т.е. при В = 0, мы

имеем форму импульса !/(/) =

(Ь

/2)(\-е~^

т.е. импульс в виде обычной экспо-

ненты с фронтом

/ф

= 2,2/а

между уровнями 0,1+0,9. При В =

из (10) мы получа-

ем С/(/) = (17о/2)(1-е~

2а

°')> т.е. крутизна экспоненты возрастает в два раза, а дли-

тельность фронта становится /

= 1,1/д

. В этом случае С

= 0,45/

Медленный подъем напряжения в области перехода от фронта к вершине им-

пульса (рис. 2, а) можно устранить, используя неоднородную накопительную ли-

нию [3]. Пусть время роста тока на быстром участке равно нулю, а на медленном

изменяется по линейному закону. При этом напряжение импульса на согласован-

ной нагрузке в схеме с однородной накопительной линией запишется так:

(1-4,)/"

Щ1) = Щ(

)

4>+-

(14.12)

1,0

§0-5

^ Во=<п

1,5

—— 0

Рис.

14.4.

Зависимость формы импульса от параметра а

при различных В

§14.3

Генераторы

разрядом конденсатора

261

где А

- некоторая постоянная величина, которая определяет форму импульса. Ес-

ли использовать неоднородную линию с волновым сопротивлением

где / - длина линии, х - текущая длина линии, отсчитываемая от коммутатора; то

на сопротивлении К

получим прямоугольный импульс с амплитудой А

1/(!

). Не-

однородные линии удобно выполнять в полосковом варианте. При использовании в

генераторе тока с амплитудой 1 кА неоднородной полосковой симметричной ли-

нии с изменяющимся волновым сопротивлением от 2,8 до 4,1 Ом был устранен

подъем на вершине импульса, равный 15% [3].

§ 14.3 Генераторы с разрядом конденсатора

Импульсный генератор с разрядом емкости через искру широко используется

им-

пульсной технике. Подбором величин емкости или давления газа в разряднике можно

корректировать фронт импульса и получать пиковые импульсы малой длительности

или прямоугольные импульсы с плоской вершиной. Анализ процесса разряда емкости

через искру с учетом сопротивления искры по формуле Ромпе и Вайцеля, активного

сопротивления в контуре К и индуктивности Ь был проведен в [7]. Однако расчеты

были проведены численным методом только для некоторых частных случаев. В рабо-

те [3] было показано, что в некоторых случаях можно получить точные или прибли-

женные формулы для определения тока

контуре и напряжения на нагрузке.

Процессы в контуре (рис. 1, б) описываются системой уравнений, которая вклю-

чает уравнение Кирхгофа для контура, формулу для сопротивления искры (6.41) и

формулу, связывающую ток и напряжение емкости. Эту систему уравнений [7] мож-

но привести к виду:

где т = //6, х = /Дн/С/о, 2 = СШь В = К

С/6, К = у/Шё, 6 = 2рЛ

/аЩ, ср = у

у =

пг

с!м?/0,5С11$,

г,

м?

- радиус и удельная внутренняя энергия канала разряда,

с1

- длина промежутка (см. § 6.4).

Систему уравнений (14) можно решить точно только при К =

О,

т.е. когда индук-

тивностью в контуре можно пренебречь. В этом случае первое уравнение в системе

(14) превращается в обычное квадратное уравнение относительно параметра ^/ф, а

зависимость напряжения на емкости и тока

контуре от времени запишется так:

(14.13)

(14.14)

т = -1П(2

-1) -

2(6

+ 1)

ВЬ

1п

(2, + В)+сопз:,

(14.15)

262

Глава

14.

Генераторы

газоразрядными коммутаторами

Рис.

14.5.

Зависимости нормированных величин времени т

макс

и тока на нагрузке х

макс

от В

при разряде конденсатора через искровой промежуток на сопротивление

где

>/1

+ 2Д; 2

/1 + 25(1-2

Постоянную интегрирования в формуле (15) можно определить из условия

Л:

= 0,01 при х = 0. Из (15) можно найти максимальное значение нормированного

тока х

акс» напряжения 2

макс

и времени

шкс

На рис. 5 приведены зависимости

^максС#) и

мшс

(В).

Из этого рисунка следует, что желая, например, получить ампли-

туду импульса тока 0,8

ЩК,

мы должны иметь т

маК

с« 10, В « 100. Это приводит к

тому, что при напряжении Щ = 30 кВ, давлении азота 10 атм и статическом пробое

нужно иметь т

макс

« 2 не, а С « 500 пФ при сопротивлении нагрузки 40 Ом.

