RU2164054C1

RU2164054C1 - High-voltage pulse generator

Info

Publication number: RU2164054C1
Application number: RU99116827A
Authority: RU
Inventors: В.С. Гордеев; Г.А. Мысков
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2001-03-10

Abstract

FIELD: high-voltage pulse engineering. SUBSTANCE: generator has grounded electrode forming short- circuited stepped line in the form of at least two series-interconnected sections of uniform lines with distributed parameters of equal electrical length T₀. High-voltage electrode placed inside first section of stepped line divides this section into two uniform lines. Parallel-connected load and current interrupter are connected at output of stepped line. Voltage supply is inserted between high-voltage and grounded electrodes. Parallel-connected current supply and discharger are inserted in series with ground electrode at any point. One end of additional uniform line whose electrical length equals T₀ is inserted between high-voltage and ground electrodes at point of connection of first and second sections of stepped line. Switching tube is connected at other end of additional line. Shaped across load in matched mode when generator efficiency in ideal case is 100% is rectangular voltage pulse which is twice as long as transit time of electromagnetic wave lengthwise of separate section of stepped line. Voltage amplitude is higher than charging voltage. EFFECT: increased output voltage of generator when shaping rectangular voltage pulse across matched resistive load at high efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в электрофизических установках для получения мощных высоковольтных импульсов, например для генерации пучков заряженных частиц (10⁵-10⁷В, 10³-10⁶А, 10^-7-10^-8с).The invention relates to the field of high-voltage pulse technology and can be used in electrophysical installations to produce high-power high-voltage pulses, for example, to generate charged particle beams (10 ⁵ -10 ⁷ V, 10 ³ -10 ⁶ A, 10 ^-7 -10 ^-8 s) .

Известен генератор высоковольтных импульсов /1, fig. 3c/, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины Т₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого и второго отрезков СЛ и разделяющий каждый из них на две однородные линии, источник напряжения и коммутирующий разрядник, включенные между высоковольтным и заземленным электродами, причем коммутирующий разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, резистивную нагрузку, подключенную к выходу СЛ последовательно с предымпульсным разрядником. Под действием источника напряжения четыре отрезка линии вблизи высоковольтного электрода заряжаются до напряжения V₀, и энергия запасается в генераторе в виде электрического поля. При включении коммутирующего разрядника в результате волновых процессов энергия концентрируется на выходе СЛ. С точки зрения достижения максимального КПД оптимальными являются следующие соотношения волновых сопротивлений
Z_i = Z_n · 2/[(n-i+1)(n-i+2)],
где i = 3,4,.....,n - номер отрезка СЛ;
n - полное число отрезков линий в СЛ;
Z_i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i,
волновых сопротивлений отрезков, образованных высоковольтным электродом в первом отрезке СЛ:
с разрядником Z₁ = Z_n/[n(n+2)],
без разрядника

и во втором отрезке СЛ:
с разрядником Z₂ = Z_n/[2(n-1)n],
без разрядника

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T₀. Рабочим является второй импульс напряжения. Нагрузка подключается при срабатывании предымпульсного разрядника с задержкой на время (n+1)Т₀ по отношению к моменту включения коммутирующего разрядника, то есть с задержкой на время 2T₀ по отношению к моменту прихода к выходу генератора первой электромагнитной волны. На согласованной нагрузке Z_н = Z_n формируется одиночный импульс напряжения длительностью 2T₀, в течение которого вся энергия передается в нагрузку. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в n раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину V₀.Known high-voltage pulse generator / 1, fig. 3c / containing a grounded electrode forming a short-circuited stepped line (SL) made in the form of at least two series-connected segments of homogeneous lines with distributed parameters of the same electric length T ₀ , a high-voltage electrode placed in the internal volume of the first and second segments of the SL and separating each of them into two homogeneous lines, a voltage source and a switching arrester, connected between the high-voltage and grounded electrodes, and the switching arrester is placed in place with the connection of the first and second segments of the SL, a resistive load connected to the output of the SL in series with a prepulse arrester. Under the action of a voltage source, four line segments near the high-voltage electrode are charged to voltage V ₀ , and the energy is stored in the generator in the form of an electric field. When the switching arrester is switched on as a result of wave processes, the energy is concentrated at the output of the SL. From the point of view of achieving maximum efficiency, the following wave resistance ratios are optimal
Z _i = Z _n · 2 / [(n-i + 1) (n-i + 2)],
where i = 3,4, ....., n is the number of the trunk segment;
n is the total number of line segments in the trunk;
Z _i - wave impedance of the line segment number i,
wave impedances of the segments formed by the high-voltage electrode in the first segment of the SL:
with spark gap Z ₁ = Z _n / [n (n + 2)],
without arrester

and in the second segment of the trunk:
with spark gap Z ₂ = Z _n / [2 (n-1) n],
without arrester

In the general case, voltage pulses of alternating polarity with a duration of 2T ₀ are formed at the output of the SL. Working is the second voltage pulse. The load is connected when the prepulse arrester is triggered with a delay of (n + 1) T ₀ with respect to the moment the switching arrester is turned on, that is, with a delay of 2T ₀ with respect to the moment the first electromagnetic wave arrives at the output of the generator. At a matched load Z _n = Z _n , a single voltage pulse is generated with a duration of 2T ₀ , during which all energy is transferred to the load. The voltage at the matched load exceeds the charging one by a factor of n, the inclusion of each additional segment in the SL increases the voltage in the matched mode by V ₀ .

Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное nV₀ в согласованном режиме и 2nV₀ в режиме холостого хода. Кроме того, недостатком является наличие на выходе генератора предымпульсного напряжения перед подключением нагрузки, равного по амплитуде и длительности, но противоположного по полярности напряжению на согласованной нагрузке. Наличие значительного по величине предымпульсного напряжения, что в данном генераторе является необходимым условием высокого КПД, имеет негативные последствия. Во-первых, на выходе генератора необходимо использовать разрядник, к которому предъявляются весьма высокие требования. Он должен выдерживать без пробоя высокое предымпульсное напряжение, а затем в течение относительно короткого рабочего импульса пропустить всю первоначально запасенную в генераторе энергию. Поэтому в ряде случаев предельные выходные параметры генератора определяются возможностями предымпульсного разрядника. Во-вторых, несмотря на разрядник предымпульсное напряжение из-за наличия паразитных электрических емкостей частично попадает на нагрузку, что в ряде случаев крайне нежелательно. Например, при использовании в качестве нагрузки генератора вакуумного диода для формирования пучков заряженных частиц предымпульсное напряжение приводит к образованию в ускоряющем зазоре плазмы, оказывающей существенное влияние на характеристики диода в течение рабочего импульса и ухудшающей воспроизводимость выходных параметров генератора от импульса к импульсу.The disadvantage of the generator is the relatively low voltage at the load, equal to nV ₀ in matched mode and 2nV ₀ in idle mode. In addition, the disadvantage is the presence of a prepulse voltage at the generator output before connecting the load, which is equal in amplitude and duration, but opposite in polarity to the voltage at the matched load. The presence of a significant pre-pulse voltage, which in this generator is a necessary condition for high efficiency, has negative consequences. Firstly, it is necessary to use a spark gap at the generator output, to which very high demands are made. It must withstand without breakdown a high prepulse voltage, and then, during a relatively short working pulse, let through all the energy originally stored in the generator. Therefore, in some cases, the limiting output parameters of the generator are determined by the capabilities of the prepulse arrester. Secondly, despite the arrester, the prepulse voltage due to the presence of stray electric capacitances partially falls on the load, which in some cases is extremely undesirable. For example, when using a vacuum diode as a generator to generate charged particle beams, a prepulse voltage leads to the formation of a plasma in the accelerating gap, which significantly affects the characteristics of the diode during the working pulse and impairs the reproducibility of the generator output from pulse to pulse.

В качестве прототипа выбран генератор /2/, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. На выходе ступенчатой линии подключены параллельно соединенные прерыватель тока и резистивная нагрузка. Во внутреннем объеме первого и второго отрезков ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий каждый из них на две однородные линии. Между высоковольтным и заземленным электродом включены источник напряжения и коммутирующий разрядник, причем разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ. В разрыв заземленного электрода в любом месте включены параллельно соединенные источник тока и разрядник. Волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии как с разрядником Z, так и без разрядника

равны соответственно

волновые сопротивления отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода выбраны из соотношения

где i = 3,4,...,n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и в виде магнитного поля,
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀=Z₁.As a prototype, a generator / 2 / was selected that contains a grounded electrode forming a short-circuited stepped line made in the form of at least two series-connected segments of homogeneous lines with distributed parameters of the same electric length T ₀ . At the output of the stepped line, a parallel-connected current chopper and resistive load are connected. A high-voltage electrode is placed in the internal volume of the first and second segments of the stepped line, dividing each of them into two homogeneous lines. A voltage source and a switching arrester are connected between the high-voltage and grounded electrodes, the arrester being located at the junction of the first and second segments of the SL. In any case, a parallel connected current source and spark gap are connected to the ground electrode gap. The wave impedances of the lines formed by the high-voltage and grounded electrodes in the first and second segments of the stepped line both with a spark gap Z and without a spark gap

equal respectively

wave impedances of segments of a stepped line without a high-voltage electrode are selected from the relation

where i = 3,4, ..., n is the number of the segment of the stepped line;
n is the number of segments of the stepped line;
α is the ratio of the energy stored initially in the generator in the form of electric and in the form of a magnetic field,
and the ratio of the magnitude of the charging voltage to the magnitude of the initial current in the generator is chosen equal to
V ₀ / I ₀ = Z ₁ .

