Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

290

Глава

15.

Генераторы Маркса

Прямоугольный импульс на нагрузке формировался срезающим разрядником.

Для защиты конденсаторов секций от токов короткого замыкания после включения

срезающего разрядника в каждом каскаде каждой секции использован нихромовый

резистор. Нагрузка и срезающий разрядник также размещались в металлическом

корпусе в трансформаторном масле. Общий объем масла в ГМ был 120 м

. Секции

заряжались от общего высоковольтного выпрямителя. ГМ управляется блоком за-

пуска секции (БЗС), от которого поступают прямоугольные пусковые импульсы

амплитудой

0,5 Щ

и импульсы на разрядник подсветки. Этот блок управляется от

блока синхронизации, запускаемого внешним импульсом амплитудой ~100 В. Сре-

зающий разрядник запускается импульсом напряжения положительной полярности

амплитудой

5 С/

с фронтом 0,2 мкс от блока запуска срезающего разрядника. По-

следний блок управляется от БЗС с задержкой во времени, регулируемой электри-

ческой длиной линии, по которой подаются пусковые сигналы.

ГМ имеет систему наполнения и слива масла, подготовки и подачи воздуха в

блоки разрядников секций, противопожарную систему. Управление ГМ и всеми

системами осуществлялось с пульта управления. Ударная емкость ГМ 0,264 мкФ,

индуктивность 1,7-10"

Гн. При максимальном зарядном напряжении С/

= 85 кВ

получены выходное напряжение 2,8 МВ, энергозапас 1,04 МДж, объемная плот-

ность энергии 9,2 кДж/м

, весовая 8,2 кДж/т. Более подробное описание этого ге-

нератора Маркса можно найти в монографии [19].

§ 15.5 Численные методы анализа генераторов Маркса

В связи с большим количеством используемых в генераторе элементов схемы

аналитически рассчитать форму импульса не представляется возможным. Числен-

ные методы анализа таких схем, впервые предложенные в [34], использовались

в [35] применительно к ГМ с трехэлектродными разрядниками. Основная модерни-

зация связана с использованием в этих схемах алгоритмов [36]. В счетной модели

[19, 35] используются схема ГМ (рис. 9) без учета зарядных сопротивлений К\

также схемы заряда и пускового разрядника К

, но дополненная сопротивлениями

Яд, включаемыми последовательно с Ь\. В модели учтены процесс срабатывания

первого (пускового) разрядника и параметры запускающего импульса. Дополни-

тельно к нагрузке параллельно с индуктивно-активной ветвью включена емкость

нагрузки С

Для двух других упрощенных моделей изменение напряжения в узле с пусковым

разрядником и сопротивлениями аппроксимировано экспоненциально спадающим

напряжением. Кроме того, в этих моделях С\ = С

= 0, причем

Ь^

= Ь + Ь\ + Ь

. Меж-

ду собой эти модели различаются тем, что в одной из них в схеме присутствуют ем-

кости связи С

св

, а в другой они отсутствуют. Во всех трех моделях использовался

алгоритм расчета, описанный в [35, 36]. Кроме того, детали алгоритма модели 2,

описаны в [19]. В рассмотренных моделях все облученные искровые промежутки до

начала пробоя (/</„) считались абсолютно непроводящими.

Напряжение статического пробоя промежутка 11

в однородном поле в азоте,

воздухе и других газах при давлении около 1 атм определяется из соотношения:

Цс =Арс1 + Ву[рс1

(15.11)

§15.5

Численные методы анализа генераторов Маркса

291

где р - давление газа,

- длина промежутка,

- напряжение, А и В - коэффи-

циенты из закона Пашена [37]. Спад напряжения на стадии пробоя промежутка

> /

) определяется известным соотношением [11]:

I] = 17

ехр[-я

(/-А)], (

15Л2

)

где а

=0,075Ща/(рс1

); а «1 атм-см

/(В

-с) (постоянная Ромпе и Вайцеля для

азота и воздуха);

= V

при I

= Об этом мы уже говорили в § 14.2.