Рассмотрим в качестве примера наносекундный импульсный генератор с нако-

пительной емкостью 500 пФ [1] (рис. 6). Использовался керамический конденса-

тор С

, который встраивался в разрядную камеру для уменьшения индуктивности

Рис.

14.6.

Схема релаксационного генератора наносекундных импульсов с разрядом конденса-

тора на коаксиальную

линию.

ЭО

- электронный осциллограф,

- манометр,

- вольтметр

$ 14.4

Искровые обострители

263

разрядного контура Ь. В камере поддерживалось давление азота 10 атм. При про-

бое разрядника емкость разряжалась на кабель Л. Волновое сопротивление ли-

нии Л было принято равным 37,5 Ом (два параллельно соединенных кабеля РК-3).

Длительность импульса регулировалась длиной короткозамкнутого отрезка Л\.

Частота следования импульсов менялась плавно от

до 50 Гц изменением величин

зарядного сопротивления К

и напряжения зарядного устройства при неизменной

длине промежутка разрядника. Амплитуда импульса при неизменном давлении в

камере плавно регулировалась от 4 до 18 кВ. Длительность импульса на выходе

равна 3 не при длительности фронта менее

не.

§ 14.4 Искровые обострители

Обостритель - это устройство для укорочения длительности фронта импульса.

Обычно обостритель О включается последовательно с линиями Л\ и Л

(рис. 7).

По линии Л\ к обострителю поступает импульс относительно длинным

фронтом /ф1, а по линии Л

к нагрузке - импульс

(()

с укороченным фронтом /

ф2

Принцип действия обострителя заключается в том, что в течение времени / > /

ф1

его сопротивление много больше волнового сопротивления линии, а затем стано-

вится много меньше его. Нетрудно видеть, что такими свойствами обладает искро-

вой промежуток, если время запаздывания его пробоя:

а « *

ф1

. Наиболее широкое применение в качестве обострителя получил двух-

электродный газовый промежуток. Проанализируем работу такого обострителя.

Пусть напряжение на фронте первичного импульса нарастает по линейному

закону

а при / > /ф1 бесконечно долго остается равным амплитуде импульса 11

(рис. 8).

Следует иметь в виду, что на электродах обострителя напряжение удваивается из-

за появления волны, отраженной от разрядника. Длительность фронта импульса на

выходе /ф2 зависит от времени запаздывания пробоя 1

и длительности фронта /

Время 1

при прочих равных условиях зависит от длины промежутка й и носит

статистический характер. При (

« *

ф1

чем больше /

, тем при большем напряже-

нии 11

пробивается промежуток и тем меньше длина фронта импульса /

ф2

, т. к. /

ф2

уменьшается с ростом напряженности поля при пробое. Пусть статистическая

^ 'фЬ

(14.16)

(14.17)

а О

Л2

ию

Щ)

Рис.

14.7.

Схема включения обострителя

264

Глава 14. Генераторы

газоразрядными коммутаторами

Рис.

14.8.

Преобразование фронта волны после прохождения ее через обостритель

составляющая времени и устранена. Можно показать, что при пробое в точке пе-

рехода от фронта к вершине величина /

ф2

получается минимальной. Действитель-

но, если пробой происходит в точке п (рис. 8), то /

ф2

будет определяться величиной

электрического поля IVЕсли увеличить промежуток до оптимальной величи-

ны т.е. (1 > С1

ТО напряжение пробоя не изменится, а напряженность поля

уменьшится, т.е. /

ф2

увеличится. Если длина промежутка

с1

< то /

ф2

также уве-

личится вследствие увеличения составляющей /

. В пределе при с! = 0, /

ф2

Следовательно, есть некоторая длина зазора

с1

= при которой длительность

фронта импульса будет минимальной [1].

Расчет соотношения между и /

ф2

при атмосферном давлении воздуха и

сильном ультрафиолетовом облучении промежутка (режим многоэлектронного

инициирования) показал, что для получения /

ф2

< 10~

с необходимо иметь дли-

тельность фронта /ф! равной нескольким наносекундам. Это подтверждается дан-

ными работы [3], где показано, что для получения /

ф2

= 0,6 не необходимо при

р =

атм иметь /

1 « 2 не. Для увеличения отношения /

1//

ф2

необходимо увеличи-

вать давление в обострителе.

Можно рассчитать величину оптимального зазора в обострителе с1о, если из-

вестна зависимость времени формирования разряда от давления р и напряженно-

сти поля

Е.

В [8] показано, что электрическое поле Е

является оптимальным, т.е.