Под действием источника напряжения осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости четырех отрезков с волновыми сопротивлениями

Энергия запасается в указанных отрезках в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока в первоначально замкнутом контуре, образованном заземленным электродом и прерывателем тока, создается ток I₀ и энергия запасается дополнительно во всем объеме СЛ в виде магнитного поля. Схема генератора, волновые сопротивления, зарядное напряжение и начальный ток подобраны таким образом, что при включении коммутирующего разрядника вся первоначально запасенная энергия концентрируется на выходе генератора. При срабатывании прерывателя тока в момент прихода к нему первой электромагнитной волны от коммутирующего разрядника на согласованной нагрузке формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения длительностью 2T₀, в течение которого энергия полностью передается в нагрузку. Предымпульсное напряжение на нагрузке отсутствует. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в (α+n-1)/α раз.Under the action of a voltage source, pulse charging is carried out to a voltage V _{0 of the} electric capacity of four segments with wave impedances

Energy is stored in these segments in the form of an electric field. At the same time, under the action of a current source in an initially closed circuit formed by a grounded electrode and a current chopper, a current I _{0 is created} and the energy is additionally stored in the entire SL volume in the form of a magnetic field. The generator circuit, wave impedances, charging voltage and initial current are selected in such a way that when the switching arrester is switched on, all initially stored energy is concentrated at the output of the generator. When the current chopper is triggered when the first electromagnetic wave arrives from the switching arrester, a single rectangular voltage pulse of 2T ₀ duration is formed at the matched load, during which the energy is completely transferred to the load. There is no prepulse voltage on the load. The voltage at the matched load exceeds the charging voltage by (α + n-1) / α times.

Недостатком прототипа является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное (α+n-1)V₀/α в согласованном режиме и 2(α+n-1)V₀/α в режиме холостого хода.The disadvantage of the prototype is the relatively low voltage at the load equal to (α + n-1) V ₀ / α in matched mode and 2 (α + n-1) V ₀ / α in idle mode.

Техническим результатом является повышение напряжения на выходе генератора при формировании на согласованной резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса напряжения. The technical result is to increase the voltage at the output of the generator when forming a matched resistive load with high efficiency of a rectangular voltage pulse.

Технический результат достигается тем, что в генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных не менее двух отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины Т₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме двух первых отрезков СЛ и разделяющий каждый из них на две однородные линии, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, подключенные параллельно на выходе СЛ нагрузку и прерыватель тока, включенные в любом месте в разрыв заземленного электрода, соединенные параллельно источник тока и разрядник, снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине T₀, один из концов дополнительной линии подключен между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений

где

волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линиям с волновыми сопротивлениями Z₁ и Z₂;
Z₁ - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3,4,.....n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии;
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля,
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀=Z·3(n+ α -1)/2.The technical result is achieved in that in a high-voltage pulse generator containing a grounded electrode forming a short-circuited stepped line made in the form of at least two segments of homogeneous lines connected in series with distributed parameters of the same electric length T ₀ , a high-voltage electrode placed in the internal volume of the first two segments SL and dividing each of them into two homogeneous lines, a voltage source connected between the high-voltage and grounded electrodes, commutator ruyuschy discharger connected in parallel at the output of trunk load and the breaker included anywhere in the gap ground electrode connected parallel to the current source and a surge arrester is provided with an extra uniform line with an electrical length equal to an electrical length of T _0, one end of the additional line is connected between high-voltage and grounded electrodes at the junction of the first and second segments of the stepped line, a switching arrester is included at the other end of the additional line, and the wave resistance Lenia lines selected from the relations

Where

wave impedances of lines formed by high-voltage and grounded electrodes in the first and second segments of a stepped line, the additional line being connected to lines with wave impedances Z ₁ and Z ₂ ;
Z ₁ - wave impedance of the segments of the stepped line without a high-voltage electrode;
i = 3,4, ..... n is the number of the step line segment;
n is the number of segments of the stepped line;
Z is the wave impedance of the additional line;
α is the ratio of the energy stored initially in the generator in the form of an electric and magnetic field,
and the ratio of the magnitude of the charging voltage to the magnitude of the initial current in the generator is chosen equal to
V ₀ / I ₀ = Z · 3 (n + α -1) / 2.