На модели 1 было проверено влияние различных факторов на запаздывание

и форму импульса. Параметры схемы для базисного варианта были следующие:

= 60 кВ; К

= 194 Ом; р = 1,3 атм; Ь

= Ь

= 0,115 мкГн; I = 0,15 мкГн;

50 нГн;

с1

= ^ = 0,5 см;

<1\

= 1 см; Ь

= 1 мкГн; К

= 0,152 Ом; п = 33.

Сопротивления в пусковой части схемы: К

=100 Ом; К

=575 Ом; К

=1 кОм.

Кроме того, С

= 500 пФ; С

св

= 250 пФ; С = 0,4 мкФ; С

= 46 пФ; С

= 30 пФ;

С\ = С

= 40 пФ. В расчетах вариантов изменяли значения одного либо двух пара-

метров схемы [35].

Вначале провели сравнение времени срабатывания ГМ и формы импульса, полу-

ченных по модели 7, с экспериментальными данными. На рис. 12 приведено сравне-

ние экспериментально найденной формы импульса с расчетной 1 для базисного

варианта. Имеется удовлетворительное согласие кривых, как по запаздыванию, так и

по форме. Расхождение по амплитуде с меньшим значением в эксперименте объяс-

няется влиянием на скорость работы схемы неучтенных сопротивлений искр.

Характерной особенностью работы схемы является опережающее срабатыва-

ние промежутков Р

по сравнению с Р\ для средних и конечных каскадов. С рос-

том давления растет время запаздывания импульса, а его форма не меняется. Из-

менение С

св

меняет характер малых колебаний на фронте импульса. Амплитуда

импульса зависит от сопротивления нагрузки в соответствии с отношением

/(К

+ 2). Изменение отношения Ы(Ь\ + Ь

) для фиксированного Ь^ = Ь

ИЫ

МО"

[с]

Рис. 15.12. Форма импульса напряжения на резистивной нагрузке при экспоненциальном

спаде напряжения на пробитых промежутках (7), при сопротивлении искр, рассчитанном по

Теплеру (2), Брагинскому

(3),

Ромпе-Вайцелю

(4),

ооо - экспериментальные значения

19*

292

Глава 15. Генераторы Маркса

влияет на плавность перехода от крутого к пологому участку фронта (Х

~ погон-

ная индуктивность, N - число каскадов, / - длина секции). Оказалось, что ем-

кость нагрузки С

сильно сказывается на форме импульса и даже на его ампли-

туде. Увеличение С\ и С

вдвое практически не оказывает влияния ни на запазды-

вание, ни на форму импульса.

Для строгого учета переходных сопротивлений искр использовали зависи-

мость:

где параметры к

П9

у и 8 зависят от выбранной модели искры (Ромпе и Вайцеля,

Брагинского либо Теплера) (см. § 6.4). В отличие от модели 1 в данной модели в

схеме учтены дополнительно индуктивности Ь

Ро

и Ь

Р]

, которые включены после-

довательно с промежутками Р

и Р\ соответственно при сохранении неизмен-

ной. На рис. 12 кривые

2-4

- расчетные формы импульса для этой модели и при

изменении сопротивления искры по Теплеру, Брагинскому и Ромпе и Вайцелю.

Лучшее согласие с экспериментом получается при использовании теории искры по

Ромпе и Вайцелю с остаточным сопротивлением, которое включает в себя неуч-

тенное сопротивление искр микросекундного диапазона и потери в диэлектриках.

В общем случае была рассмотрена система электрических блоков схемы

/ х М х N. где / - число секций в ряду; М - число рядов секций; N - число каска-

дов в каждой из секций. В числовой модели учтено, что емкость экранов относи-

тельно стенок бака С\ изменяется с увеличением изоляционного расстояния меж-

ду ними при возрастании порядкового номера каскада

к.

Кроме того, было преду-

смотрено различие в расстояниях с1о, с!^, и с1

для каждого каскада и каждой

секции. Модель сравнительно легко преобразуется для другого вида нагрузки.