разряд в обострителе происходит в точке перехода от фронта к вершине импульса,

если

г|

=1. Здесь г| = 1,9-Ю

-2

, 8 = 0,21, если С/

выражено в киловольтах,

% - в наносекундах,

с1

- в сантиметрах. Из этой формулы с учетом, что Е

= 17

/У

следует:

14Л8

Формула справедлива при атмосферном давлении воздуха для С/

= 5+100 кВ.

Пусть длительность фронта /

1 настолько велика, что пробой промежутка в

обострителе близок к статическому. Обычно это имеет место при > 10"

с. Тогда

из рис. 8 следует, что

— +

Ч>

(14.19)

14.4

Искровые обострители

265

где

ЦЛР^

2 V,

- статическое пробивное напряжение. Величина /ф времени коммутации

разрядника при статическом пробое. При р > 1 атм, Е/

= сопз! и «/

к1

!р,

где

- время коммутации при атмосферном давлении газа. С учетом сказанного (19)

примет вид:

«ф2 + 'ф1

1-МРй

2 V*

(14.21)

Из (21) следует, что, увеличивая рс1 так, чтобы член в скобках стремился к нулю,

получаем /

ф2

к1

/р.

Другой возможный способ увеличения отношения //ф2 состоит в использо-

вании нескольких обострителей, соединенных отрезками кабелей (так называемое

последовательное обострение [8]). При использовании трех обострителей фронт

импульса с амплитудой 30 кВ уменьшался от 0,8-10"

с до 10~

с. В этом режиме

работы обострителей фактически впервые использовалась импульсная микросе-

кундная зарядка кабеля [8]. Первый обостритель в этом случае играет роль основ-

ного коммутатора. Эта схема теперь стала основной при создании мощных наносе-

кундных генераторов.

Перейдем к вопросу о диапазоне рабочих напряжений обострителя. Для этого

по аналогии с коммутатором рассмотрим отношение к

=С/

мин^амакс- Если ин-

тересоваться только фронтом импульса и принять = оо, то

(рс1)

= ^/

амин

, а

амакс

выбирается так, чтобы соблюдалось условие (16).

При большой величине (> Ю

-6

с), когда пробой промежутка близок к статиче-

скому, при соблюдении равенства (16) С/

амакс

мин

(рс1).

При меньшем

промежуток пробивается напряжением 11

> 11

через время /

от момента достиже-

ния 11

. Если в промежутке много свободных электронов, то = т

- времени фор-

мирования разряда. Типичная зависимость /

от напряжения 11

или р = ЩЩ для

газов представлена на рис. 9. Величины и и меньшие ограничивают /

сверху

и снизу. Заштрихованный участок

является

рабочей областью обострителя. При (

и фиксированном величина 17

амин

левая граница (рис. 9) приближается к

оси ординат, тогда:

Р _ ^а макс ^

^а

макс

__.

1 (14 22)

^а мин ^н

Эта величина к

является минимально возможной при данном фронте импуль-

са /ф1. Так как в обострителе с регулировкой амплитуды коэффициент перенапря-

жения |3 может уменьшаться до значения близкого к единице, а при условии (16)

/ф

- Ир, то для получения /

ф2

< Ю

-9

с давление газа (например, воздуха и азота)

в обострителе должно составлять величину порядка 10 атм. Определим, будет ли

влиять давление газа р на минимально возможную величину

Как известно,

время формирования разряда определяется из соотношения (см. главу 6):

Р*

" =/

' Р

рс1Юс

(14.23)

266

Глава 14. Генераторы

газоразрядными коммутаторами

Рис. 14.9. Характеристика обострителя: /-реальная, 2-идеальная

При

рс1

> 10

см(мм рт. ст.)

Арс1 (А

- постоянная для данного газа вели-

чина) и и = /(РЛ4)/р. Если теперь подставить

«/

ф1

и учесть, что $к

« 1, а

уменьшается с ростом р, то получим, что к

увеличивается с ростом давления

газа

р.

Для воздуха при атмосферном давлении в лучшем случае удается получить

«0,7[3].

Рассмотрим, какой должна быть зависимость

(

(1/)ири

малом значении к

Н9

т.е. широком диапазоне рабочих напряжений. Из рис. 9 видно, что для уменьше-

ния к

необходимо иметь более крутой начальный участок кривой и более поло-

гий конечный. Идеальной характеристикой является прямая, параллельная оси V

на высоте (>

Можно указать два пути создания обострителей, нечувствительных к амплиту-

де импульса [3].