Включение в состав генератора дополнительной линии, изменение положения коммутирующего разрядника, а также указанный оптимальный выбор волновых сопротивлений и отношения величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе в совокупности обеспечивают полную передачу запасенной в генераторе энергии в согласованную нагрузку при формировании на ней прямоугольного импульса напряжения повышенной амплитуды. The inclusion of an additional line in the generator, a change in the position of the switching arrester, as well as the indicated optimal choice of wave impedances and the ratio of the magnitude of the charging voltage to the magnitude of the initial current in the generator, together provide a complete transfer of the energy stored in the generator to the matched load when a rectangular voltage pulse is raised on it amplitudes.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого генератора высоковольтных импульсов, где 1 - заземленный электрод; 2 - прерыватель тока; 3 - нагрузка; 4 - высоковольтный электрод; 5, 6 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 4 в первом отрезке ступенчатой линии; 7 - источник напряжения; 8 - дополнительная однородная линия; 9 - коммутирующий разрядник; 10 - источник тока; 11 - разрядник для отключения источника тока; 12, 13 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 4 во втором отрезке ступенчатой линии; 14 - третий отрезок ступенчатой линии. The drawing shows a schematic diagram of the proposed high-voltage pulse generator, where 1 is a grounded electrode; 2 - current chopper; 3 - load; 4 - high voltage electrode; 5, 6 - homogeneous lines formed by the high-voltage electrode 4 in the first segment of the stepped line; 7 - voltage source; 8 - additional homogeneous line; 9 - switching arrester; 10 - current source; 11 - arrester to turn off the current source; 12, 13 - homogeneous lines formed by the high-voltage electrode 4 in the second segment of the stepped line; 14 - the third segment of the stepped line.

Генератор содержит заземленный электрод 1, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных не менее двух отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. На выходе ступенчатой линии подключены параллельно соединенные прерыватель тока 2 и резистивная нагрузка 3. Во внутреннем объеме двух первых отрезков ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 4, делящий каждый из них на две однородные линии 5, 6 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно

и 12, 13 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно

Между высоковольтным 4 и заземленным 1 электродами включены источник напряжения 7, а также, в месте соединения первого и второго отрезков СЛ со стороны линий 5 и 12, один из концов дополнительной однородной линии 8, электрическая длина которой равна T₀. На другом конце дополнительной линии 8 включен коммутирующий разрядник 9. В разрыв заземленного электрода 1 в любом месте включены параллельно соединенные источник тока 10 и разрядник 11. Волновые сопротивления линий выбраны из соотношений

где

волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линиям с волновыми сопротивлениями Z₁ и Z₂;
Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3,4,....,n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии,
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля,
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀ = Z·3(n+ α -1)/2.The generator contains a grounded electrode 1, forming a step line shorted at the input, made in the form of at least two segments of homogeneous lines connected in series with distributed parameters of the same electric length T ₀ . At the output of the step line, a parallel-connected current chopper 2 and resistive load 3 are connected. In the internal volume of the first two segments of the step line, a high-voltage electrode 4 is placed, dividing each of them into two homogeneous lines 5, 6 with wave impedances equal respectively

and 12, 13 with wave impedances equal respectively

A voltage source 7 is connected between the high-voltage 4 and the grounded 1 electrodes, and also, at the junction of the first and second segments of the SL from the side of lines 5 and 12, one of the ends of the additional homogeneous line 8, the electric length of which is equal to T ₀ . At the other end of the additional line 8, a switching arrester is included 9. In the gap of the grounded electrode 1, parallel connected current source 10 and arrester 11 are connected at any location. The wave impedances of the lines are selected from

Where

wave impedances of lines formed by high-voltage and grounded electrodes in the first and second segments of a stepped line, the additional line being connected to lines with wave impedances Z ₁ and Z ₂ ;
Z _i is the wave impedance of the segments of the stepped line without a high-voltage electrode;
i = 3,4, ...., n is the number of the step line segment;
n is the number of segments of the stepped line;
Z is the wave impedance of the additional line,
α is the ratio of the energy stored initially in the generator in the form of an electric and magnetic field,
and the ratio of the magnitude of the charging voltage to the magnitude of the initial current in the generator is chosen equal to
V ₀ / I ₀ = Z · 3 (n + α -1) / 2.

