RU2292112C1 - Device for generating subnanosecond pulses - Google Patents

Device for generating subnanosecond pulses Download PDF

Info

Publication number
RU2292112C1
RU2292112C1 RU2005120762/09A RU2005120762A RU2292112C1 RU 2292112 C1 RU2292112 C1 RU 2292112C1 RU 2005120762/09 A RU2005120762/09 A RU 2005120762/09A RU 2005120762 A RU2005120762 A RU 2005120762A RU 2292112 C1 RU2292112 C1 RU 2292112C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
switch
electrode
additional electrode
sharpener
pulse
Prior art date
Application number
RU2005120762/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Георгиевич Никифоров (RU)
Михаил Георгиевич Никифоров
Виталий Алексеевич Балдыгин (RU)
Виталий Алексеевич Балдыгин
Владислав Павлович Лисицын (RU)
Владислав Павлович Лисицын
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Эра"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Эра" filed Critical Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Эра"
Priority to RU2005120762/09A priority Critical patent/RU2292112C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2292112C1 publication Critical patent/RU2292112C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

FIELD: pulse engineering; generation of subnanosecond pulses for locating devices, charged-particle accelerators, and lasers.
SUBSTANCE: proposed device has pulse-voltage charging source, shaping line, two peaking switches, high-resistance shaping line, output shaping line, and transmitting line; mounted on first electrode of second peaking switch is additional electrode electrically connected to first electrode that encloses it and is disposed coaxially with this electrode.
EFFECT: reduced rise time of subnanosecond pulses.
5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для создания субнаносекундных импульсов, например, в локационных системах, в ускорителях заряженных частиц, лазерах.The invention relates to a pulse technique and can be used to create subnanosecond pulses, for example, in location systems, in charged particle accelerators, lasers.

Известны устройства для формирования высоковольтных импульсов напряжения и тока, в которых формирование импульсов с наносекундной длительностью достигается путем использования малоиндуктивных конденсаторов и коммутаторов-обострителей, подключенных к выходу генераторов импульсных напряжений (ГИН) Аркадьева-Маркса [1].Known devices for the formation of high-voltage voltage and current pulses in which the formation of pulses with a nanosecond duration is achieved by using low-inductance capacitors and sharpening switches connected to the output of the pulse voltage generators (GIN) Arkadyev-Marx [1].

При срабатывании ГИН на его выходе появляется импульс напряжения, амплитуда которого близка к величине n·Ucm, где n - количество ступеней ГИН, Ucm - зарядное напряжение ступени ГИН. Этот импульс прикладывается к малоиндуктивному конденсатору, подключенному на выходе ГИН, конденсатор заряжается. В определенный момент времени, когда амплитуда импульса напряжения на конденсаторе будет близка к n·Ucm, пробивается коммутатор-обостритель и малоиндуктивный конденсатор начинает разряжаться на нагрузку. Электрическая емкость этого конденсатора подобрана таким образом, чтобы запасаемой энергии было достаточно для формирования фронта импульса и его амплитуды. Остальная часть импульса формируется за счет энергии, запасаемой в накопительных конденсаторах ГИН. Так как время коммутации коммутатора-обострителя мало, а индуктивность разрядного контура: малоиндуктивный конденсатор - конденсатор-обостритель - нагрузка достаточно низкая, на нагрузке формируется высоковольтный импульс с коротким (наносекундным) фронтом. Происходит своеобразная компенсация большой индуктивности ГИН в течение времени формирования фронта импульса.When the GIN is triggered, a voltage pulse appears at its output, the amplitude of which is close to n · U cm , where n is the number of GIN stages, U cm is the charging voltage of the GIN stage. This pulse is applied to a low-inductance capacitor connected to the output of the GIN, the capacitor is charging. At a certain point in time, when the amplitude of the voltage pulse across the capacitor is close to n · U cm , the sharpening switch breaks through and the low-inductance capacitor begins to discharge to the load. The electrical capacitance of this capacitor is selected so that the stored energy is sufficient to form the front of the pulse and its amplitude. The rest of the pulse is generated due to the energy stored in the storage capacitors of the GIN. Since the switching time of the switch-sharpener is short, and the inductance of the discharge circuit: low-inductance capacitor - capacitor-sharpener - the load is quite low, a high-voltage pulse with a short (nanosecond) front is formed on the load. A peculiar compensation of the high GIN inductance occurs during the formation of the pulse front.

