Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

430

Глава 22. Генераторы мощных импульсов

схемах с магнитными элементами

образом, что зарядное напряжение на емкости С

будет вызывать ее насыщение в

тот момент, когда емкость С

полностью зарядится. При насыщении величина

индуктивности Ь

меньше индуктивности Ь

, поэтому теперь резонансный пери-

од разряда от С

к С

меньше, чем от С

к С

. Число звеньев в таких генераторах

обычно не превышает пяти.

Электрическая схема, которая получила наиболее широкое распространение при

разработке магнитных генераторов мощных импульсов [1], приведена на рис. 5. Ос-

новное ее преимущество состоит в том, что при передаче энергии из первичного

конденсатора С

в конденсатор С

ток заряда конденсатора С

протекает по обмот-

кам всех остальных магнитных элементов генератора (в данном случае Ь

и Ь

При этом магнитные сердечники перемагничиваются этим током в нужном направ-

лении, что исключает необходимость использовать для них отдельные цепи подмаг-

ничивания. Входная цепь генератора, содержащая первичный накопитель С

и вход-

ной (как правило, повышающий) трансформатор Ь

, чаще всего содержит тири-

сторный ключ в качестве первичного коммутатора энергии.

Схема работает следующим образом. После заряда первичного накопителя С

и коммутации его тиристором на входной трансформатор Ь

энергия из первично-

го накопителя передается через трансформатор сначала в конденсатор С

. Ток за-

ряда конденсатора С

протекает по следующим элементам: вторичная обмотка

трансформатора Ь

- конденсатор С

- нагрузка К

- индуктивности Г и Г -

обмотки магнитных ключей [

и 1

- вторичная обмотка трансформатора Ь

При этом конденсатор С

не заряжается, поскольку он зашунтирован обмотками

магнитных элементов, а энергия поступает только в конденсатор С

. После заряда

конденсатора С

происходит насыщение сердечника входного трансформатора

, и конденсатор С

в согласованном режиме (С

= С

) разряжается через вто-

ричную обмотку трансформатора Ь

на конденсатор С

. Вольт-секундный инте-

грал ключа Ь

выбран таким образом, что в течение времени нарастания напря-

жения на С

происходит перемагничивание его сердечника. В момент времени,

когда напряжение на конденсаторе С

близко к своему максимальному значению,

ключ Ь

насыщается и происходит передача энергии в следующее звено - из кон-

денсатора С

в конденсатор С

. Далее аналогичным образом срабатывает ключ

Ц и энергия из конденсатора С

переводится в нагрузку через цепи С -I! и

С-1\ которые в генераторах микросекундного диапазона являются цепями для

формирования прямоугольного импульса.

Рис. 22.5. Наиболее распространенная схема магнитного импульсного генератора

22.2 Схемы генераторов мощных импульсов

431

Для развязки цепи заряда конденсатора С

от нагрузки (на схеме ток заряда

конденсатора С

протекает через нагрузку) используется шунтирование нагруз-

ки полупроводниковым диодом, дополнительным параллельным магнитным клю-

чом или вводится разделительный импульсный трансформатор. В наносекундном

диапазоне времени сосредоточенные цепочки формирования квазипрямоугольно-

го импульса С-I! и С"-Ь" заменяются линией с распределенными парамет-

рами, которая после заряда коммутируется на нагрузку дополнительным магнит-

ным ключом.

Ниже приведены основные соотношения, описывающие работу магнитного

ключа:

2АВз

М?

= 1Л

П9

(22.7)

(22.8)

'г

ад **

(22.9)

12р'

Здесь АВ - перепад магнитной индукции в сердечнике за время перемагничива-

ния; 5

- активное сечение сердечника; - число витков обмотки; II - макси-

мально е напряжение на ключе перед насыщением; /

- время перемагничивания;

- индуктивность ключа в насыщенном состоянии; ц

- магнитная постоян-

ная; ц - кажущаяся магнитная проницаемость; /

- длина средней силовой линии

сердечника; И

уд

- удельные потери на перемагничивание сердечника; Н

- величи-

на коэрцитивной силы магнитного материала; 8 - толщина ленты, из которой изго-

товлен сердечник; р - удельное сопротивление магнитного материала сердечника.