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 7 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости отрезков 5, 6, 12, 13 и дополнительной линии 8, в которых энергия запасается в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока 10 в первоначально замкнутом контуре, образованном заземленным электродом 1 и прерывателем тока 2, создается ток I₀ и энергия запасается дополнительно во всем объеме ступенчатой линии в виде магнитного поля. Соотношение величин V₀ и I₀ выбраны в соответствии с указанным выше уравнением. (Полярность напряжения V₀ и направление тока I₀ выбираются таким образом, чтобы после прихода электромагнитной волны от коммутирующего разрядника 9 в линии 5 происходило уменьшение тока). Величины V₀ и I₀ определяются и фиксируются до начала зарядки генератора путем выбора соответствующих источников напряжения или тока либо путем предварительного регулирования выходных параметров этих источников. При достижении максимального тока I₀ и максимального зарядного напряжения V₀ включается коммутирующий разрядник 9. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t = 0. (Разрядник 11, отсоединяющий источник тока 10 от ступенчатой линии, включается после достижения максимального тока I₀ до прихода к нему первой электромагнитной волны от коммутирующего разрядника 9, например в момент времени t = 0). При включении коммутирующего разрядника 9 по дополнительной линии 8 будет распространяться волна разрядки - V₀, после прохождения которой напряжение в дополнительной линии становится равным нулю. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом чертеже направлен в СЛ снизу вверх, а в дополнительной линии справа налево. В момент времени t = Т₀ эта волна приходит к месту соединения дополнительной линии с линиями 5 и 12. В результате в дополнительную линию 8 отразится волна напряжения - V₀/2, а по линиям 5 и 12 будут распространяться волны напряжения одинаковой амплитуды - 3V₀/2.The generator operates as follows. Under the action of a voltage source 7, pulse charging is carried out to a voltage V _{0 of the} electric capacitance of segments 5, 6, 12, 13 and an additional line 8, in which energy is stored in the form of an electric field. At the same time, under the action of a current source 10, a current I ₀ is created in an initially closed circuit formed by a grounded electrode 1 and a current chopper 2 and the energy is stored additionally in the entire volume of the step line in the form of a magnetic field. The ratio of the values of V ₀ and I ₀ selected in accordance with the above equation. (The polarity of the voltage V ₀ and the direction of the current I ₀ are selected so that after the arrival of the electromagnetic wave from the switching spark gap 9 in line 5, the current decreases). The values of V ₀ and I _{0 are} determined and fixed before charging the generator by selecting the appropriate voltage or current sources or by pre-adjusting the output parameters of these sources. Upon reaching the maximum current I ₀ and the maximum charging voltage V _{0, the} switching arrester 9 is turned on. For further analysis of wave processes, this time is conveniently denoted as t = 0. (The arrester 11, disconnecting the current source 10 from the step line, turns on after reaching the maximum current I ₀ before the arrival of the first electromagnetic wave from the switching spark gap 9, for example, at time t = 0). When the switching arrester 9 is turned on, the discharge wave — V ₀ — will propagate along the additional line 8, after which the voltage in the additional line becomes equal to zero. We assume that the polarity of the voltage is positive if the vector of the electric field in the drawing in question is directed in the SL from the bottom up, and in the additional line from right to left. At time t = _0, this T wave comes to the junction lines with additional lines 5 and 12. As a result, an additional line 8 reflected wave voltage - V _0/2, and by lines 5 and 12 will propagate waves of the same amplitude of voltage - 3V _0/2 .

В момент времени t = 2T₀ происходит следующее. Волна напряжения - V₀/2, распространяющаяся по дополнительной линии 8, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 9 и отражается от него без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. К месту соединения линий 5 и 6 приходит волна -3V₀/2. В результате в линию 5 в сторону дополнительной линии 8 отразится волна V₀/2, а в линию 6 пройдет волна V₀. Легко показать, что после прохождения данных волн напряжение в каждой из этих линий становится равным нулю. Кроме того, в каждой из линий в результате прохождения волн возникает ток, равный по величине, но противоположный по полярности начальному току I₀, созданному источником 10. То есть суммарный ток в обеих линиях становится равным нулю. Таким образом, после прохождения волн из линий 5 и 6 отбирается полностью не только электрическая, но и магнитная энергия. В этот же момент времени волна напряжения - 3V₀/2 приходит к месту соединения линий 12, 13 и третьего отрезка СЛ 14. В результате в линию 12 отразится волна -V₀·(n+α)/[2(n+α-2)], в линию 13 пойдет волна V₀·(n+α-3)/[2(n+α-2)], а в третий отрезок СЛ волна -V₀·3(n+α-1)/[2(n+α-2)].
В момент времени t = 3T₀ к месту соединения линий 5, 8 и 12 приходят три волны: по линии 5 - волна V₀/2, по линии 8 - волна V₀/2 и по линии 12 - волна -V₀·(n+α)/[2(n+α-2)]. В результате суперпозиции суммарная амплитуда волн напряжения, отраженных и прошедших в линии 5 и 8, равны нулю. Кроме того, напряжение и полный ток в каждой из указанных линий также становятся равными нулю. То есть к моменту времени t = 3T₀ завершается процесс полного отбора энергии из линий 5 и 8. В линию 12 в результате суперпозиции пойдет волна напряжения V₀·(n+α-1)/(n+α-2), обнуляющая в ней как напряжение, так и полный ток. То есть начинается процесс полного отбора энергии из этой линий. К месту соединения линий 6 и 13 приходят две волны: по линии 6 - волна V₀, а по линии 13 - волна V₀·(n+α-3)/[2(n+α-2)]. В результате суперпозиции суммарная амплитуда волн напряжения, отраженных и прошедших в линию 6, равна нулю. К моменту времени t = 3T₀ завершается процесс полного отбора энергии из линии 6. В линию 13 пойдет волна напряжения V₀·(n+α-1)/[2(n+α-2)], обнуляющая в ней как напряжение, так и полный ток. То есть начинается процесс полного отбора энергии из этой линий. В этот же момент времени волна -V₀·3(n+α-1)/[2(n+α-2)], распространяющаяся по третьему отрезку СЛ, достигает места ее соединения с четвертым отрезком СЛ. В результате в третий отрезок СЛ отразится волна напряжения -V₀·3(n+α-1)/[2(n+α-2)(n+α-3)], а в четвертый отрезок СЛ пройдет волна -V₀·3(n+α-1)/[2(n+α-3)].
В момент времени t = 4T₀ к месту соединения линий 12, 13 и третьего отрезка СЛ 14 приходят три волны: V₀·(n+α-1)/(n+α-2)] по линии 12, V₀·(n+α-1)/[2(n+α-2)] по линии 13 и -V₀·3(n+α-1)/[2(n+α-2)(n+α-3)] по третьему отрезку СЛ. Суммарная амплитуда волн напряжения, отраженных и прошедших в линии 12 и 13, равна нулю, а в третий отрезок СЛ пойдет волна V₀·3(n+α-1)/[2(n+α-3)]. К этому моменту времени завершается процесс полного отбора энергии из линий 12 и 13. Отбор энергии из остальных отрезков СЛ осуществляется аналогичным образом - первая электромагнитная волна начинает отбор энергии, а завершает этот процесс волна, приходящая со стороны разрядника 9 с задержкой на время 2T₀. В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии только первой электромагнитной волны. В момент времени t = 2T₀ в линию 14 с волновым сопротивлением Z₃ побежит волна напряжения -V₀·3(n+α-1)/[2(n+α-2)]. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии с разными волновыми сопротивлениями волна будет изменять свою амплитуду. В интервале времени iT₀-(i+1)T₀ волна будет распространяться по отрезку СЛ с номером i и ее амплитуда V₁ ⁱ будет равна