Недостатком данного устройства является недостаточно высокая скорость срабатывания коммутатора-обострителя из-за небольших перенапряжений на нем. При формировании импульсов с субнаносекундными фронтами для увеличения скорости коммутации коммутаторов применяют две и более ступени обострения импульсов.The disadvantage of this device is the insufficiently high response speed of the switch-sharpener due to small overvoltages on it. When generating pulses with subnanosecond fronts, two or more pulse exacerbation stages are used to increase the switching speed of the switches.

Известно устройство для формирования высоковольтных наносекундных импульсов [2], содержащее первичный накопитель энергии - импульсный трансформатор, первую формирующую линию (ФЛ), первый коммутатор-обостритель, вторую ФЛ, второй коммутатор-обостритель, передающую линию (ПЛ), нагрузку.A device for generating high-voltage nanosecond pulses [2], comprising a primary energy storage device - a pulse transformer, a first forming line (PL), a first switch-sharpener, a second PL, a second switch-sharpener, a transmission line (PL), a load.

Работает устройство следующим образом. После срабатывания импульсного трансформатора происходит зарядка первой ФЛ и последующий пробой первого коммутатора-обострителя. Первая ФЛ разряжается на вторую ФЛ в течение единиц-десятков наносекунд, и на втором коммутаторе-обострителе из-за быстрого нарастания напряжения возникает сильное перенапряжение. В результате второй коммутатор-обостритель срабатывает за доли наносекунд. ПЛ без искажения передает импульс к нагрузке, на которой формируется импульс с фронтом в доли наносекунд. Длительность импульса определяется электрическими длинами формирующих линий.The device operates as follows. After the operation of the pulse transformer, the first PL is charged and the next breakdown of the first switch-sharpener is broken. The first PL discharges to the second PL within a few tens of nanoseconds, and a strong overvoltage arises on the second switch-sharpener due to the rapid increase in voltage. As a result, the second switch-sharpener works in fractions of a nanosecond. Submarine without distortion transmits a pulse to the load, on which a pulse is formed with a front in a fraction of nanoseconds. The pulse duration is determined by the electrical lengths of the forming lines.

Недостатком данного устройства является то, что при больших уровнях напряжений (от сотен киловольт до мегавольт) изоляционные расстояния в коаксиальной конструкции коммутатора-обострителя существенно влияют на время коммутации второго коммутатора-обострителя и приводят к увеличению длительности фронтов и ширины импульсов из-за влияния индуктивности, так называемой петли коммутации импульсов.The disadvantage of this device is that at high voltage levels (from hundreds of kilovolts to megavolts), the insulation distances in the coaxial design of the sharpener switch significantly affect the switching time of the second sharpener switch and lead to an increase in the duration of the edges and pulse widths due to the influence of inductance, the so-called pulse switching loop.

Известно устройство для формирования пикосекундных импульсов напряжения [3], где значительная компенсация индуктивности петли коммутации достигается за счет конического сужения электродов коммутатора-обострителя и внешней оболочки коаксиальной ФЛ в устройстве. Описанное устройство содержит первичный накопитель энергии - импульсный трансформатор, ФЛ, первый коммутатор-обостритель, трансформирующую линию (ТФЛ), соединенную с накопительной формирующей линией (НФЛ), второй коммутатор-обостритель, ПЛ, нагрузку.A device for generating picosecond voltage pulses [3], where significant compensation of the inductance of the switching loop is achieved due to the conical narrowing of the electrodes of the switch-sharpener and the outer shell of the coaxial PL in the device. The described device contains a primary energy storage device - a pulse transformer, FL, the first switch-sharpener, a transforming line (TFL) connected to the storage forming line (NFL), the second switch-sharpener, PL, load.

