RU2012129C1

RU2012129C1 - Generator of high-voltage pulses

Info

Publication number: RU2012129C1
Authority: RU
Inventors: С.К. Любутин; С.Н. Рукин; Б.Г. Словиковский
Original assignee: Институт электрофизики Уральского отделения РАН
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1989-10-25
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: high-voltage pulse circuitry. SUBSTANCE: generator is connected in Arkadiyev-Marx circuit and has(n) charging capacitors, (n) discharging devices, (2n) charging resistors, power supply, load, correcting capacitor, and connected in series inductance, discharge device, resistor, diode. EFFECT: expanded field of application. 2 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для питания ускорителей заряженных частиц, источников рентгеновского излучения и других электрофизических установок импульсами высокого напряжения с горизонтальной вершиной. The invention relates to high-voltage pulse technology and can be used to power charged particle accelerators, X-ray sources, and other electrical installations with high voltage pulses with a horizontal top.

Известен генератор импульсных напряжений, в котором коррекция вершины импульса происходит благодаря разряду корректирующего конденсатора через резистор [1] . Known pulse voltage generator, in which the correction of the peak of the pulse occurs due to the discharge of the correction capacitor through the resistor [1].

Недостаток устройства состоит в неравномерности напряжения на вершине импульса. Это связано с тем, что начальный участок экспоненциально уменьшающегося выходного напряжения генератора, подвергаемый коррекции, имеет практически линейный характер, а корректирующее напряжение изменяется во времени нелинейно, так как представляет собой полный экспоненциальный разряд корректирующего конденсатора через резистор. The disadvantage of this device is the uneven voltage at the top of the pulse. This is due to the fact that the initial section of the exponentially decreasing output voltage of the generator to be corrected is almost linear, and the correction voltage varies non-linearly with time, since it represents the total exponential discharge of the correction capacitor through the resistor.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является генератор импульсов высокого напряжения, выполненный по схеме Аркадьева-Маркса, в котором спад напряжения на нагрузке компенсируется колебательным перезарядом корректирующего конденсатора через катушку индуктивности и разрядник, а корректирующий конденсатор включен между накопительными конденсаторами и общей шиной [2] . The closest technical solution to the proposed one is a high-voltage pulse generator made according to the Arkadyev-Marx scheme, in which the voltage drop across the load is compensated by the oscillatory recharge of the correction capacitor through the inductor and the spark gap, and the correction capacitor is connected between the storage capacitors and the common bus [2].

Недостаток генератора заключается в неравномерности вершины импульса на нагрузке, поскольку корректирующее напряжение изменяется нелинейно. The disadvantage of the generator is the unevenness of the peak of the pulse at the load, since the correction voltage varies nonlinearly.

Цель изобретения - повышение равномерности вершины импульса на нагрузке. The purpose of the invention is to increase the uniformity of the peak of the pulse on the load.

Цель достигается тем, что в генераторе импульсов высокого напряжения, выполненном по схеме Аркадьева-Маркса, содержащем накопительные конденсаторы, разрядники, зарядные резисторы, источник питания, нагрузку и корректирующий конденсатор, включенный между накопительными конденсаторами и общей шиной и шунтированный последовательно соединенными индуктивностью и разрядником, индуктивность зашунтирована параллельно соединенными резистором и полупроводниковым диодом, включенным в обратном направлении по отношению к полярности напряжения на корректирующем конденсаторе, а величина емкости корректирующего конденсатора С, индуктивности L и сопротивления резистора R выбраны в соотношении:
1 ≅ R/

≅ 3.The goal is achieved by the fact that in a high voltage pulse generator, made according to the Arkadyev-Marx scheme, containing storage capacitors, dischargers, charging resistors, a power source, a load and a correction capacitor connected between the storage capacitors and a common bus and shunted in series with an inductance and a spark gap, the inductance is shunted in parallel by a resistor and a semiconductor diode connected in the opposite direction with respect to the polarity on the correction capacitor, and the value of the capacitance of the correction capacitor C, inductance L and resistance of the resistor R are selected in the ratio:
1 ≅ R /

≅ 3.

Существенным отличительным признаком заявленного устройства является шунтирование индуктивности параллельно соединенными резистором и диодом и выбор величин R, L, C в контуре коррекции в соответствии с вышеприведенным соотношением. Выполнение этого соотношения приводит к тому, что уменьшение тока через резистор контура коррекции при разряде корректирующего конденсатора компенсируется увеличением тока через корректирующую индуктивность так, что корректирующий конденсатор разряжается практически в режиме постоянного тока, т. е. напряжение на нем падает линейно. Коррекция линейно убывающего напряжения на выходе генератора с помощью также линейно изменяющегося напряжения корректирующего контура и приводит к достижению цели, а именно позволяет существенно повысить равномерность вершины импульса на нагрузке. В том случае, если вышеприведенное соотношение между величинами R, L и С элементов корректирующего контура не выполняется, то происходит увеличение неравномерности вершины импульса генератора из-за того, что корректирующий конденсатор начинает разряжаться нелинейно. Так, при R/