В момент времени t = nT₀, когда первая волна напряжения

приходит к выходу генератора, включается прерыватель тока 2, подключающий резистивную нагрузку 3 с импедансом Z_н. В результате прихода волны на нагрузке 3 формируется импульс напряжения

а в результате размыкания прерывателя тока - импульс напряжения

Суммарная амплитуда импульса напряжения, возникающего на нагрузке 3 в момент времени t = nT₀, равна

и остается постоянной в интервале времени nT₀-(n+2)T₀. В дальнейшем в общем случае на нагрузке формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2T₀. Генератор имеет наибольший КПД в согласованном режиме, когда Z_н = Z_n. В этом случае на нагрузке 3 формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения амплитудой V₀·3(n+α-1)/(2α) и длительностью 2T₀. Энергия, переданная в течение импульса в согласованную нагрузку 3

равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе

где E_C и E_L - энергия, запасаемая в генераторе в электрическом и магнитном поле соответственно;

электрическая емкость и индуктивность линий с соответствующими волновыми сопротивлениями.At time t = 2T ₀ , the following occurs. The voltage wave - V _0/2 , propagating along the additional line 8, reaches the short-circuited switching arrester 9 and is reflected from it without changing the amplitude, but with the opposite polarity. To a place of connection lines 5 and 6 coming wave -3V _0/2. As a result, in a line 5 in the direction of the additional line 8 reflected wave V _0/2, and a wave line 6 ₀ V pass. It is easy to show that after the passage of these waves, the voltage in each of these lines becomes equal to zero. In addition, in each of the lines as a result of the passage of waves, a current arises that is equal in magnitude, but opposite in polarity, to the initial current I ₀ generated by source 10. That is, the total current in both lines becomes equal to zero. Thus, after the passage of waves from lines 5 and 6, not only electrical, but also magnetic energy is taken out completely. At the same time the stress wave - 3V _0/2 comes to the connection lines 12, 13 and the third segment 14. As a result, CO in line 12 will be reflected wave of -V ₀ · (n + α) / [2 (n + α- 2)], the wave V ₀ · (n + α-3) / [2 (n + α-2)] will go to line 13, and the wave -V ₀ · 3 (n + α-1) / to the third segment of the SL [2 (n + α-2)].
At time t = 3T ₀ , three waves arrive at the junction of lines 5, 8 and 12: along the line 5 - the wave V _0/2 , along the line 8 - the wave V _0/2 and along the line 12 - the wave -V ₀ · ( n + α) / [2 (n + α-2)]. As a result of superposition, the total amplitude of the voltage waves reflected and transmitted in lines 5 and 8 is equal to zero. In addition, the voltage and total current in each of these lines also become equal to zero. That is, by the time t = 3T ₀ , the process of complete energy extraction from lines 5 and 8 is completed. As a result of superposition, a voltage wave V ₀ · (n + α-1) / (n + α-2) will go to line 12 as a result of zeroing voltage and total current. That is, the process of complete energy selection from this line begins. Two waves come to the junction of lines 6 and 13: along the line 6 - the wave V ₀ , and along the line 13 - the wave V ₀ · (n + α-3) / [2 (n + α-2)]. As a result of the superposition, the total amplitude of the voltage waves reflected and transmitted through line 6 is zero. By the time t = 3T ₀ , the process of complete energy extraction from line 6 is completed. A voltage wave V ₀ · (n + α-1) / [2 (n + α-2)] will go to line 13, zeroing it as a voltage, and full current. That is, the process of complete energy selection from this line begins. At the same time, the wave -V ₀ · 3 (n + α-1) / [2 (n + α-2)] propagating along the third segment of the SL reaches its junction with the fourth segment of the SL. As a result, a voltage wave -V ₀ · 3 (n + α-1) / [2 (n + α-2) (n + α-3)] will be reflected in the third segment of the SL, and the wave -V ₀ will pass in the fourth segment of the SL · 3 (n + α-1) / [2 (n + α-3)].