При подаче управляющего сигнала включается первичный источник энергии (импульсный трансформатор), происходит зарядка первой ФЛ и последующий пробой первого коммутатора-обострителя и разряд первой ФЛ на ТФЛ, соединенную с НФЛ. После нарастания на НФЛ напряжения, близкого к максимуму, пробивается второй коммутатор-обостритель и по ПЛ к нагрузке распространяется импульс с коротким фронтом. Так как индуктивность искры достаточно велика из-за ее малого (доли миллиметра) диаметра, в зоне искрового промежутка образуется неоднородность из-за скачка волнового сопротивления Zискр, равного согласно [4]When the control signal is supplied, the primary energy source (pulse transformer) is turned on, the first PL is charged and the first switch-sharpener is broken down and the first PL is discharged to the TFL connected to the NFL. After the voltage near the maximum increases on the NFL, the second switch-sharpener breaks through and a pulse with a short edge propagates to the load on the submarine. Since the inductance of the spark is large enough because of its small (fraction of a millimeter) diameter, inhomogeneity is formed in the zone of the spark gap due to a jump in the wave impedance Z of the sparks , which is equal according to [4]

Figure 00000002
Figure 00000002

где ε - диэлектрическая проницаемость рабочей среды коммутатора-обострителя,where ε is the dielectric constant of the working medium of the switch-sharpener,

D - диаметр разрядной камеры,D is the diameter of the discharge chamber,

du - диаметр искры.d u - spark diameter.

Плавные сужения внутренних и внешних проводников коммутатора-обострителя позволяют улучшить согласование первой НФЛ с ПФЛ и уменьшить конструктивную индуктивность элементов электродной системы в разрядной цепи путем уменьшения разницы в диаметрах искры и электродов второго коммутатора-обострителя.Smooth narrowing of the internal and external conductors of the sharpening switch can improve the coordination of the first NFL with PFL and reduce the structural inductance of the elements of the electrode system in the discharge circuit by reducing the difference in the diameters of the spark and the electrodes of the second switch-sharpener.

Недостатком данного устройства является то, что дальнейшее уменьшение длительности фронта импульса ограничивается достаточно большой конструктивной индуктивностью емкости конической НФЛ в разрядной цепи.The disadvantage of this device is that a further decrease in the duration of the pulse front is limited by a sufficiently large structural inductance of the capacitance of the conical NFL in the discharge circuit.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение длительности фронта субнаносекундных импульсов.The problem to which the invention is directed, is to reduce the duration of the front of subnanosecond pulses.

Техническим результатом является обеспечение более эффективной передачи энергии к нагрузке в технике формирования субнаносекундных импульсов.The technical result is to provide more efficient transfer of energy to the load in the technique of forming subnanosecond pulses.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов, содержащем зарядный источник импульсного напряжения, формирующую линию (ФЛ), высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой стороны - с первым коммутатором-обострителем, соединенным через высокоомную ФЛ с высоковольтным токопроводом выходной ФЛ, который через второй коммутатор-обостритель соединен с высоковольтным токопроводом передающей линии (ПЛ), подключенной на выходе к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом формирующих линий и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, на первом электроде второго коммутатора-обострителя закреплен дополнительный электрод, имеющий с первым электродом гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним.The problem is solved due to the fact that in the device for generating subnanosecond pulses containing a charging pulse voltage source, forming a line (PL), the high-voltage conductor of which is connected on one side to the output of the charging pulse voltage source, and on the other hand, to the first switch a sharpener connected through a high-impedance FL with a high-voltage current lead of the output FL, which through a second switch-sharpener is connected to a high-voltage current lead of a transmission line (PL), sub li ne the output to the load, wherein the electrical conductors potential-forming lines and PL are their housings and connected to each other, on the first electrode of the second switch-sharpener secured additional electrode having a first electrode galvanic contact, covering it and disposed coaxially with them.