В целом численное моделирование вносит определенные коррективы в ис-

ходные представления о работе одиночных секций и о процессе параллельного

включения. Во-первых, нарушается очередность включения Р

и Р

в одиноч-

ной секции (Р

опережают включение Р\ на несколько каскадов в зависимости

от соотношения между С

св

, С

и С

) и включение секции происходит быстрее,

чем при поочередном срабатывании (Р\

, Р\ и т.д.). Во-вторых, ГМ ведет себя

как распределенная система типа длинной линии, что приводит к перенапряже-

ниям на элементах С

св

при коротких фронтах среза импульса. В-третьих, совер-

шенно идентичные секции работают с разной скоростью, в зависимости от их

местоположения относительно стенок бака и относительно друг друга. В-

четвертых, при наличии секций, различающихся по своим параметрам, возмож-

ны ускорение работы секции с медленным включением и ее торможение, причем

эти особенности зависят от расположения секций внутри бака и, возможно, от

внутренних параметров секции.

Выявленные особенности показали необходимость моделирования работы сис-

темы параллельно включаемых секций на общую нагрузку в случае любого нового

конструктивного решения или при других параметрах секции. Подробнее о моде-

лировании генераторов Маркса написано в [19, 35].

(15.13)

15.6 Мощные наносекундные

импульсные

устройства

генераторами Маркса

293

§ 15.6 Мощные наносекундные импульсные устройства

с генераторами Маркса

Описанные выше генераторы Маркса являются первичными зарядными уст-

ройствами генераторов мощных наносекундных импульсов (рис. 13). ГМ в те-

чение приблизительно 1 мкс заряжает первичный накопитель энергии (конден-

сатор или линию). Импульсная зарядка накопителя дает возможность использо-

вать нетрадиционные жидкости в изоляции ГМ, такие, как вода и глицерин, а не

только трансформаторное масло. Кроме того, можно работать со значительно

большими электрическими полями, что позволяет снизить габариты всего уст-

ройства и использовать в качестве основного коммутатора неуправляемый раз-

рядник. Этот накопитель через основной коммутатор разряжается на формирую-

щую линию, которая через первый обостритель разряжается на передающую ли-

нию. Передающая линия через второй обостритель подсоединяется к нагрузке.

В качестве нагрузки может служить диод ускорителя электронов или ионов,

газовый лазер, резонатор мощного микроволнового генератора, лайнер системы

2-пинча, диод мощного рентгеновского генератора и т.д.

Схема на рис. 13 является обобщенной, так как в зависимости от параметров

импульса и его назначения могут отсутствовать те или иные элементы. В частно-

сти, второй обостритель, как правило, используется не только для уменьшения

фронта импульса, но и для уменьшения амплитуды предымпульса, который в слу-

чае использования в качестве нагрузки электронного диода приводит к появлению

преждевременной взрывной эмиссии электронов и нежелательному заполнению

диода плазмой до прихода основного импульса. Поэтому в ряде схем, где предым-

пульс не играет роли, его может не быть. Передающая линия может быть одновре-

менно преобразователем импеданса, например, экспоненциальной полосковой или

коаксиальной линией. В некоторых случаях в генераторах вообще нет обострите-

лей, а импульс после формирующей линии поступает сразу на нагрузку.

Рассмотрим схему с генератором Маркса в качестве зарядного устройства в ис-

торическом аспекте. В [10] предложено использовать зарядку малоиндуктивного

генератора от генератора Маркса для того, чтобы устранить влияние индуктивно-

сти его разрядного контура на длительность фронта импульса. В [11, 12] был опи-

сан генератор для получения импульсов 150 кВ и током 5 кА. Питание генератора

осуществлялось импульсами от ГМ. Формирующую и передающую линии изго-

товляли из коаксиальных медных труб, а в качестве изоляции использовали транс-

форматорное масло. Разрядник находился в герметической камере под давлением

Рис.

15.13.

Унифицированная схема для генерирования мощных наносекундных импульсов.

1 - генератор Маркса, 2 - емкостной накопитель энергии, 3 - формирующая линия, 4 - пе-

редающая линия, 5 - нагрузка, 6 - основной коммутатор,

- первый обостритель, 8 - вто-

рой обостритель

294

Глава 15. Генераторы Маркса

воздуха 10 атм. На нагрузке генератора появлялись импульсы с длительностью

фронта не более 1 не и плоской вершиной 20 не. Итак, в генераторе присутствова-

ли элементы 1, 2, 5, 5 и 6 схемы на рис. 13. Дальнейшим развитием этой идеи яв-

ляются наносекундные генераторы с амплитудой 0,5 и 1 МВ [13, 14], в которых

генератор Маркса заряжает безындуктивный конденсатор с трансформаторным

маслом. Этот конденсатор через разрядник в сжатом азоте разряжается на коакси-

альную линию с трансформаторным маслом. Нагрузкой являлось устройство для

исследования развития электрического разряда в диэлектриках (рис. 5). Если по-

добрать соответствующим образом индуктивность генератора Маркса, емкость

накопительного конденсатора и применить нагрузку К

» 2

, можно дважды ум-

ножить напряжение импульса - во-первых, за счет колебательного заряда емкости

от генератора Маркса, а во-вторых, за счет удвоения напряжения на нагрузке.

