RU2226031C2

RU2226031C2 - High-voltage pulse generator

Info

Publication number: RU2226031C2
Application number: RU2002100617/09A
Authority: RU
Inventors: Э.А. Авилов; Б.А. Воинов; А.Л. Юрьев
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 2002-01-03
Filing date: 2002-01-03
Publication date: 2004-03-20

Abstract

FIELD: high-voltage pulse engineering. SUBSTANCE: proposed generator that functions to generate short heavy-current high-voltage pulses for X-ray, high-frequency, and other apparatuses has coaxial generating line incorporating internal and external conductors, generating-line pulsed charge-voltage source, and peaker-gap in metal case. Generator casing functions as external conductor. Internal conductor of generating line is made in the form of hollow shell with one of peaker-gap electrodes connected to its bottom. Part of peaker-gap case is disposed inside shell and its other part, inside generator casing; peaker-gap is provided with two taper insulators coaxially arranged relative to its case. EFFECT: reduced size and mass at same service life and reliability of pulse generator. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано для формирования коротких сильноточных импульсов высокого напряжения в рентгеновской, высокочастотной и другой аппаратуре.The invention relates to the field of high-voltage pulse technology and can be used to generate short high-current high-voltage pulses in x-ray, high-frequency and other equipment.

Известны генераторы высоковольтных импульсов (Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с.17-21), содержащие одну или несколько формирующих высоковольтных линий, в которых подключение одной линии к другой линии или к нагрузке осуществляется с помощью обостряющих искровых промежутков, расположенных непосредственно в рабочей среде генератора (газ, масло, вода).Known high-voltage pulse generators (Zheltov K.A. Picosecond high-current electron accelerators. - M .: Energoatomizdat, 1991, p.17-21) containing one or more forming high-voltage lines, in which one line is connected to another line or to the load using sharpening spark gaps located directly in the working medium of the generator (gas, oil, water).

Недостатком таких устройств является малый ресурс из-за интенсивного загрязнения внутреннего объема генератора продуктами распада рабочей среды генератора, невозможность работы в частотном режиме и т.п.The disadvantage of such devices is a small resource due to intense pollution of the internal volume of the generator by the decay products of the working medium of the generator, the inability to work in the frequency mode, etc.

Наиболее близким к заявляемому является портативный генератор субнаносекундных импульсов (Белкин Н.В., Тараканов М.Ю., Тарасов М.Д. Портативный генератор субнаносекундных импульсов быстрых электронов. - ПТЭ, 1987, № 6, с.133 и 134), содержащий коаксиальную формирующую линию, включающую внутренний и внешний проводники, внешним проводником которого является корпус генератора, импульсный источник зарядного напряжения формирующей линии и разрядник-обостритель с металлическим корпусом. Корпус разрядника является внутренним проводником формирующей линии. Зарядка линии осуществляется с помощью импульсного трансформатора.Closest to the claimed is a portable generator of subnanosecond pulses (Belkin N.V., Tarakanov M.Yu., Tarasov M.D. Portable generator of subnanosecond pulses of fast electrons. - PTE, 1987, No. 6, p.133 and 134) containing coaxial forming line, including internal and external conductors, the external conductor of which is the generator body, a pulse source of the charging voltage of the forming line and the surge arrester with a metal case. The arrester housing is an internal conductor of the forming line. The line is charged using a pulse transformer.

Недостатком такого генератора является то, что объем и вес генератора резко увеличиваются с возрастанием величины ускоряющего напряжения, что сильно затрудняет создание высоковольтных портативных генераторов на напряжения 1000 кВ и выше.The disadvantage of this generator is that the volume and weight of the generator increase sharply with increasing accelerating voltage, which greatly complicates the creation of high-voltage portable generators with voltages of 1000 kV and higher.

Увеличение объема и веса генераторов данного класса в основном определяется возрастанием габаритов газового металлокерамического разрядника-обострителя, которые резко увеличиваются с увеличением пробивного напряжения разрядника. При использовании описанной конструкции генератора на напряжения выше 1000 кВ также возникают серьезные технологические проблемы, связанные с производством и пайкой больших керамических изоляторов.The increase in the volume and weight of generators of this class is mainly determined by the increase in the dimensions of the gas cermet discharger-sharpener, which sharply increase with increasing breakdown voltage of the discharger. When using the generator design described above for voltages above 1000 kV, serious technological problems also arise related to the production and soldering of large ceramic insulators.