At time t = 4T ₀ , three waves arrive at the junction of lines 12, 13 and the third segment of SL 14: V ₀ · (n + α-1) / (n + α-2)] along line 12, V ₀ · ( n + α-1) / [2 (n + α-2)] along line 13 and -V ₀ · 3 (n + α-1) / [2 (n + α-2) (n + α-3) ] on the third segment of the trunk. The total amplitude of the voltage waves reflected and transmitted in lines 12 and 13 is zero, and the wave V ₀ · 3 (n + α-1) / [2 (n + α-3)] will go to the third segment of the SL. At this point in time, the process of complete energy selection from lines 12 and 13 is completed. Energy is taken from the remaining segments of the SL in a similar way - the first electromagnetic wave begins to take energy, and the wave arrives from the side of the spark gap 9 with a delay of 2T ₀ . In the future, it suffices to consider the propagation along the step line of only the first electromagnetic wave. At time t = 2T _{0, a} voltage wave –V ₀ · 3 (n + α-1) / [2 (n + α-2)] will run to line 14 with wave resistance Z ₃ . With the passage of inhomogeneities at the junction of segments of the stepped line with different wave impedances, the wave will change its amplitude. In the time interval iT ₀ - (i + 1) T _{0, the} wave will propagate along the SL segment with number i and its amplitude V ₁ ⁱ will be equal to

At time t = nT ₀ , when the first voltage wave

comes to the output of the generator, the current chopper 2 is turned on, connecting the resistive load 3 with an impedance Z _n . As a result of the arrival of the wave at load 3, a voltage pulse is formed

and as a result of opening the current chopper, a voltage pulse

The total amplitude of the voltage pulse occurring at load 3 at time t = nT ₀ is

and remains constant in the time interval nT ₀ - (n + 2) T ₀ . Subsequently, in the general case, a step-shaped voltage pulse with a stage duration of 2T ₀ is formed on the load. The generator has the highest efficiency in a coordinated mode when Z _n = Z _n . In this case, a single rectangular voltage pulse with an amplitude of V ₀ · 3 (n + α-1) / (2α) and a duration of 2T ₀ is formed at load 3. Energy transferred during the pulse to the matched load 3

equal to the amount of energy stored initially in the generator

where E _C and E _L are the energy stored in the generator in an electric and magnetic field, respectively;

electric capacitance and inductance of lines with corresponding wave impedances.

Следовательно, к моменту времени t = (n+2)T₀ запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 3, и напряжение и ток в любом сечении генератора становятся равными нулю.Therefore, by the time t = (n + 2) T ₀ , the energy stored in the generator is completely transferred to the matched load 3, and the voltage and current in any section of the generator become equal to zero.

В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке формируется импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой V₀·3(n+α-1)/(2α), что превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа, равное V₀·(n+α-1)/α, в 1,5 раза. Оптимальный выбор числа отрезков СЛ и величины α должен проводиться отдельно для каждого конкретного применения.In the coordinated mode, when the generator in the ideal case has 100% efficiency, a rectangular voltage pulse with an amplitude of V ₀ · 3 (n + α-1) / (2α) is generated at the load, which exceeds the voltage at the matched load of the prototype generator, equal to V ₀ · (n + α-1) / α, 1.5 times. The optimal choice of the number of SL segments and the value of α should be carried out separately for each specific application.

Правильность метода анализа волновых процессов в высоковольтных генераторах на ступенчатых линиях, подобного проведенному выше, была неоднократно подтверждена при создании ряда сильноточных импульсных ускорителей электронов с системами формирования импульсов ускоряющего напряжения на ступенчатых линиях /3-7/. The correctness of the method of analysis of wave processes in high-voltage generators on step lines, similar to that carried out above, was repeatedly confirmed when creating a series of high-current pulsed electron accelerators with systems for generating accelerating voltage pulses on step lines / 3-7 /.