Соотношение (7), называемое вольт-секундным интегралом магнитного ключа,

записано для чаще всего используемого на практике случая, когда напряжение на

магнитном ключе нарастает линейно. Это соотношение характеризует способность

ключа находиться в разомкнутом состоянии, т.е. определяет величину максималь-

ного напряжения на ключе и время его достижения до перехода в замкнутое со-

стояние. Соотношение (8) определяет основную характеристику ключа для замк-

нутого состояния - его индуктивность в насыщенном состоянии, когда через ключ

передается энергия из накопителя в нагрузку. Соотношение (8) при прочих равных

условиях определяет внутренний импеданс магнитного генератора и соответствен-

но величину максимальной импульсной мощности, которая может быть получена в

нагрузке. Соотношение (9) описывает величину удельных потерь энергии в мате-

риале сердечника магнитного ключа при его перемагничивании. Первое слагаемое

соответствует потерям на гистерезис, второе - потерям за счет вихревых токов.

Основные требования к материалу сердечника магнитного ключа определяются

спецификой его работы: ключ должен иметь большую индуктивность в ненасы-

щенном состоянии (разомкнутое состояние) и минимально возможную индуктив-

ность в режиме глубокого насыщения (замкнутое состояние). В связи с этим, как

это следует из соотношений (7)-(9), материал сердечника должен иметь неболь-

шую величину коэрцитивной силы, большую индукцию насыщения, минимальную

магнитную проницаемость насыщения, прямоугольную петлю гистерезиса и ма-

лые потери на вихревые токи при коротких временах перемагничивания. В качест-

ве материала сердечника магнитного ключа в мощных магнитных генераторах

432

Глава 22. Генераторы мощных импульсов

схемах с магнитными элементами

наибольшее распространение получили ферриты, железоникелевые сплавы (пер-

маллои) и аморфные сплавы.

Основное преимущество ферритов в отличие от сердечников из ферромагнит-

ной ленты (пермаллой и аморфный сплав) состоит в высоком удельном сопротив-

лении материала, что практически исключает потери энергии за счет вихревых

токов [8]. В связи с этим ферриты применимы при сверхкоротких временах пере-

магничивания, составляющих десятки не, и позволяют работать с частотой повто-

рения импульсов в единицы и десятки кГц. Однако по остальным магнитным

свойствам ферриты существенно уступают металлическим ферромагнитным спла-

вам. Они имеют низкую индукцию насыщения (менее 0,5 Тл), низкую температуру

Кюри (100-200 °С) и более высокую величину магнитной проницаемости в насы-

щенном состоянии. Кроме этого, максимальный диаметр ферритовых сердечников

ограничен величиной 200-300 мм, что при прочих равных условиях увеличивает

индуктивность магнитного ключа в насыщенном состоянии, снижает коммутируе-

мую импульсную мощность и рабочее напряжение. В связи с этим ферритовые

ключи получили наибольшее применение в магнитных генераторах с высокой час-

тотой следования импульсов и умеренными значениями выходного напряжения

(50-200 кВ) и импульсной мощности (десятки и сотни МВт) при длительности

импульса в десятки и сотни не. Максимальная достигнутая импульсная мощность

составляет 7 ГВт [8]. Характеристики ряда ферритовых материалов, производимых

в России, приведены в таблице 1 [2].

Таблица 22.1.

Характеристики ряда ферритовых материалов, производимых в России

Марка феррита НС9 А/м

Вг9 Т

в59 т

а (при #>10

А/м) р, Ом м

Н59 кА/м

1000НН

0,08 0,3

0,1

7,5

600НН

0,15 0,35

0,11

100

12,5

100НН

0,2

0,46

0,08

15,0

1000НМ 28

0,11 0,37

ОД

1,0

В отличие от ферритов ферромагнитные сплавы имеют высокую индукцию на-

сыщения (1,3-1,55 Тл для пермаллоев и 1,6-1,8 Тл для аморфных сплавов), низкое

значение коэрцитивной силы (единицы А/м), высокую температуру Кюри (400-

700°С), высокий коэффициент прямоугольности петли гистерезиса (0,95-0,98) и

малую величину магнитной проницаемости насыщения, которая в высоких полях

приближается к единице. Главный недостаток ферромагнитных сплавов состоит в

малой величине удельного сопротивления: 0,45-0,55 мкОм м для пермаллоев и

1,2-1,4 мкОм м для аморфных сплавов. С одной стороны, это приводит к необхо-

димости изготовления сердечников из тонкой ленты (единицы и десятки мкм) с

обеспечением изоляции между витками, что усложняет и удорожает изделие и

снижает коэффициент заполнения сечения сердечника магнитным материалом.