Дополнительный электрод может быть выполнен в виде полого цилиндра.The additional electrode may be made in the form of a hollow cylinder.

Дополнительный электрод может быть выполнен в виде полого усеченного конуса.The additional electrode may be made in the form of a hollow truncated cone.

Второй электрод второго коммутатора-обострителя может быть выполнен расположенным в полости дополнительного электрода.The second electrode of the second switch-sharpener can be made located in the cavity of the additional electrode.

Длина дополнительного электрода может быть определена из условияThe length of the additional electrode can be determined from the condition

Figure 00000003
Figure 00000003

где tфо - длительность фронта импульса в конструкции устройства без дополнительного электрода;where t ph - the duration of the pulse front in the design of the device without an additional electrode;

v - скорость света в диэлектрической среде второго коммутатора-обострителя.v is the speed of light in the dielectric medium of the second switch-sharpener.

Установка дополнительного электрода на первом электроде второго коммутатора-обострителя вызывает образование двух дополнительных электрических емкостей с малой конструктивной индуктивностью за счет уменьшения петли разряда вследствие выбора оптимальных размеров разрядных контуров, образованных емкостью С3 между дополнительным электродом и внешним токопроводом, емкостью C4 между дополнительным электродом и вторым электродом второго коммутатора-обострителя, каналом искры и нагрузкой. В момент коммутации дополнительный электрод совместно с искровым каналом образует минимально возможный по размерам и, соответственно, по индуктивности колебательный контур, что позволяет увеличить скорость роста тока через искровой канал после его образования. Это в свою очередь ведет к увеличению скорости нарастания напряжения в ПЛ и на нагрузке. Быстрые электромагнитные процессы в этом контуре позволяют уменьшить длительность фронта импульса тока за счет энергии, накопленной в емкостях С4 и С3. Время пробега электромагнитной волны t0 по поверхности дополнительного электрода определяется по формуле:The installation of an additional electrode on the first electrode of the second switch-sharpener causes the formation of two additional electrical capacitances with low structural inductance due to the reduction of the discharge loop due to the selection of the optimal sizes of the discharge circuits formed by the capacitance C 3 between the additional electrode and the external current lead, the capacitance C 4 between the additional electrode the second electrode of the second switch-sharpener, the spark channel and the load. At the time of switching, the additional electrode together with the spark channel forms the smallest possible in size and, accordingly, inductance oscillatory circuit, which allows to increase the current growth rate through the spark channel after its formation. This, in turn, leads to an increase in the rate of increase in voltage in the submarine and at the load. Fast electromagnetic processes in this circuit can reduce the duration of the front of the current pulse due to the energy stored in the capacitances C 4 and C 3 . The travel time of the electromagnetic wave t 0 on the surface of the additional electrode is determined by the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

где lо - общая длина пробега волны;where l about - the total path length of the wave;

ν - скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрической среде.ν is the propagation velocity of an electromagnetic wave in a dielectric medium.

Так как волна формируется после пробоя второго коммутатора-обострителя, то общая длина пробега волны lо от точки пробоя (вершины конического электрода) приблизительно составляет:Since the wave is formed after the breakdown of the second switch-sharpener, the total path length of the wave l about from the breakdown point (the top of the conical electrode) is approximately:

Figure 00000005
Figure 00000005

где l - длина дополнительного электрода;where l is the length of the additional electrode;

d - внутренний диаметр дополнительного электрода, закрепленного на первом электроде второго коммутатора-обострителя.d is the inner diameter of the additional electrode mounted on the first electrode of the second switch-sharpener.