Генератор может быть выполнен в вариантах, использующих полосковые, коаксиальные и радиальные линии с распределенными параметрами. The generator can be made in versions using strip, coaxial and radial lines with distributed parameters.

Источники информации
1. Bossamykin V.S., Gordeev V. S., Pavlovskii A.I. New schemes for high-voltage pulsed generators based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V.1. PP. 511-516 (аналог - стр. 513, fig. 3с).Sources of information
1. Bossamykin VS, Gordeev VS, Pavlovskii AI New schemes for high-voltage pulsed generators based on stepped transmission lines // 9th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V.1. PP 511-516 (analogue - p. 513, fig. 3c).

2. Патент на изобретение N 2121217. Генератор высоковольтных импульсов/ Гордеев B. C., Босамыкин B.C. - N 96112922; заявлено 20.06.96; опубликовано 27.10.98. Бюл. N 30. 2. Patent for the invention N 2121217. High-voltage pulse generator / Gordeev B. C., Bosamykin B.C. - N 96112922; claimed 06/20/96; published on 10/27/98. Bull. N 30.

3. Bossamykin V. S., Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et al. Pulsed power electron accelerator with the forming systems based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V.1. PP. 505-510. 3. Bossamykin V. S., Gordeev V. S., Pavlovskii A. I. et al. Pulsed power electron accelerator with the forming systems based on stepped transmission lines // 9th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V.1. PP 505-510.

4. Bossamykin V. S. , Gordeev V. S., Pavlovskii A.I. et al. STRAUS-2 electron pulsed accelerator// 9^th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP. 910-912.4. Bossamykin VS, Gordeev VS, Pavlovskii AI et al. STRAUS-2 electron pulsed accelerator // 9 ^th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP 910-912.

5. Bossamykin V.S., Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et al. Linear induction accelerator LIA-10M// 9^th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP. 905-907.5. Bossamykin VS, Gordeev VS, Pavlovskii AI et al. Linear induction accelerator LIA-10M // 9 ^th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP 905-907.

6. B.C.Босамыкин, B.C.Гордеев, В.Ф.Басманов, В.О.Филиппов, Г.А.Мысков и др. Линейный индукционный ускоритель электронов ЛИУ-10М с индукторами на ступенчатых линиях //ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. -1997. - Вып. 4,5 (31, 32). С. 117-119. 6. B.C. Bosamykin, B.C. Gordeev, V.F. Basmanov, V.O. Filippov, G.A. Myskov, et al. Linear Induction Electron Accelerator LIU-10M with inductors on step lines // VANT. Series: Nuclear Physics Research. -1997. - Vol. 4.5 (31, 32). S. 117-119.

7. B.C.Босамыкин, B.C.Гордеев, В.Ф.Басманов, В.О.Филиппов, Г.А.Мысков и др. Инжектор ускорителя ЛИУ-10М // ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. -1997. -Вып. 4,5 (31, 32). С. 120-122. 7. B.C. Bosamykin, B.C. Gordeev, V.F. Basmanov, V.O. Filippov, G. A. Myskov and others. Injector of the accelerator LIU-10M // VANT. Series: Nuclear Physics Research. -1997. -Vyp. 4.5 (31, 32). S. 120-122.

Claims

A high-voltage pulse generator containing a grounded electrode forming a short-circuited stepped line made in the form of at least two segments of homogeneous lines connected in series with distributed parameters with the same delay time T ₀ , a high-voltage electrode placed in the internal volume of the first two segments of the stepped line and separating each of them into two homogeneous lines with wave impedances

accordingly, a voltage source connected between the high-voltage and grounded electrodes, a switching arrester, a load connected in parallel with the output of the stepped line and a current chopper connected anywhere in the gap of the earthed electrode connected in parallel with the current source and arrester, characterized in that it is provided with an additional uniform line with a delay time T ₀ , one of the ends of the additional homogeneous line is connected between the high-voltage and grounded electrodes at the junction of homogeneous lines with wave impedances Z ₁ and Z ₂ , a switching arrester is included at the other end of an additional homogeneous line, the wave impedances of the lines are selected from the relations:

where Z ₁ is the wave impedance of the segments of the stepped line without a high voltage electrode;
i = 3, 4, ..., n is the number of the step line segment;
n is the number of segments of the stepped line;
Z is the wave impedance of an additional homogeneous line,
α is the ratio of the energy stored initially in the generator in the form of an electric and magnetic field,
and the ratio of the magnitude of the charging voltage to the magnitude of the initial current in the generator is chosen equal to V ₀ / I ₀ = Z · 3 (n + α - 1) / 2.