С другой стороны, малая величина удельного сопротивления ограничивает мини-

мально возможное время перемагничивания, составляющее несколько сотен не.

При времени перемагничивания менее 100 не потери энергии за счет вихревых

токов, даже при использовании аморфных сплавов, возрастают до неприемлемых

на практике величин.

22.3 Генерирование мощных наносекундных импульсов

433

В связи с этим сердечники из ферромагнитных сплавов находят применение

при разработке мощных магнитных генераторов с большой запасаемой энергией

(десятки Дж ~ сотни кДж), напряжением от сотен кВ до единиц МВ и умеренной

частотой следования импульсов (10-1000 Гц). В отличие от ферритовых сердечни-

ков применение ферромагнитных сплавов дает возможность изготавливать сердеч-

ники большого диаметра для снижения индуктивности ключа в насыщенном со-

стоянии. В сверхмощных одновитковых ключах, встроенных в формирующую ли-

нию, диаметр сердечника может достигать 2 м. В качестве примера одного из

наиболее мощных магнитных ключей можно привести результаты, полученные на

установке «Соте!» в работе [9]. Магнитный ключ этой установки коммутирует

энергию 135 кДж при напряжении 2,7 МВ. При этом импульсная мощность, разви-

ваемая в нагрузке 1,9 Ом, составляет 3,7 ТВт при времени нарастания импульса

напряжения 25 не.

В таблице 2 приведены данные наиболее часто используемых современных маг-

нитных материалов [10].

Таблица 22.2.

Материал лента

мм

(Т)

(А/м)

(°С) р (мкОм-м) АВ (Т)

МЕТОЬА8 2605СО

1,8

1,7

3,2

415 1,23 3,5

МЕТОЬА8 26058С

1,6

1,5

2,4

370 1,35 3,1

МЕТОЬА8 2705М

0,7

0,8 365 1,36

1,4

МЕТОЬА8 2714А

0,55

0,5

0,2

205 1,30

1,05

3,2% 8ьРе

1,97

1,4

50,0

730

0,50

3,4

50%

№-Ре

1,6 1,5

8,0 480

0,45

3,1

80%

№-Ре

0,8 0,7

2,2

460 0,55

1,5

N1-211

феррит 0,33

0,25

80,0

>280 10

0,58

N1-211

феррит 0,51

0,12

12,0

>230

0,63

Главное отличие аморфных сплавов от пермаллоев состоит в том, что аморф-

ные сплавы имеют примерно в 3 раза большее удельное сопротивление и примерно

во столько же раз меньшую коэрцитивную силу. В основном это различие сказыва-

ется только на удельных потерях энергии на перемагничивание. Аморфные сплавы

имеют меньшие удельные потери на гистерезис при времени перемагничивания

более 30 мкс за счет узкой петли гистерезиса и при времени перемагничивания

менее 300 не за счет увеличенного сопротивления вихревым токам. В диапазоне

времени перемагничивания от 0,3 до 30 мкс удельные потери в пермаллоях и

аморфных сплавах близки друг

другу.

§ 22.3 Генерирование мощных наносекундных импульсов

Один из первых генераторов мощных наносекундных импульсов с использова-

нием ферромагнитных элементов с быстрым перемагничиванием был описан

в [11]. В нем были получены пикообразные импульсы с длительностью Ю

-8

с и

амплитудой до 30 кВ с использованием быстрой нелинейной индуктивной катушки

28. Месяц Г.А

434

Глава 22. Генераторы мощных импульсов

схемах с магнитными элементами

(рис. 6, а). Конденсатор С

заряженный через сопротивление К

, тиратрон Т

разряжает на нелинейную индуктивность Ь. Индуктивность этой катушки Ь ~ ц -

магнитной проницаемости ферромагнитного материала. Типичная зависимость ц

от тока намагничивания I приведена на рис. 6, б. При некотором токе /

магнит-

ная проницаемость ц, а следовательно, и индуктивность, имеют максимум. Такое

поведение индуктивности создает условие для получения короткого импульса.