Соответственно время пробега t0 до конца дополнительного электрода составляет:Accordingly, the travel time t 0 to the end of the additional electrode is:

Figure 00000006
Figure 00000006

где l - длина дополнительного электрода, l=lo-d/2;where l is the length of the additional electrode, l = l o -d / 2;

ν - скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрической среде;ν is the propagation velocity of an electromagnetic wave in a dielectric medium;

d - внутренний диаметр дополнительного электрода, закрепленного на первом электроде второго коммутатора-обострителя.d is the inner diameter of the additional electrode mounted on the first electrode of the second switch-sharpener.

Длительность фронта импульса зависит от времени коммутации второго коммутатора-обострителя и времени пробега волны по дополнительному электроду, т.е. длины и диаметра дополнительного электрода. Чистое время коммутации tk коммутатора-обострителя в субнаносекундном диапазоне времени измерить практически невозможно, поэтому в расчетах оно задавалось определенной функцией от tфо. Размеры дополнительного электрода и, соответственно, электрические емкости С3 и С4 должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить достаточный энерговклад для колебательного выброса электромагнитной энергии на вершине импульса тока (напряжения) и увеличения крутизны фронта импульса.The duration of the pulse front depends on the switching time of the second switch-sharpener and the travel time of the wave along the additional electrode, i.e. length and diameter of the additional electrode. The pure switching time t k of the sharpening switch in the subnanosecond time range is practically impossible to measure, therefore, in the calculations it was specified by a certain function of t pho . The dimensions of the additional electrode and, accordingly, the electric capacitances C 3 and C 4 must be selected in such a way as to provide sufficient energy input for the vibrational emission of electromagnetic energy at the top of the current pulse (voltage) and increase the steepness of the pulse front.

Эксперименты и расчеты показали, что существует определенный диапазон длин дополнительного электрода, при котором длительность фронта импульса в устройстве с дополнительным электродом будет меньше по сравнению с длительностью фронта импульса в устройстве без дополнительного электрода.Experiments and calculations showed that there is a certain range of lengths of the additional electrode, in which the duration of the pulse front in the device with the additional electrode will be shorter than the duration of the pulse front in the device without the additional electrode.

Этот диапазон определен следующим образом. Для разных значений давления и разного изоляционного расстояния в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов без дополнительного электрода при помощи делителя напряжения, встроенного в коаксиальную ПЛ, регистрируют импульс напряжения на нагрузке. По осциллограмме определяют длительность фронта импульса tфо (tфо=0,38 нс при давлении 60 атм и межэлектродном расстоянии 4 мм, tфо=0,42 нс при давлении 40 атм и межэлектродном расстоянии 6 мм, tфо=0,48 нс при давлении 30 атм и межэлектродном расстоянии 8 мм). Изменяют длину дополнительного электрода от 5 до 80 мм с шагом в 5 мм. Для каждого шага длины дополнительного электрода расчетным путем определяют значение t0/tфо=lo/νtфо. Для каждой получившейся точки регистрируют импульс напряжения на нагрузке и определяют значение tф для устройства формирования субнаносекундных импульсов с дополнительным электродом. Результат, полученный экспериментально, подтвержден расчетным путем. Получены кривые 1, 2, 3 для разных значений tфо (фиг.4).This range is defined as follows. For different pressure values and different insulation distances in the device for generating subnanosecond pulses without an additional electrode, a voltage pulse is recorded at the load using a voltage divider built into a coaxial submarine. The waveform determines the pulse front duration t pho (t pho = 0.38 ns at a pressure of 60 atm and an interelectrode distance of 4 mm, t pho = 0.42 ns at a pressure of 40 atm and an interelectrode distance of 6 mm, t pho = 0.48 ns at a pressure of 30 atm and an interelectrode distance of 8 mm). Change the length of the additional electrode from 5 to 80 mm in increments of 5 mm. For each step of the length of the additional electrode, the value t 0 / t pho = l o / νt pho is calculated by calculation. For each resulting point, a voltage pulse is recorded at the load and the value of t f is determined for the subnanosecond pulse generating device with an additional electrode. The result obtained experimentally is confirmed by calculation. The obtained curves 1, 2, 3 for different values of t fo (figure 4).