Задачей данного изобретения является создание компактного генератора с высокими надежностью и ресурсом.The objective of the invention is to provide a compact generator with high reliability and resource.

Техническим результатом является уменьшение габаритов и веса генератора высоковольтных импульсов с сохранением его ресурса работы и надежности.The technical result is to reduce the size and weight of the high-voltage pulse generator while maintaining its service life and reliability.

Технический результат достигается за счет того, что по сравнению с известным генератором высоковольтных импульсов, содержащим коаксиальную формирующую линию, включающую внутренний и внешний проводники, импульсный источник зарядного напряжения формирующей линии и разрядник-обостритель с металлическим корпусом, при этом внешним проводником линии является корпус генератора, новым является то, что внутренний проводник формирующей линии выполнен в виде полого стакана, ко дну которого подключен один из электродов разрядника-обострителя, часть корпуса разрядника-обострителя расположена внутри стакана, а другая часть - внутри корпуса генератора, при этом разрядник-обостритель выполнен с двумя коническими изоляторами, расположенных соосно с его корпусом.The technical result is achieved due to the fact that, in comparison with the known high-voltage pulse generator containing a coaxial forming line including internal and external conductors, a pulse source of charging voltage of the forming line and a surge arrester with a metal casing, the external conductor of the line is the generator casing, new is that the inner conductor of the forming line is made in the form of a hollow glass, to the bottom of which is connected one of the electrodes of the arrester-sharpener, part of the housing of the arrester-sharpener is located inside the cup, and the other part is inside the body of the generator, while the arrester-sharpener is made with two conical insulators located coaxially with its body.

Частным случаем достижения технического результата является вариант генератора, в котором корпус разрядника-обострителя имеет одинаковый диаметр по всей длине, длины участков корпуса разрядника, расположенных внутри стакана и корпуса генератора, равны, при этом внутренние диаметры стакана и участка корпуса генератора, в котором расположен разрядник-обостритель, также равны.A particular case of achieving a technical result is a variant of the generator, in which the case of the arrester-sharpener has the same diameter along the entire length, the lengths of the sections of the case of the arrester located inside the glass and the case of the generator are equal, while the inner diameters of the glass and the section of the case of the generator in which the spark gap is located -conditioner are also equal.

В предлагаемом варианте генератора высоковольтных импульсов для достижения указанного технического результата использован металлокерамический газовый разрядник, который имеет меньший диаметр при той же длине, чем разрядник из описанного генератора. Это достигается тем, что разрядник имеет не один, а два изолятора меньшего диаметра, чем изолятор разрядника - прототипа, рассчитанный на напряжение зарядки формирующей линии; на каждом из двух изоляторов в процессе работы разрядника выделяется только часть напряжения зарядки формирующей линии; при этом сумма напряжений на изоляторах будет равна напряжению зарядки формирующей линии.In the proposed version of the high-voltage pulse generator, in order to achieve the indicated technical result, a ceramic-metal gas spark gap is used, which has a smaller diameter with the same length as the spark gap of the described generator. This is achieved by the fact that the arrester has not one, but two insulators of a smaller diameter than the insulator of the arrester - prototype, designed for the charging voltage of the forming line; on each of the two insulators during the operation of the arrester, only a part of the charging voltage of the forming line is allocated; the sum of the voltages at the insulators will be equal to the charging voltage of the forming line.

Указанное уменьшение напряжения на каждом из изоляторов достигается в результате того, что часть металлического корпуса разрядника-обострителя расположена внутри внутреннего проводника формирующей линии, а другая часть - внутри корпуса генератора, при этом из-за наличия конструктивных емкостей корпуса разрядника на внутренний проводник линии и на корпус генератора напряжение на корпусе разрядника составляет только часть напряжения зарядки формирующей линии.The indicated voltage reduction at each of the insulators is achieved as a result of the fact that part of the metal housing of the surge arrester is located inside the inner conductor of the forming line, and the other part is inside the generator housing, due to the presence of structural capacities of the arrester housing on the inner conductor of the line and on The generator housing the voltage on the arrester housing is only part of the charging voltage of the forming line.