Если разряд конденсатора через тиратрон будет периодическим, то получаются

два импульса: отрицательный и положительный. При апериодическом разряде

(К

> 2\/Ь/С) тиратрон пропустит однополярный импульс тока, поэтому на ка-

тушке индуктивности появится короткий импульс напряжения (рис. 6, в). Для уве-

личения крутизны спадающей части импульса катушка индуктивности Ь может

быть шунтирована искровым разрядником Р с демпфирующим сопротивлени-

ем К

[11]. Таким образом удается получить пикообразный импульс с напряжени-

ем до 10 кВ и длительностью 5 не.

Дальнейшее развитие этой техники привело к значительному росту мощности.

Выходная импульсная мощность генераторов сейчас достигает нескольких тера-

ватт. Освоение наносекундного диапазона и рост мощности создали базу для ос-

воения новых областей применения генераторов. Если ранее магнитные генерато-

ры импульсов применялись в основном в радиолокации, автоматике и вычисли-

тельной технике, то теперь появился ряд новых типов, относящихся главным

образом

технике физического эксперимента и электрофизических установок.

Одна из новых областей применения возникла в связи с совершенствованием

ускорителей электронов, где раньше с успехом применяли генераторы на искровых

разрядниках и тиратронах. Переход в наносекундный диапазон длительностей

формируемых пучков, повышение частоты повторения до килогерц обеспечивают-

ся за счет применения магнитного генератора [8].

Магнитные генераторы применяют также в качестве импульсных источников

питания мощных модуляторных ламп, установок волнового разряда в плазме, а

также лазеров на парах металлов. Здесь частота следования достигает десятков

килогерц при длительности импульсов -100 не и средней мощности -10 кВт.

Магнитные звенья сжатия получают энергию для формирования импульсов ли-

бо от сети переменного тока, либо от источника импульсов на тиристорах, транзи-

сторах, тиратронах. Последний чаще называют генератором исходных импульсов.

Рис. 22.6. Получение наносекундных импульсов при помощи тиратрона и ферромагнитной

катушки, а - схема генератора, б - зависимость магнитной проницаемости* ц от тока, в -

получение наносекундного импульса

при

разряде конденсатора

22.3

Генерирование

мощных наносекундных импульсов

43 5

Если генератор исходных импульсов выполнен на тиристорах, генератор импуль-

сов в целом называют магнитотиристорным, если на тиратронах - тиратронно-

магнитным, если на искровых разрядниках, то магнитоискровым, а если исполь-

зуются электронные лампы - то магнитоламповым.

Структурная схема магнитного генератора наносекундных импульсов в практи-

чески неизменном виде повторяется в генераторах различной мощности и назначе-

ния. Ее можно пояснить на примере магнитотиристорного генератора [12]. На

рис. 7 показана упрощенная схема одного из четырех параллельно и синхронно

работающих модулей генератора [12]. Схема состоит из трех основных частей: 1 -

генератора исходных импульсов, 2 - магнитных звеньев сжатия, 3 - формирующе-

го устройства. Кроме того, генератор может содержать дополнительные узлы: уст-

ройства согласования с нагрузкой, обострения фронта, трансформации импульсов.

Для обеспечения работы генератора необходимы также источники питания с филь-

тром, системы запуска, источники питания и элементы развязки цепей подмагни-

чивания, системы охлаждения и др.