1. Подбор среды пробоя или формы электродов обострителя такой, чтобы ха-

рактеристика /

(Р) была близкой к идеальной.

2. Создание обострителей, в которых время (

при изменении I/ меняется в

нужном направлении автоматически или за счет добавочных внешних регулиро-

вок. Использование газов в качестве среды обострителя для получения малых к

по-видимому, неперспективно, так как в этом случае /

обусловлено временем

развития электронных лавин, скорость роста которых сильно зависит от напря-

женности поля. Величина к

будет уменьшаться при увеличении степени неод-

нородности поля между электродами газоразрядного промежутка. В вакууме,

характеристика /

(Р) которого значительно более полога, чем в газе, использо-

вать обострители затруднительно из-за большого времени коммутации. Вакуум-

ные обострители с диэлектриком в промежутке при неравномерности поля у

катода имеют удовлетворительную характеристику /

(Р) и время коммутации

меньше или равное Ю

-9

с [3].

Время (

проще всего изменять, регулируя длину зазора и изменяя амплитуду

импульса напряжения 11

. Кроме того, в обостритель можно встраивать добавоч-

ный электрод, расположенный в промежутке между основными, на который будет

подаваться потенциал - импульсный синхронно с И^) или постоянный. Величина

этого потенциала должна изменяться вместе с амплитудой так, чтобы постоянно

$ 14.4

Искровые обострители

267

поддерживалось нужное соотношение »1. Решение этой задачи не встречает

трудностей.

Следует обратить внимание еще на один способ увеличения диапазона рабочих

напряжений. Если р>1, то II

амин

> II

. При р<1, наоборот, 11

амш

< 11

. В по-

следнем случае при неизменной величине II

а макс

уменьшается к

. Следовательно,

у разрядников с величиной р < 1 можно расширить диапазон рабочих напряжений.

Этот эффект хорошо реализуется в обострителях при использовании разряда по

диэлектрику в вакууме и при последовательном соединении промежутков, о чем

мы будем говорить ниже [3].

Впервые обостритель был использован Герцем в 1917 г. в его экспериментах с

короткими волнами. Он использовал последовательное соединение двухпроводной

линии передачи с двухэлектродным искровым разрядником, заполненным транс-

форматорным маслом. Буравой в 1926 г. изготовил генератор с обостряющим раз-

рядником в масле для получения импульсов с фронтом в несколько наносекунд и

амплитудой напряжения порядка 150 кВ. Описание этих экспериментов дано в [9].

Первый генератор с газовым обострителем был разработан Флетчером [6]. На

рис. 10 показана схема, в которой для обострения импульса применяется искровой

разрядник под большим давлением. Первичный импульс формируется коаксиаль-

ным кабелем Л

который заряжается через сопротивление от источника с на-

пряжением +20 кВ. Для уменьшения длины фронта первичного импульса пусковой

разрядник пробивается под перенапряжением, для чего используют трехэлектрод-

ный коммутатор.

Для увеличения крутизны импульса применяется обостряющий искровой про-

межуток, отделенный от пускового кабелем

Первичный импульс поступает через

разделительную линию к разряднику с весьма малым искровым промежутком, кото-

рый под действием этого импульса пробивается при большом перенапряжении. Для

получения необходимого времени запаздывания пространство обостряющего про-

межутка заполняется азотом под давлением около 100 атм. В таком генераторе полу-

чаются импульсы с амплитудой 10 кВ при длительности фронта 0,3-10

-9

с.

Обостритель в атмосферном воздухе с малой длительностью фронта первично-

го импульса использовался также в генераторе, разработанном в [1]. Первичный

фронт составлял 5 не, так как в качестве первичного коммутатора использовался

разрядник с тремя искровыми промежутками и параллельно накопительной линии

включалась корректирующая емкость.

кВ

-ААЛ\Л-

Рис. 14.10. Генератор наносекундных импульсов с использованием обострителя в сжатом

газе: схема с первичным разрядным устройством: 1 - ртутная лампа; 2 - пусковой разряд-

ник;

- обостритель;

- выход импульса

268

Глава 14. Генераторы

газоразрядными коммутаторами

В работе [10], посвященной наносекундному разряду в воздухе, использовали

управляемый обостритель, который управлялся от вспомогательной искры. Импульс

от первичного генератора подавался одновременно по двум кабелям на обостритель

и вспомогательный промежуток, причем второй кабель был короче первого на длину,

обеспечивающую время пробега, равную длительности фронта первичного импуль-

са. Вспомогательный промежуток был очень коротким и пробивался практически

без запаздывания в момент перехода от фронта к вершине импульса. Это обеспечи-

вало соблюдение условия (16) оптимальной работы обострителя и устраняло влия-

ние статистических флуктуаций времени запаздывания обострителя на длительность

фронта импульса.