< 1 корректирующий конденсатор начинает разряжаться в основном через резистор в апериодическом режиме по экспоненциальному закону, а при R/

> 3 основной ток разряда корректирующего конденсатора проходит через индуктивность в колебательном режиме.An essential distinguishing feature of the claimed device is the shunting of the inductance in parallel by a resistor and a diode and the choice of the values of R, L, C in the correction circuit in accordance with the above ratio. The fulfillment of this relation leads to the fact that the decrease in the current through the resistor of the correction circuit during the discharge of the correction capacitor is compensated by an increase in the current through the correction inductance so that the correction capacitor is discharged almost in constant current mode, i.e., the voltage across it drops linearly. Correction of a linearly decreasing voltage at the output of the generator with the help of a linearly changing voltage of the correction circuit also leads to the achievement of the goal, namely, it can significantly increase the uniformity of the peak of the pulse at the load. In the event that the above ratio between the values of R, L and C of the elements of the correction circuit is not satisfied, then there is an increase in the unevenness of the peak of the pulse of the generator due to the fact that the correction capacitor begins to discharge nonlinearly. So, at R /

<1, the correction capacitor begins to discharge mainly through the resistor in the aperiodic mode according to the exponential law, and at R /

> 3, the main discharge current of the correction capacitor passes through the inductance in the oscillatory mode.

При анализе научно-технической и патентной литературы не было обнаружено устройство с описанными признаками. Таким образом считаем, что заявленное устройство является новым и отвечает критерию "существенные отличия". In the analysis of scientific, technical and patent literature, a device with the described features was not found. Thus, we believe that the claimed device is new and meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 приведена принципиальная схема генератора импульсов высокого напряжения; на фиг. 2а-в - осциллограммы напряжений и токов на элементах генератора, поясняющие принцип его работы. In FIG. 1 is a schematic diagram of a high voltage pulse generator; in FIG. 2a-c - waveforms of voltages and currents on the elements of the generator, explaining the principle of its operation.

Генератор выполнен по схеме Аркадьева-Маркса и содержит накопительные конденсаторы 1, разрядники 2, зарядные резисторы 3, источник 4 питания, нагрузку 5. Корректирующий конденсатор 6 включен между накопительными конденсаторами и общей шиной и шунтирован последовательно соединенными индуктивностью 7 и разрядником 8. Индуктивность 7 в свою очередь зашунтирована параллельно соединенными резистором 9 и полупроводниковым диодом 10, включенным в обратном направлении по отношению к полярности напряжения на корректирующем конденсаторе. Указанное на фиг. 1 направление включения диода 10 соответствует положительной полярности напряжения источника 4 питания и корректирующего конденсатора 6. Импульс напряжения генератора на нагрузке 5 имеет при этом отрицательную полярность. При изменении полярности источника 4 питания направление включения диода 10 также меняется на противоположное. The generator is made according to the Arkadyev-Marx scheme and contains storage capacitors 1, arresters 2, charging resistors 3, power supply 4, load 5. A correction capacitor 6 is connected between the storage capacitors and the common bus and is shunted in series with inductance 7 and discharger 8. Inductance 7 v in turn, it is shunted in parallel by a resistor 9 and a semiconductor diode 10 connected in the opposite direction with respect to the polarity of the voltage across the correction capacitor. Referring to FIG. 1, the direction of inclusion of the diode 10 corresponds to the positive polarity of the voltage of the power supply 4 and the correction capacitor 6. The voltage pulse of the generator at load 5 has a negative polarity. When changing the polarity of the power supply 4, the direction of inclusion of the diode 10 also changes to the opposite.

Генератор работает следующим образом. От источника 4 питания происходит заряд накопительных 1 и корректирующего 6 конденсаторов через зарядные резисторы 3. В момент времени t₁ (см. фиг. 2) производится запуск разрядников генератора 2 и разрядника 8 в корректирующем контуре и на нагрузке 5 генерируется импульс напряжения U_н, амплитуда которого равна алгебраической сумме напряжения на накопительных конденсаторах генератора U_г и на корректирующем конденсаторе U_к. В течение времени коррекции t_кор. = t₂ - t₁ происходит разряд корректирующего конденсатора 6 от первоначального напряжения источника питания до нуля.The generator operates as follows. From the power supply 4, the accumulators 1 and 6 correcting capacitors are charged through the charging resistors 3. At time t ₁ (see Fig. 2), the spark gaps of the generator 2 and the spark gap 8 are started in the correction loop and a voltage pulse U _{n is} generated at load 5, whose amplitude is equal to the algebraic sum of the voltage across the storage capacitors of the generator U _g and on the correction capacitor U _to . During the correction time t _cor . = t ₂ - t ₁ there is a discharge of the correction capacitor 6 from the initial voltage of the power source to zero.