Назначение частей структурной схемы и применяемая здесь терминология сле-

дующие. Элементы Др1, Ь

, 7], Т

, С

составляют входную цепь генератора;

Др2, Д

- первое звено. Генератор исходных импульсов 1 называют генерато-

ром с тиристором во входной цепи. Этот генератор обеспечивает периодический

заряд конденсатора С

, последний по достижении на нем максимума напряжения

или с некоторой дополнительной задержкой разряжается на конденсатор следую-

щего звена. В магнитных звеньях сжатия происходит последовательная передача

энергии от предыдущего конденсатора к следующему с одновременным сжатием

импульса во времени. Формирующее устройство преобразует энергию, накоплен-

ную в конденсаторе С

, в энергию прямоугольных или квазипрямоугольных им-

пульсов, поступающих в нагрузку.

и Т

0,38 кВ

+ 0-

(б)

Выход

1,6

Рис. 22.7. а - схема генератора мощных наносекундных импульсов (один из четырех парал-

лельно включенных модулей):

- генератор исходных импульсов, 2 -

звенья

сжатия с транс-

форматором, 3 - формирующее устройство; б - одна из двадцати двух параллельно включен-

ных цепей формирующего устройства: Л

- кабель РК-75-4-21, 1

м;

- линия с временем

задержки 25 не, волновым сопротивлением 37 Ом; Лз - выходной кабель РК-75-4-21, два

включенных параллельно

отрезка;

, С

- К15У-1

28*

436

Глава 22. Генераторы мощных импульсов

схемах с магнитными элементами

В частности, в генераторе, показанном на рис. 7, происходят следующие преоб-

разования энергии, поступающей от источника. В начальном состоянии (до вклю-

чения тиристоров) конденсатор С

заряжен до напряжения 325 В обратного знака,

что соответствует 10% максимальной энергии, запасаемой в полностью заряжен-

ном конденсаторе. Обратное напряжение обусловлено действием цепей подмагни-

чивания, не показанных на рисунке, и шунтирующим действием трансформато-

ра Тр1. После включения тиристоров в конденсатор С

передается от сети за один

импульс энергия 0,75 Дж. При этом 10% теряется в зарядном контуре, столько же

энергии добавляет первоначальный обратный заряд С

. В итоге максимальное на-

пряжение С

становится равным 1 кВ. Длительность импульса тока тиристоров

17 мкс. В процессе накопления заряда в С! и в течение еще 30 мкс дроссель Др2

(если его рассматривать как магнитный замыкатель тока) находится в положении

«разомкнуто», и его сердечник перемагничивается от начального состояния до

насыщения. При техническом насыщении сердечника Др2 происходит передача

энергии из С

в С

за 12 мкс. Аналогичным образом происходит последователь-

ная передача в С

, С

за 3,5; 1,3; 0,7; 0,35; 0,2 мкс соответственно.

Амплитуды напряжений на конденсаторах

+С

практически одинаковы, далее

напряжение поднимается трансформатором Тр1 (1 : 8) с 0,9 до 6 кВ.

Линия передачи Л

служит лишь для соединения блоков. Конденсатор С

слу-

жит емкостным накопителем энергии и вместе с Др8 и Л

- устройством форми-

рования квазипрямоугольного импульса в нагрузочной линии Л

. Режим насыще-

ния сердечника дросселя Др8 выбирается таким, чтобы ток разряда С

на Л

имел так называемую квадратно-синусоидальную форму (форму первого пе-

риода квадрата синуса) и длительность 100 не. В линии Л

этот импульс разряда

складывается с таким же, отраженным от разомкнутого конца линии Л

. При пра-

вильном выборе длины Л

в нагрузке формируется импульс с плоской вершиной.

Выходной импульс имеет длительность 100 не и энергию 0,5 Дж, что составляет

0,65 от энергии, принятой от источника. При частоте 5 кГц суммарная средняя вы-

ходная мощность четырех модулей составляет 10 кВт. Потери энергии имеют ме-

сто в звеньях и в трансформаторе. Для стабилизации температурного режима гене-

ратор помещен в циркулирующее трансформаторное масло, а тиристоры отдают

тепло радиаторам, охлаждаемым водой. Описание других типов магнитных гене-

раторов можно найти в обзоре [8].

Принципиальным прорывом на пути увеличения импульсной мощности было

использование в магнитных ключах катушек из метгласа (лента из аморфного маг-

нитного материала). В качестве примера рассмотрим работу установки «Соте*»,

разработанной в 81ЧЬ [9]. Это генератор с двумя ступенями магнитного сжатия.