В таком генераторе был получен импульс с фронтом 1 не и амплитудой

МВ.

В первых мощных наносекундных импульсных ускорителях электронов [16] ис-

пользуется зарядка от генератора Маркса коаксиальных маслонаполненных линий с

последующей их разрядкой через разрядник в сжатом газе на электронный диод. Это

элементы 7, 2, 5 и 6 унифицированной схемы (рис. 13). В [38] опубликован обзор

Гудмана, в котором описаны генераторы рентгеновского излучения, разработанные в

1964-1968 гг. в А\УКЕ (Олдермастон). Ранее сведения об этих разработках были за-

крыты. В этих генераторах полосковые и коаксиальные линии заряжались от ГМ до

напряжения 0,2-4 МВ, а затем разряжались на рентгеновские трубки. Следователь-

но, они содержали элементы 7, 2, 6 и 5 унифицированной схемы. Все последующие

установки с импульсной зарядкой от генератора Маркса использовали этот принцип.

Это «Негтез-П» [18], «Аигога» [17], «РЦЬ8ЕКАЕ>» [39], «ОатЫе» [40] и др.

Генератор установки «РВРА-П» [25] содержит все элементы схемы рис. 13. Ге-

нератор Маркса 7 разряжается на водяной конденсатор 2, который через газовый

многозазорный коммутатор б с лазерным запуском разряжается на линии 3, 4 че-

рез обострители в воде 7, 8 для сжатия импульса и увеличения амплитуды напря-

жения. Затем импульс поступает на коаксиально-полосковый переход, инвертор

полярности и две полосковые линии, подводящие энергию импульса к вакуумному

диоду 5. В итоге на нагрузке получаются импульсы с напряжением 25 МВ при

мощности 100 ТВт. Ускоритель «РВРА-П» имеет четыре типа диэлектрика: транс-

форматорное масло, газ, воду и вакуум. В первой зоне размещены генераторы

Маркса, во второй - многозазорный газовый разрядник с лазерным поджигом, в

третьей - водяные формирующие и передающие коаксиально-полосковые линии с

многоканальными водяными разрядниками, в четвертой зоне находятся индуктив-

ный накопитель, умножитель напряжения, плазменный прерыватель тока для

окончательного обострения фронта импульса. К описанию других типов импульс-

ных генераторов большой мощности с зарядкой от генераторов Маркса мы еще

будем возвращаться при рассмотрении мощных импульсных ускорителей электро-

нов и ионов, лазеров, генераторов рентгеновских импульсов и т.д.

Здесь только заметим, что одной из важнейших проблем разработки генерато-

ров Маркса является проблема уменьшения длительности фронта импульса с

10~

с, как сейчас, до 10~

с. Это позволит существенно упростить конструкцию

мощных генераторов, а в некоторых случаях вообще избавиться от дополнительных

15.6 Мощные наносекундные

импульсные

устройства

генераторами Маркса

295

Рис.

15.14.

Конструкция секции генератора Маркса «8УКЖХУ081»

накопителей и коммутаторов. В частности, для прямой электронной накачки экси-

мерных лазеров в ИСЭ были разработаны ускорители электронов с прямым разря-

дом генератора Маркса с напряжением 600 кВ на вакуумный диод со взрывной

эмиссией электронов. Ток электронов в ускорителе составлял 700 кВ, а время его

нарастания до максимума 2-Ю"

с [41]. Генератор состоит из двенадцати блоков с

временем синхронного запуска 10~

с. Генераторы работают в условиях вакуумной

изоляции, а разрядники находятся в изолирующей трубе в атмосфере смеси элегаза

(30 %) и воздуха при давлении 1,5 атм. В другом варианте генератора Маркса для

установки «8УКШХ» для целей радиографии получено время нарастания тока

6-10

-7

с при амплитуде тока 700 кА, напряжения -1 МВ [42].