На фиг. 2а приведены полученные на физической модели осциллограммы токов в элементах корректирующего контура для случая, когда выполняется соотношение 1 ≅ R/

≅ 3 При этом уменьшение разрядного тока через резистор 9 i_Rкомпенсируется нарастанием тока в индуктивности 7 i_L, а ток разряда конденсатора 6 i_C, равный их сумме, имеет квазипрямоугольную форму. Ток через диод 10 i_D в течение времени коррекции равен нулю, а в момент времени t₂ происходит переключение тока i_L на диод 10, что приводит к шунтированию корректирующего конденсатора 6. Оптимальное отношение R/

близко к 2. Осциллограмма разряда корректирующего конденсатора для этого случая приведена на фиг. 2б (кривая 11). Изменение отношения R/

от 3 до 1 иллюстрируется кривыми 12 и 13. Таким образом, в заявленном генераторе реализуется линейный разряд корректирующего конденсатора в отличие от известных устройств, где корректирующий конденсатор за время коррекции разряжается по экспоненте через резистор (кривая 14), либо в колебательном режиме через индуктивность (кривая 15).In FIG. Figure 2a shows the waveforms of currents obtained in the physical model in the elements of the correction circuit for the case when the relation 1 ≅ R /

≅ 3 In this case, the decrease in the discharge current through the resistor 9 i _{R is} compensated by the increase in the current in the inductance 7 i _L , and the discharge current of the capacitor 6 i _C , equal to their sum, has a quasi-rectangular shape. The current through the diode 10 i _D during the correction time is zero, and at time t ₂ the current i _L switches to diode 10, which leads to the bypass of the correction capacitor 6. The optimal ratio R /

close to 2. The waveform of the discharge of the correction capacitor for this case is shown in FIG. 2b (curve 11). Change in R /

from 3 to 1 is illustrated by curves 12 and 13. Thus, the inventive generator implements a linear discharge of the correction capacitor, in contrast to the known devices, where the correction capacitor is discharged exponentially through the resistor (curve 14), or in the oscillatory mode through the inductance ( curve 15).

На фиг. 2а приведены осциллограммы напряжения на корректирующем конденсаторе U_к, на выходе генератора U_г при отсутствии контура коррекции и осциллограмма на нагрузке U_н = U_г + U_к при совместном включении накопительных и корректирующего конденсаторов. Видно, что линейный спад напряжения U_г на участке коррекции компенсируется также линейным изменением напряжения на корректирующем конденсаторе, что и приводит к постоянству вершины импульса на нагрузке в течение времени коррекции.In FIG. Figure 2a shows the waveforms of the voltage at the correction capacitor U _k , at the output of the generator U _g in the absence of a correction loop and the waveform at the load U _n = U _g + U _k when the storage and correction capacitors are turned on. It is seen that the linear voltage drop U _g in the correction section is also compensated by a linear change in the voltage at the correction capacitor, which leads to a constant peak of the pulse at the load during the correction time.

Экспериментальная проверка предложенного генератора была проведена на низковольтной физической модели при напряжениях ≈ 100-200 В. В качестве разрядников использовались тиристорные ключи. Характерное время коррекции t_корр составляло 20-40 мкс. Оптимальная величина отношения R/

подбиралась с помощью переменного резистора 9 в цепи коррекции. В качестве нагрузочного сопротивления 5 использовался также переменный резистор. Полученные осциллограммы приведены на фиг. 2а-в.An experimental verification of the proposed generator was carried out on a low-voltage physical model at voltages ≈ 100-200 V. Thyristor switches were used as arresters. The characteristic correction time t _corr was 20–40 μs. The optimal value of the ratio R /

was selected using a variable resistor 9 in the correction circuit. As the load resistance 5, a variable resistor was also used. The obtained waveforms are shown in FIG. 2a-c.

Измерения показали, что при выполнении условия
1 ≅ R/

≅ 3 неравномерность напряжения на нагрузке U_н на вершине импульса составляет 1-2% , а при оптимальном отношении R/

≃ 2 неравномерность напряжения была менее 1% . Измеренная неравномерность напряжения на вершине импульса для известных устройств с разрядом корректирующего конденсатора только через резистор, либо индуктивность составила 6-10% .Measurements showed that under the condition
1 ≅ R /

≅ 3 the unevenness of the voltage at the load U _n at the top of the pulse is 1-2%, and with the optimal ratio R /

≃ 2 voltage non-uniformity was less than 1%. The measured voltage non-uniformity at the top of the pulse for known devices with the correction capacitor discharge only through a resistor, or the inductance was 6-10%.

Таким образом, заявленный генератор позволяет повысить равномерность вершины импульса на нагрузке примерно в 6-10 раз по сравнению с известными устройствами. Thus, the inventive generator allows to increase the uniformity of the peak of the pulse at the load by about 6-10 times in comparison with the known devices.

Claims

HIGH VOLTAGE PULSE GENERATOR, made according to the Arkadyev-Marx scheme, containing storage capacitors, dischargers, charging resistors, a power supply, a load and a correction capacitor connected between the storage capacitors and a common bus and shunted in series with an inductance and a spark gap, characterized in that, with In order to increase the uniformity of the peak of the pulse at the load, the inductance is shunted in parallel by a resistor and a semiconductor diode included in the opposite direction with respect to the polarity of the voltage on the correction capacitor, and the capacitance of the correction capacitor C, inductance L and resistance of the resistor R are selected in the ratio
1 ≅ R /

\binom{<}{~}

3..