В частном случае, когда корпус разрядника-обострителя имеет одинаковый диаметр по всей длине, длины участков корпуса разрядника, расположенных внутри внутреннего проводника формирующей линии и корпуса генератора, равны, внутренние диаметры внутреннего проводника формирующей линии и участка корпуса генератора, в котором расположен разрядник-обостритель, также равны, обеспечивается равенство конструктивных емкостей; при этом напряжение на корпусе разрядника равно половине напряжения зарядки линии.In the particular case when the case of the arrester-sharpener has the same diameter along the entire length, the lengths of the sections of the case of the arrester located inside the inner conductor of the forming line and the housing of the generator are equal, the inner diameters of the inner conductor of the forming line and the portion of the case of the generator in which the arrester-sharper is located are also equal, equality of structural capacities is ensured; the voltage on the arrester housing is equal to half the line charging voltage.

На фиг.1 схематически изображена конструкция генератора импульсов высокого напряжения.Figure 1 schematically shows the design of a high voltage pulse generator.

На фиг.2 изображена электрическая схема замещения генератора импульсов высокого напряжения.Figure 2 shows the electrical equivalent circuit of the high voltage pulse generator.

Генератор высоковольтных импульсов (фиг.1) содержит коаксиальную формирующую линию, включающую внутренний и внешний проводники. Внешним проводником линии является герметичный корпус 1 генератора, а внутренним проводником является кондуктор 2. В корпусе 1 располагается также разрядник-обостритель 3 с металлическим корпусом. К высоковольтному выводу разрядника подключается нагрузка R_н. Импульсный источник 4 зарядного напряжения формирующей линии представляет собой трансформатор Тесла, состоящий из первичной и вторичной обмоток. Кондуктор 2 и разрядник-обостритель 3 закреплены на каркасе вторичной обмотки импульсного трансформатора. Внутренний проводник формирующей линии (кондуктор 2) выполнен в виде полого стакана, ко дну которого подключен один из электродов разрядника-обострителя 3, часть корпуса разрядника-обострителя 3 расположена внутри кондуктора 2, а другая часть - внутри корпуса 1 генератора, при этом разрядник-обостритель 3 выполнен с двумя коническими изоляторами, расположенными соосно с его корпусом и закрепленными своими большими основаниями на торцах корпуса. На меньших основаниях изоляторов закреплены электроды.The high-voltage pulse generator (figure 1) contains a coaxial forming line, including internal and external conductors. The external conductor of the line is a sealed housing 1 of the generator, and the inner conductor is a conductor 2. In the housing 1 is also a surge arrester 3 with a metal housing. The load R _{n is} connected to the high-voltage output of the arrester. The pulse source 4 of the charging voltage of the forming line is a Tesla transformer, consisting of primary and secondary windings. The conductor 2 and the surge arrester 3 are mounted on the frame of the secondary winding of the pulse transformer. The inner conductor of the forming line (conductor 2) is made in the form of a hollow glass, to the bottom of which one of the electrodes of the arrester-sharpener 3 is connected, a part of the case of the arrester-sharpener 3 is located inside the conductor 2, and the other part is inside the generator 1, while the arrester sharpener 3 is made with two conical insulators located coaxially with its body and fixed with its large bases at the ends of the body. On smaller bases of the insulators, electrodes are fixed.

На электрической схеме емкость C₁ формирующей линии образована корпусом 1 и кондуктором 2 генератора (фиг.1). Емкость С₂ образована кондуктором 2 и корпусом разрядника 3. Емкость С₃ образована корпусом разрядника 3 и корпусом 1 генератора. Последовательно включенные емкости С₂ и С₃ образуют емкостной делитель напряжения. При подаче зарядного импульса U_зap на формирующую линию C₁ этот делитель обеспечивает напряжение на корпусе разрядника равнымOn the electrical diagram, the capacitance C _{1 of the} forming line is formed by the housing 1 and the conductor 2 of the generator (Fig.1). The capacitance C _{2 is} formed by the conductor 2 and the casing of the spark gap 3. The capacity C _{3 is} formed by the casing of the spark gap 3 and the housing 1 of the generator. Serially connected capacitances C ₂ and C ₃ form a capacitive voltage divider. When a charging pulse U _{zap is applied} to the forming line C _1, this divider provides a voltage on the arrester housing equal to

В частном случае, когда С₂=С₃, напряжение на корпусе будет равно половине напряжения зарядки линии. Если оба изолятора разрядника при этом выполнены одинаковыми, обеспечивается максимальная электропрочность вдоль поверхностей изоляторов.In the particular case, when C ₂ = C ₃ , the voltage on the case will be equal to half the charging voltage of the line. If both insulators of the arrester are made identical, the maximum electrical strength along the surfaces of the insulators is ensured.