В качестве первичного накопителя использовался генератор Маркса с энергозапа-

сом 370 кДж и зарядным напряжением 95 кВ. Этот генератор через газовый раз-

рядник заряжал коаксиальную водяную линию, которая через первый магнитный

ключ заряжала вторую накопительную линию. Затем эта накопительная линия че-

рез второй магнитный ключ разряжается на передающую линию, которая замкнута

на нагрузку 1,9 Ом (раствор медного купороса). В окончательном варианте на на-

грузку передавалось 42% энергии, причем через магнитные ключи проходило 80%

энергии, а остальные потери возникали в генераторе Маркса и в искровом газовом

разряднике. В конечном итоге на нагрузке был получен импульс с мощностью

3,7 ТВт, напряжением 2,7 МВ и длительностью импульса на полувысоте 35 не.

§22.3

Генерирование мощных наносекундных импульсов

431

При конструировании магнитных компрессоров использовалась лента из мет-

гласа (МЕТОЬА8 26058С) шириной 10 см с изоляцией из майлара. Вес первого

магнитного компрессора составлял 2337 кг, второго - 720 кг. Для подмагничивания

компрессоров использовалось магнитное поле 2,3 Тл, противоположное основному

полю, которое получалось путем пропускания через обмотку тока до 10 кА при

длительности 500 мкс.

В первоначальном варианте установки «Соте!» наблюдались предымпульсы на

нагрузке до 300 кВ за 800 не до прихода основного импульса. Эти предымпульсы

были обусловлены большой собственной емкостью газового коммутатора (~1 нФ),

так как он располагался в окружении водяной изоляции первой коаксиальной на-

копительной линии. После замены разрядника на многоэлектродный, использова-

ния трансформаторного масла в качестве внешней изоляции, а также диэлектриче-

ских барьеров из полиуретана емкость газового коммутатора уменьшилась до

40 пФ, а предымпульсы практически исчезли.

Необходимо иметь в виду, что основной целью создания установки «Соте!»

была разработка модуля ускорителя «РВРА-И». Он имел тридцать шесть модулей с

общей мощностью 100 ТВт. Модуль ускорителя имел три ступени сжатия с ис-

пользованием искровых разрядников.

Магнитные элементы можно эффективно использовать в схемах обострения и

среза импульсов. В наносекундном диапазоне необходимо учитывать процессы

диссипации при перемагничивании магнитного элемента.

Рассмотрим преобразование волны

11\(1)

= 11

/(с1)

где с - коэффициент про-

порциональности, с монотонно нарастающим фронтом и плоской вершиной при

прохождении ее из бесконечно длинной линии Л\ с волновым сопротивлением 2

в такую же линию Л

при их соединении через нелинейную индуктивность

(рис. 8) [13], включенную последовательно с линией.

Тогда между волной ^(О, падающей на нелинейную индуктивность, и волной

(0» прошедшей через нее, будет иметь место зависимость:

Потокосцепление \|/ определяется параметрами нелинейной индуктивности:

где Ь ~ индуктивность дросселя при /

—>

со, так называемая «собственная»

индуктивность дросселя;

м?

и з - число витков и сечение сердечника дросселя,

намагниченность сердечника М(1) связана с напряженностью магнитного поля

Н = р! уравнением (22.4).

2 т

(22.10)

1|/

= Ы + Ц

М>зМ({),

(22.11)

ЩИ

Щ)

1=1

Рис. 22.8. Схема преобразования волны

длинной линии при последовательном включении

нелинейной индуктивности

438

Глава 22. Генераторы мощных импульсов

схемах с магнитными элементами

0,8

0,4

(а)

ъ =

о//1

/5 1

0 /24 /ЗО

0,8

0,4

(б)

0,7

0,5 \А

Т7У7

-0,з

Рис. 22.9. Зависимости амплитуды преломленной волны от нормированного времени: (а) при

0,5 и

различных значениях

Ь;

(б)