Конструкция секции генератора Маркса, состоящей из 10 ступеней, показана на

рис. 14. Конденсаторы ступеней 1 уложены на диэлектрические бруски 2, которые

крепятся к вертикальным диэлектрическим плитам 3. Эти плиты висят на подве-

сах 4, вмонтированных в крышку бака 5. Каждый конденсатор снабжен разрядни-

ком б, который с помощью коробчатых шин 7 соединен с внешним электродом

коаксиальной линии 8. Внутренний электрод этой линии подключен с одной сто-

роны к нагрузке 9, а с другой - к выходному электроду разрядника последней сту-

пени. Диаметры внутреннего и наружного проводников коаксиала 8 равны 160 мм

и 200 мм соответственно. Межэлектродный зазор коаксиала изолирован с помо-

щью твердой изоляции (полиэтиленовая труба). Каждая секция расположена внут-

ри своего бака. Внутренний объем бака 10 и область нагрузки 9 заполнены

трансформаторным маслом. Бак имеет высоту 4,8 м, длину 1,7 м и ширину 0,9 м.

Параметры секции таковы: емкость 3,95 мкФ, индуктивность 10 нГн, напряжение

90 кВ, давление сухого воздуха в разряднике 2,5 атм.

296 Глава

15. Генераторы Маркса

Литература к главе 15

1. Смирнов С.М.,

Терентъев

П.В. Генераторы импульсов высокого напряжения. М.; Д.:

Энергия, 1964.

8скепп%

Н., Казке Ж Ет кМпег 81еП™е11еп§епега1ог Шг 500 кУ // ЕТ2. Е1ек1го1есЬп.

2*зсЬг. 2еп*га1Ы. Е1ек*го*есЬп. 1935. Вё. 56, Н. 27. 8. 751.

3. Месяц Г.А. Получение импульсов высокого напряжения с крутым фронтом //

Высоковольтное испытательное оборудование и измерения / Под ред. А.А. Воробьева.

М.; Л.: Госэнергоиздат, 1960. С. 379-393.

ВгоаЛЪеШ Т.Е.

Ыеду Ш§Ь-Уока§е МиШз1а§е 1три1зе Оепега*ог Сксик II I. 8сь 1пз1гит.

1960.

Уо1.

37, N7.

Р.

231-236.

8тИН Ж.А.

Ап 1тргоуетеп11о 1Ье МиШз1а§е 1три1зе Оепега1ог //

1Ыё.

1958.

Уо1.

35, N 12.

Р.

474.

СНагЪоптег

ЕМ.,

ВагЪоиг З.Р., Вгепе&ег 1.Ь.

1п1епзе Ыапозесопё Е1ес1гоп Веатз // ШЕЕ

Тгапз.

Ыис1.

8сь 1967.

Уо1. 14,

N 3.

Р.

789.

Су&

Е.,

8скпеШег Р.

А Иапозесопё Ри1зе СепегаЮг

о?200 кУ

АтрИшёе //

8с1.

Кер. СЕКК

1964.

Уо1.

АЯ64. Р. 46.

Ке11ег

Ь.Р,

Жа1зсНоп

Е.С. $ипр1е Магх

НщЪ

Уо11а§е Ри1зе Оепега1ог Гог Оар 8рагк

СЬашЬегз //

Кеу.

8сь 1пз*гшп. 1966.

Уо1.

37, N 9. Р. 1258.

9. Ельчанинов А.С., Загулов Ф.Я.,

Ковалъчук

Б.М., Яковлев В.П. Генератор электронных

пучков с наносекундной точностью включения // Мощные наносекундные импульсные

источники ускоренных электронов / Отв. ред. Г.А. Месяц. Новосибирск: Наука, 1974.

С.123-127.

10.

Месяц Г.А.

Генератор импульсных напряжений. А. с. 156616 СССР. 1962.

11. Воробьев Г.А., Месяц Г.А. Техника формирования высоковольтных наносекундных

импульсов. М.: Госатомиздат, 1963.