При укорочении фронта низковольтных импульсов используют обостритель с

малой длиной промежутка. При этом напряженность электрического поля в про-

межутке может быть настолько высокой, что это приведет к появлению большого

тока автоэлектронной эмиссии с катода и уменьшению времени запаздывания до

< /фь Для устранения этого явления можно использовать обостритель с низким

давлением газа (левая ветвь кривой Пашена).

Как показано в предыдущем разделе, двухэлектродные газоразрядные обостри-

тели имеют узкий диапазон рабочих напряжений. Для устранения этого недостатка

было предложено [3] использовать в качестве обострителя последовательное со-

единение большого числа коротких газовых промежутков (микрозазоров длиной

~0,1 мм). Так как зазоры очень малы, короткий фронт выходного импульса можно

получить даже при атмосферном давлении, а необходимая величина для соблю-

дения условия (16) подбирается числом промежутков и величиной емкости элект-

родов на землю. В таком обострителе можно получить широкий диапазон рабочих

напряжений без перестройки промежутков. При числе промежутков

= 25 и длине

каждого промежутка 200 мкм в диапазоне амплитуд импульсов 15+40 кВ был по-

лучен фронт импульса 0,7 не [3] (рис. 11).

Широкий диапазон рабочих напряжений обострителя достигается также при

использовании разряда по диэлектрику в вакууме при неоднородном поле в об-

ласти катода. Выше было показано, что разряд по поверхности диэлектрика в

вакууме, когда поле на катоде неравномерно и имеется значительная нормальная

Рис.

14. П.

Элементы конструкции обострителя:

- шайба; 2 - фиксирующая диэлектричес-

кая шайба;

- диэлектрический цилиндр;

- металлический экран

Литература

главе 14

269

Рис.

14.12.

Расположение основных элементов вакуумного обострителя:

- катод; 2 - анод;

3 - диэлектрик; 4 - экран для предохранения колбы от запыления парами металла электро-

дов;

- колба

составляющая поля, имеет время /

, слабо зависящее от напряжения при высокой

стабильности от разряда к разряду, и короткое время коммутации (< 10~

с). Кро-

ме того, при большой разнице между диаметрами катода и диэлектрика импульс-

ное пробивное напряжение существенно ниже статического из-за резко неравно-

мерного распределения поля по поверхности диэлектрика при воздействии им-

пульсов (см. главу 5). В [11] было предложено использовать эти свойства разряда

по диэлектрику в вакууме для разработки наносекундных обострителей с широ-

ким диапазоном рабочих напряжений, которые имеют высокую стабильность

временных характеристик и малые габариты из-за высокой электрической проч-

ности вакуума.

На рис. 12 показано устройство одного из вакуумных обострителей [3]. В каче-

стве диэлектрика использовалась стеатитовая керамика толщиной 1 мм и диамет-

ром 11 мм, диаметр катода - 5 мм. Вакуум в обострителе составлял 10~

мм рт. ст.

Обостритель работал без перестройки в диапазоне рабочих напряжений 5-+-40 кВ

при длительности фронта первичного импульса 20 не и вторичного 0,5 не. Диапа-

зон напряжений, в котором работает обостритель, может быть легко изменен под-

бором размеров керамики. При изменении полярности импульса в таком обостри-

теле необходимо поменять местами вход и выход.

Для получения наносекундных импульсов большого тока в качестве накопи-

тельных и передающих линий используют линии с водой в качестве диэлектрика.

При этом для того, чтобы устранить проходной изолятор между линией и обостри-

телем, используют обостритель в воде. Описание импульсных генераторов с дру-

гими типами обострителей будет дано ниже.

Литература к главе 14

Воробьев Г.А., Месяц Г.А.

Техника формирования высоковольтных наносекундных им-

пульсов. М.: Госатомиздат, 1963.

Котре К.,

Шге1

Ж.

йЪег ёаз Т6ер1егзсЬе Рипкеп§езе12 //

21зсЬг.

РЬуз. 1944. Вё. 122, Н. 9.

8. 636.

Месяц

Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио, 1974.

ОгйпЪег% К.

Оезе12шар1§ке11еп

УОП

Рипкепеп11аёип§еп т МапозекипёепЪегеюЬ // 21зсЬг.

КаШгГогБсЬ. А.

1965. Вё. 20, Н. 2. 8. 202-212.