при Ъ

10 и различных значениях

Из построенных по(10)и(11) графиков (рис. 9) преломленной волны видно,

что момент появления волны в линии Л

зависит от параметра

[х

зм^Хр/21

и может регулироваться величиной начальной намагниченности т

= М

/М

Здесь

= а'уЦо- При этом можно создать такие условия, когда фронт преломлен-

ной волны не будет зависеть от фронта падающей волны. Для этого необходимо,

чтобы время /

, за которое ток и напряжение преломленной волны достигнут

величины 0,1 от их амплитудного значения, было не меньше длительности фронта

падающей волны. Для того чтобы это условие выполнялось, параметры нелиней-

ной индуктивности должны быть связаны с длительностью фронта падающей вол-

ны выражением для времени перемагничивания нелинейного дросселя, которое

без учета диссипативных свойств феррита может быть получено непосредственно

из (6) с учетом того, что Ф =

.ум>:

—

21]г,

(22.12)

Таким образом, длительность фронта, прошедшего в линию Л

при выполнении

условия (12), не зависит от и определяется величиной параметра

Ъ.

Если

> 18,

то длительность фронта преломленной волны определится из соотношения [2]:

'ф2 -

1,11

7,042

ос'ур/а

(22.13)

где /

- амплитуда импульса тока, Ь - собственная индуктивность магнитного

элемента при его полном намагничивании.

Наряду с последовательным возможно также включение нелинейного дросселя

параллельно длинной линии (рис. 10). Такая схема может служить для дифферен-

цирования импульса [14], а также позволяет регулировать его длительность. Сле-

довательно, наиболее важной характеристикой такой схемы является время, в те-

чение которого импеданс дросселя будет бесконечно большим по сравнению с

волновым сопротивлением линии р

т.е. время, в течение которого выполняется

условие С/

(/)» 11

Ц) = 1!Лс1).

§22.3

Генерирование мощных наносекундных импульсов

431

1/1(0

Рис. 22.10. Преобразование волны при включении нелинейной индуктивности параллельно

длинной линии

Нелинейная индуктивность наиболее эффективна в схемах, в которых предва-

рительный импульс с относительно пологим фронтом формируется с помощью

какого-либо дополнительного, как правило, газоразрядного коммутирующего уст-

ройства. Наиболее широкое распространение получила схема последовательного

включения нелинейной индуктивности и однородной линии, впервые описанная в

работе [15]. В ней импульс от первичного генератора импульсов поступает в ли-

нию Ли а затем через ферритовый элемент проходит в линию Л

. При напряжении

20 кВ и длительности первичного фронта 20 не путем подбора размеров феррито-

вого кольца и подмагничивания можно получить вторичный фронт порядка 1 не.

Описание других схем получения мощных наносекундных импульсов с помощью

нелинейных индуктивностей дано в работах [16-20].

В технике мощных наносекундных импульсов дроссели с насыщающимися

сердечниками используются не только для коррекции формы импульса, но и в

ряде случаев, где требуется резкое изменение импеданса схемы через определен-

ный промежуток времени после приложения напряжения к ней. Типичным при-

мером такого использования нелинейной индуктивности являются разрядники, в

которых перенапряжение промежутка создается с помощью так называемой

«развязки на ферритах». Впервые такой прибор был предложен Кернсом [16].

Позднее были разработаны несколько разрядников [17, 18], в основу которых

положена эта схема.

При работе со схемами наносекундного диапазона нередко возникает необхо-

димость пропустить через какое-либо устройство импульсы только одной поляр-

ности. Такая задача может быть решена с помощью нелинейной индуктивно-

сти [19], включенной последовательно с однородной линией. В том случае, если

направление начальной намагниченности противоположно по знаку направлению

магнитного поля, создаваемого током падающего на дроссель импульса, и если

длительность падающего импульса < |1

^(1-т

)/2С/

, то вентиль на нели-

нейной индуктивности не пропустит импульс данной полярности, и наоборот, если

направление начальной намагниченности совпадает с направлением магнитного

поля, создаваемого падающим импульсом, то такой импульс пройдет через нели-

нейную индуктивность. Для оптимальной работы ферритового вентиля необходи-

мо иметь величину /и

, как можно более близкую к минус единице. В этом случае

ферритовый вентиль обеспечит минимальное искажение фронта импульса, про-

шедшего через него.