12. Воробьев Г.А., Месяц Г.А., Руденко Н.С.,

Смирнов

В.А. Генератор импульсов с ампли-

тудой 150 кВ и крутым фронтом // ПТЭ. 1963. № 6. С. 93-94.

13.

Воробьев Г.А., Руденко Н.С.

Генератор наносекундных импульсов напряжения 500 кВ //

ПТЭ. 1965. № 1. С. 109-111.

14. Воробьев Г.А., Руденко Н.С., Батин В.В., Цветков В.И. Генератор наносекундных

импульсов с амплитудой

МВ // ПТЭ. 1968. № 1. С. 126-127.

15.

СгауЬШ 8.Е., ИаЫо 8. V.

ТЬе Оепегайоп апё О1а§позез оГРи1зеё КеЫмзйс Е1ес1гоп Веатз

аЬоуе 10

\Уа«з // ШЕЕ

Тгапз. Иис1.

8сь 1967.

Уо1. 14,

N 3.

Р.

782-788.

16. Ыпк

Ж.Т.

Е1ес1гоп Веатз йот 10

-10

ШП

Ри1зеё Ассе1ега*огз

1Ыё.

1967.

Уо1.

14, N 3.

Р. 777-781.

17.

ВегпзШп В., 8тИН I.

«Аигога», ап Е1ес1гоп

Ассе1ега*ог

1Ыё.

1973.

Уо1.20,

N3.

Р.

294-300.

18.

МагИп Т.Н.

Оез1§п апё Рег&гтапсе

оГ Ше

8апё1а ЬаЬога1опез «Негтез-П» Р1азЬ Х-Кау

ОепегаЮг //

1Ыё.

1969.

Уо1. 16,

N 3, рН.

Р.

59-63.

19. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильно-

точной электронике. Новосибирск: Наука, 1987.

20.

ЕИсН

К.А. Магх апё Магх-Ыке Уо11а§е ОепегаЮгз // ШЕЕ Тгапз. Иис1. 8с1. 1971.

Уо1.

18,

N4.

Р.

190-196.

21.

РгезШсН

К.В.,

Зокпзоп

В.Ь. Оеуе1ортеп*

оГ ап

18-Ме§ауок Магх Оепега*ог // 1Ыё. 1969.

Уо1.

16,

N 3.

Р.

64-70.

22. Бастриков А.Н, Ковалъчук Б.М., Кокшенев В.А. Мощный генератор импульсов

напряжения с высокой стабильностью срабатывания // ПТЭ. 1981. № 6. С. 101-104.

23.

8сНпеШег

Ь.Х., ЬосЫоос! С.1 Еп§теепп§ Н1§И КеИаЪПйу, Ьоду-Лйег Магх ОепегаЮгз //

Ргос. V ШЕЕ Ри1зеё Ро\уег

СопГ. АгИп§*оп,

1985.

Р.

780-783.

24.

ЖооЫоп Т.Ь.,

Ыз

Н.С.

Магх Оепега1ог Еп§теепп§ апё АззетЫу Ппе ТесЬпо1о§у

Гог Ше

РВРА-Н Ассе1ега1ог //

1Ыё. Р.

788-791.

25.

Тигтап

В.К,

МагНп Т.Н., Ыеаи

Е.1.

е*

а1. РВРА-И, а 100 Т\У Ри1зеё Ролуег Бпуег

Гог

*Ье

1пеП1а1

Сопйпетеп* Ризюп Рго§гат //

1Ыё. Р.

155-161.

Литература

главе

14 297

26. ЬосЫоос! О.У.,

Ки%%1ев

Ь.Е.,

Ыеуег

В.Т,

ЗсНеШег Ь.Х.

РЬо1оп В1а§поз1ю5 ЬеасИп§ ю ап

1тргоуеё Магх //

1Ыё.

Р. 784-787.

27.

Большаков

Е.П.,

Велихов

ЕЛ.,

Глухих В.А.

Модуль установки «Ангара-5» // Атом, энер-

гия. 1982. Т. 53, вып. 1. С. 14-18.

28. Стерлигов А.А., Усов Ю.П., Цветков В.И., Шаталов А.А. Генератор импульсного

напряжения с запасаемой энергией 135 кДж // ПТЭ. 1976. № 6. С. 71-73.