Генератор работает следующим образом. При подаче напряжения зарядки с импульсного трансформатора 4 на формирующую линию происходит одновременная зарядка емкости линии C₁ и делителя напряжения, образованного емкостями С₂ и С₃. По схеме (фиг.2) видно, что при этом на корпусе разрядника 3 и, следовательно, на его изоляторах выделяется напряжение, составляющее только часть напряжения зарядки формирующей линии. Это дает возможность использовать изоляторы с уменьшенными габаритами. При увеличении напряжения зарядки линии до напряжения пробоя разрядника происходит срабатывание последнего и подключение линии к нагрузке R_н. Последовательная цепочка малоиндуктивных емкостей С₂, С₃ также разряжается на нагрузку, поэтому наличие С₂ и С₃ не приводит к уменьшению кпд генератора.The generator operates as follows. When the charging voltage is supplied from the pulse transformer 4 to the forming line, the capacitance of the line C ₁ and the voltage divider formed by the capacitances C ₂ and C ₃ are simultaneously charged. According to the scheme (figure 2) it is seen that in this case, a voltage is isolated on the case of the arrester 3 and, therefore, on its insulators, comprising only part of the charging voltage of the forming line. This makes it possible to use insulators with reduced dimensions. When increasing the charging voltage of the line to the breakdown voltage of the spark gap, the latter is activated and the line is connected to the load R _n . The serial chain of low-inductance capacitors C ₂ , C _{3 is} also discharged to the load, therefore, the presence of C ₂ and C ₃ does not lead to a decrease in the generator efficiency.

В примере конкретного выполнения был изготовлен генератор высоковольтных импульсов, в котором были использованы два металлокерамических узла от разрядников РИМ100/35, объединенных в одном корпусе согласно конструкции на фиг.1. Разрядник был заполнен водородом под давлением 40 ати. При напряжении пробоя разрядников РИМ 100/35 с одним изолятором 120 кВ (при фронте нарастания напряжения 0,5-0,7 мкс) генератор с двухизоляторным разрядником на базе металлокерамических узлов от РИМ 100/35 обеспечивал импульсы выходного напряжения амплитудой 240 кВ и имел диаметр корпуса 75 мм. Аналогичный генератор на разряднике с одним изолятором имел диаметр 90 мм. Длина обоих генераторов одинакова.In an example of a specific embodiment, a high-voltage pulse generator was manufactured in which two cermet assemblies from RIM100 / 35 arresters were used, combined in one housing according to the design in Fig. 1. The arrester was filled with hydrogen at a pressure of 40 atm. At a breakdown voltage of RIM 100/35 arresters with one insulator 120 kV (with a voltage rise front of 0.5-0.7 μs), a generator with a two-insulator arrester based on cermet assemblies from RIM 100/35 provided output voltage pulses with an amplitude of 240 kV and had a diameter cases 75 mm. A similar generator on a spark gap with one insulator had a diameter of 90 mm. The length of both generators is the same.

Таким образом, применение в генераторах высоковольтных импульсов разрядников-обострителей с двумя изоляторами в сочетании с емкостным делителем напряжения позволяет уменьшить габариты на 30-40% и соответственно на 50-65% массу генераторов.Thus, the use in generators of high-voltage pulses of surge arresters with two insulators in combination with a capacitive voltage divider can reduce the dimensions by 30-40% and, accordingly, by 50-65%, the mass of the generators.

Claims

1. A high-voltage pulse generator containing a coaxial forming line including internal and external conductors connected to a pulse source of charging voltage of the forming line, and a surge arrester with a metal casing, wherein the external conductor of the line is a generator casing, characterized in that the inner conductor is forming the line is made in the form of a hollow glass, to the bottom of which one of the electrodes of the arrester-sharpener is connected, a part of the case of the arrester-sharpener is located inside Kan, and the other part - inside the generator housing, wherein the sharpener is provided with two conical insulators, arranged coaxially with its housing.

2. The high-voltage pulse generator according to claim 1, characterized in that the case of the arrester-sharpener has the same diameter along the entire length, the lengths of the sections of the case of the arrester located inside the glass and the case of the generator are equal, while the inner diameters of the glass and the section of the generator body are which is located the surge arrester, are also equal.