В данной научной статье представлен анализ, выбор и обоснование схемы получения высоковольтных импульсов напряжения амплитудой до 500 кВ с длительностью переднего фронта менее 10 нс. В статье приведены схемы импульсных высоковольтных генераторов. Результатом исследования является выбранная схема, которая позволяет обеспечить формирование высоковольтных импульсов амплитудой до 500 кВ с длительностью переднего фронта менее 10 нс.

Ключевые слова: высоковольтные импульсы, длительность переднего фронта, генератор, схема, импульсный трансформатор .

This scientific paper presents the analysis, selection and justification of the scheme for obtaining high-voltage voltage pulses with amplitude up to 500 kV and leading edge duration less than 10 ns. The paper summarizes the schemes of pulsed high-voltage generators. The result of the research is the selected scheme, which allows to provide the formation of high-voltage pulses with amplitude up to 500 kV with leading edge duration less than 10 ns.

Keywords: high-voltage pulses, leading edge duration, generator, circuit, pulse transformer.

Введение

Импульсная энергетика и электроника решает задачи генерирования и преобразования коротких мощных импульсов электрической энергии в установках с такими огромными параметрами, как напряжение до 10 ⁶ –10 ⁷ В и ток до 10 ⁶ А и более. Длительность импульсов в таких установках зачастую не превышает 10 ^–8 с. [1, с. 13].

Одним из первых вариантов применения импульсной высоковольтной электроники было исследование скорости развития разряда в твердых, жидких и газообразных диэлектриках. Еще одна область применения — высокоскоростная фотография, где импульсы высокого напряжения наносекундной длительности используются для исследования сверхбыстрых процессов в плазме, при взрывах проводников и т. д.

Но все же в основном импульсная высоковольтная электроника применяется в портативных рентгеновских аппаратах, ускорительной технике, источниках накачки газоразрядных лазеров сверхатмосферного давления, электронно-оптических преобразователях и фоторегистраторах пико- и фемтосекундных радиационных процессов для генерации мощных потоков СВЧ-излучения.

Постановка задачи

Целью данной работы является обоснование схемы высоковольтного генератора, который позволяет формировать импульсы напряжения амплитудой до 500 кВ с длительностью переднего фронта менее 10 нс. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: изучение известных схем; анализ схем; выбор и обоснование рабочей схемы импульсного генератора; оценка параметров высоковольтных импульсов.

Схемы импульсных генераторов

Одной из распространенных схем высоковольтных генераторов является генератор с прямым разрядом накопительной емкости (рис. 1).

Рис. 1. Генератор с прямым разрядом накопительной емкости: C1 — накопительный конденсатор; R1 — зарядный резистор, ТГИ1-1000/25 — импульсный водородный тиратрон

На вход схемы подается напряжение до 20 кВ и соответственно заряжается конденсатор С1. После этого через импульсный водородный тиратрон высоковольтный импульс с конденсатора С1 подается на нагрузку. В данной схеме на выходе получаются импульсы амплитудой до 20 кВ и длительностью переднего фронта более 40 нс.

Второй популярной схемой является генератор Маркса (рис. 2). Три конденсатора (в общем случае n ) C1, C2, C3 соединены параллельно и заряжаются до напряжения U0 через зарядные резисторы R1–R6. При пробое управляемого разрядника P1 происходит импульсная перезарядка паразитных емкостей и осуществляется пробой очередного промежутка с прогрессивно нарастающим напряжением. В итоге конденсаторы оказываются соединены последовательно и на выходе получается напряжение n ∙U0 [2, с. 4].

Плюсом схемы является ее простота: чем больше выстроено каскадов, тем бо́льшую амплитуду импульса можно получить на выходе. Но чтобы получить амплитуду 500 кВ, необходимо собрать большую цепь, что увеличивает габариты генератора. Также из-за длины каскадов увеличивается индуктивность, что не позволит сократить длительность переднего фронта.

Рис. 2. Генератор Маркса: ИЗ — импульс запуска; C1, C2, C3 — накопительные конденсаторы; R1–R6 — зарядные резисторы; P1, P2 — управляемый и неуправляемый разрядники; 1, 2 — газоразрядные электроды

Схема с импульсным трансформатором (ИТ) позволяет уменьшить габариты генератора (рис. 3). Если взять ИТ с коэффициентом трансформации 25, подать на вход схемы U0 до 20 кВ, заряжается накопительный конденсатор С1. После этого через тиратрон происходит разряд конденсатора на первичную обмотку трансформатора. Со вторичной обмотки через обостряющий конденсатор высоковольтные импульсы амплитудой до 500 кВ попадают в нагрузку.

Рис. 3. Генератор с импульсным трансформатором: C1, C2 — накопительный и обостряющий конденсаторы; ИТ — импульсный трансформатор (n = 25); ТГИ1-1000/25 — импульсный водородный тиратрон; Rн — нагрузочный резистор

В итоге на выходе схемы можно получить импульсы амплитудой до 500 кВ с длительностью переднего фронта 5–10 нс. Для уменьшения длительности переднего фронта в схему добавляется разрядник-обостритель (рис. 4).

При замыкании ключа К предварительно заряженный накопительный конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора. При этом во вторичной его обмотке возникает импульс высокого напряжения в виде затухающей синусоиды. Время нарастания напряжения первой полуволны затухающей синусоиды составляет порядка 10 ^–6 с. и определяется параметрами контура вторичной цепи трансформатора (индуктивностью вторичной обмотки трансформатора и емкостью С2, являющейся суммарной емкостью вторичного контура, включающей в себя конструктивную емкость излучателя, межэлектродную емкость разрядника и межвитковую емкость трансформатора). При зарядке конденсатора С2 до напряжения пробоя разрядника-обострителя РО происходит его пробой и к нагрузке прикладывается высоковольтный импульс напряжения с крутым фронтом в пределах 1 нс, определяемым временем коммутации разрядника-обострителя [3, с. 189].

Рис. 4. Упрощенная схема с импульсным трансформатором и разрядником-обострителем: C1; C2 — накопительный и обостряющий конденсаторы; ИТ — импульсный трансформатор (n = 25); K — ключ; L — индуктивность; Rн — нагрузочный резистор; РО — разрядник-обостритель серии РО-49

Время коммутации РО-49 составляет менее 0,5 нс за счет малого межэлектродного расстояния (2,5–4 мм) и высокого давления наполняющего газа (водород особо чистый до 120 технических атмосфер) [3, c. 195].

Таким образом, назначение разрядника-обострителя заключается в преобразовании высоковольтного импульса напряжения микросекундной длительности в импульс наносекундной или субнаносекундной длительности. От режима его работы зависят выходные параметры.

Выводы

1. Для решения поставленной задачи целесообразно использовать схему с импульсным трансформатором вместе с разрядником-обострителем.
2. Выбранная схема обеспечит формирование высоковольтных импульсов амплитудой до 500 кВ с длительностью переднего фронта менее 10 нс.

Литература:

1. Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника / Г. А. Месяц. — М. : Наука, 2004. — 704 с.
2. Пичугина М. Т. Высоковольтная электротехника. — Томск : Изд-во ТПУ, 2011. — 136 с.
3. Маханько Д. С. Электрическая прочность конструкции неуправляемого разрядника-обострителя на напряжение до 500 кВ / Д. С. Маханько // Вестник РГРТУ. — 2021. — № 78.