29. Бастриков А.В., Бугаев С.П., Воробьюшко М.И. и др. Сильноточный электронный

ускоритель «Гамма» // ПТЭ. 1989. № 2. С. 36-41.

30.

Ковальчук Б.М., Кокшенев В.А., Новиков А.А., Яковлев В.П.

Секция на

МВ для мощных

сильноточных импульсных генераторов // ПТЭ. 1989. № 1. С. 137—139.

31.

Воробьюшко

М.И., Ковальчук Б.М., Кокшенев В.А. и др. Разработка и исследование

секций генератора напряжений по схеме Маркса для мощных импульсных систем //

1Всесоюз. конф. по инж. пробл. термоядер, реакторов: Доклады: В 3 т. Л., 1977. Т. 3.

С. 160-167.

32.

Бабыкин

М.В.,

Бартов А.В.

Методы получения предельных электрических мощностей в

коротких импульсах. М., 1972. (Препр. ИАЭ им. И.В. Курчатова).

33.

Бастриков

А.Н.,

Воробьюшко

М.И.,

Ковальчук Б.М.

и др. Генератор импульсов напря-

жения для мощных импульсных систем // II Всесоюз. конф. по инженер, пробл. термо-

ядер. реакторов: Доклады: В 4

т.

Д., 1982. Т. 3. С. 152-159.

34.

НеИЬгоппег К. Ж

Ршп§ апё УЫ1а§е 8Ьаре о? МиШз1а§е 1шри1зе Оепега1ог // ШЕЕ Тгапз.

Ро\уег

Арр1.

8уз*. 1971.

Уо1.

90, N 5.

Р.

2233-2238.

35.

Ковальчук

Б.М., Кремнев В.В. Генераторы Аркадьева-Маркса для сильноточных уско-

рителей // Физика и техника мощных импульсных систем / Под ред. Е.П. Велихова. М.:

Энергоатомиздат, 1987. С. 165-179.

36.

Сигорский

В.П.,

Петренко А.И.

Алгоритмы анализа электронных схем. М.: Сов. радио,

1976.

37. Мик ДжКрэгс Дж. Электрический пробой в газах: Пер. с англ. М.: Изд-во иностр.

лит., 1960.

38. 1С. Магйп оп Ри1зеё Ро\уег / Её. Ьу Т.Н. Магйп, А.Н. Оиеп1;Ьег, апё М. Кпзйапзеп. Ы.У.:

Р1епиш ргезз, 1996.

39.

С1аизег

МЛ., Вакег Ь., МсВате! Э.Н. е! а1. Ма§пейс 1тр1озюп оГ Р1азтаз §ЬоП

Ри1зе, НщЬ Ро^ег ОепегаЮгз //

Ви11.

Атег. РЬуз. 8ос. 8ег. И. 1978.

Уо1.

23, N 7. Р. 822.

40.

Ьеуте Ь.8., ИМоуИзку 1.М.

Ри1зеё Ро\уег ТесЬпо1о§у !ог СоШтоПеё ТЬегтопис1еаг Ризюп //

ШЕЕ Тгапз.

Ыис1.

8с1. 1971.

Уо1.

18, N 4,

р!

Р.

105-112.

41. Абдуллин Э.Н., Бугаев СЛ., Ефремов А.М. и др. Генераторы пучков электронов на

основе вакуумно-изолированных генераторов Маркса // ПТЭ. 1993. № 5. С. 138-142.

42.

Ковальчук Б.М., Кремнев

В.В., Ким А.А.,

Манылов В.И.

Быстрый первичный накопитель

на основе генератора Маркса // Изв. вузов. Физика. 1997. № 12. С. 17—24.

Глава 16

ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

§ 16.1 Введение

В предыдущей главе мы рассмотрели генераторы мощных наносекундных им-

пульсов с зарядкой формирующих линий от генератора Маркса. В такой системе

есть ряд недостатков, которые мешают ее широко использовать в импульсной тех-

нике. Например, наличие большого числа разрядников, что делает систему недол-

говечной и малопригодной для работы в импульсно-периодическом режиме, а так-

же необходимость электрической изоляции всех конденсаторов генератора. В этом

отношении импульсные трансформаторы более предпочтительны. Применяется

много типов трансформаторов, таких, как трансформатор Тесла, автотрансформатор,

линейный трансформатор, трансформаторы на основе длинных линий

и т.д.

[1].

При помощи трансформаторов Тесла или автотрансформаторов можно созда-

вать импульсно-периодические системы с частотой до 10

Гц и напряжением более

1 МВ. Такие системы компактны, так как трансформатор может быть встроен

внутрь накопительной линии (серия «Синус»). В частности, с использованием

трансформаторов Тесла были созданы компактные импульсные генераторы, уско-

рители и рентгеновские генераторы [2].

Линейные трансформаторы [3] позволяют умножать напряжение более эффек-

тивно, чем генераторы Маркса. В частности,

ускорителе «Негшез-Ш» достигнуто

напряжение 20 МВ [4] за счет умножения напряжения первичных генераторов на

накопительных линиях, заряжаемых генератором Маркса.

Итак, использование импульсных трансформаторов позволяет получать высокую

частоту следования импульсов, создавать очень компактные системы, получать эф-

фективное умножение напряжения. Рассмотрим эти генераторы более подробно.

§ 16.2 Генераторы с трансформаторами Тесла

Принцип работы трансформатора Тесла был рассмотрен нами выше (см. § 3.2).

Напомним, что это резонансный трансформатор, состоящий из двух индуктивно

связанных контуров ЬС, у которых собственные частоты колебаний равны, т.е.

§16.2

Генераторы

трансформаторами Тесла

299

С\Ь\ = С

, причем, выбрав С\ = л

, можно обеспечить умножение напряжения

на емкости С

в п раз.

В [5] разработан импульсно-периодический наносекундный генератор для ус-

корителя электронов. Амплитуда импульса напряжения регулировалась в пределах

5(Ь-500 кВ, длительность импульса составляла 10+-40 не и регулировалась срезаю-

щим разрядником (рис. 1). Если емкость С\ заряжена, то после срабатывания раз-

рядника Р\ в контуре Ь\С\ возбуждаются колебания, которые через индуктивную

связь передаются в Ь

- контур и наоборот. В качестве емкости С

служит ем-

кость коаксиальной линии Л

. Если пренебречь активным сопротивлением обмо-

ток трансформатора и принять коэффициент связи к = 0,6, то напряжение на ли-

нии Л\ будет иметь форму биений, причем максимум биений будет на второй по-

луволне и составит II

п2

= л/сус^о (^о - начальное напряжение на емкости С\).

В разработанной конструкции трансформатора С\ = 0,23 мкФ, Ь

= 2 мкГн, Ь

= 1230 мкГн, С

= 370 пФ; в первичной обмотке 6 витков, во вторичной - 230.

Трансформатор выполнен в виде двух коаксиальных цилиндров. Вторичная обмот-

ка намотана на внутреннем цилиндре нихромовой проволокой с омическим сопро-

тивлением 50 Ом и помещена в трансформаторное масло. Намотка нихромовым

проводом необходима для рассеяния избыточной энергии и уменьшения тем са-

мым износа электродов коммутирующего разрядника Р

. В момент достижения

нужного максимума напряжения в линии Л\ запускается разрядник Р

2ь

после чего

линия Л\ разряжается и импульс с крутым фронтом поступает на нагрузку - элект-

ронную трубку (ЭТ). Часть этого импульса через сопротивление Л = 240 Ом и ка-

бель с волновым сопротивлением 50 Ом подается на запуск срезающего разрядни-

ка Р

. Накопительная линия Л\ имеет волновое сопротивление 60 Ом, а длину

4,5 м. Коммутирующий разрядник Р

для уменьшения времени коммутации за-

полнен азотом при давлении 15 атм.

Срезающий тригатронный разрядник Р

формирует срез импульса, шунтируя

нагрузку в нужный момент времени, задаваемый длинами кабеля Л"

и искрового

ЛА

Рис. 16.1. Принципиальная схема генератора. 1 - пуск разрядника Р

2 - пуск разрядни-

ка Р

, 3 - регулировка напряжения, 4 - зарядное устройство, 5 - пульт управления. СУ -

согласующее устройство с сопротивлением

К,

ИТ - импульсный трансформатор Тесла