Как видно, существует достаточно явно выраженный минимум длительности фронта импульса для разных значений tфо при определенных значениях t0/tфо. Очевидно, что при малых длинах дополнительного электрода l энергии, накопленной в емкостях, образованных дополнительным электродом и токопроводом с нулевым потенциалом С3 и дополнительным электродом и вторым электродом второго коммутатора-обострителя С4, недостаточно, чтобы уменьшить длительность фронта импульса. При больших длинах дополнительного электрода l формирующая линия, образованная дополнительным электродом и основными электродами, не может разрядиться быстрее времени пробега электромагнитной волны по дополнительному электроду. Если это время значительно больше значения tk, происходит удлинение фронта импульса.As can be seen, there is quite pronounced minimum pulse front duration values for different t values under certain pho t 0 / t fo. Obviously, for small lengths of the additional electrode l, the energy stored in the capacitors formed by the additional electrode and the current path with zero potential C 3 and the additional electrode and the second electrode of the second switch-sharpener C 4 is not enough to reduce the duration of the pulse front. For large lengths of the additional electrode l, the forming line formed by the additional electrode and the main electrodes cannot be discharged faster than the travel time of the electromagnetic wave along the additional electrode. If this time is significantly greater than the value of t k , the pulse front is elongated.

Как следует из фиг.4, минимальные значения tф находятся при соотношении t0/lфо в пределах (0,08-0,24),As follows from figure 4, the minimum values of t f are at a ratio of t 0 / l fo within (0.08-0.24),

Отсюда получаем:From here we get:

t0/tфо=0,08-0,24,t 0 / t pho = 0.08-0.24,

t0=(0,08-0,24)tфо,t 0 = (0.08-0.24) t fo

учитывая (1) t0=l0/ν,taking into account (1) t 0 = l 0 / ν,

l0=t0ν,l 0 = t 0 ν,

определяется общая длина пробега волныdetermines the total wavelength

Figure 00000007
Figure 00000007

Исходя из вышеизложенного, определение оптимального значения длины дополнительного электрода сводится к следующему. По представленной формуле, измерив предварительно длительность фронта импульса в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов без дополнительного электрода, определяют общую длину пробега волны lо. Определяют из (2) длину дополнительного электрода l=lо-d/2, который необходимо установить в коммутатор-обостритель для уменьшения длительности фронта импульса. Диаметр дополнительного электрода d выбирается в основном из соображений обеспечения электрической прочности среды между дополнительным электродом и электродом коммутатора-обострителя, подсоединенным к коаксиальной передающей линии.Based on the foregoing, the determination of the optimal value of the length of the additional electrode is reduced to the following. According to the presented formula, having previously measured the duration of the pulse front in the device for generating subnanosecond pulses without an additional electrode, the total wavelength l about is determined. From (2) determine the length of the additional electrode l = l o -d / 2, which must be installed in the switch-sharpener to reduce the duration of the pulse front. The diameter of the additional electrode d is chosen mainly for reasons of ensuring the electric strength of the medium between the additional electrode and the sharpening switch electrode connected to the coaxial transmission line.

Выполнение дополнительного электрода в виде полого цилиндра позволяет наиболее эффективно уменьшить длительность фронта импульса.The implementation of an additional electrode in the form of a hollow cylinder allows you to most effectively reduce the duration of the pulse front.

Выполнение дополнительного электрода в виде усеченного конуса позволяет усилить его емкостную связь с основными электродами коммутатора-обострителя и увеличить крутизну импульса.The implementation of the additional electrode in the form of a truncated cone allows you to strengthen its capacitive connection with the main electrodes of the switch-sharpener and increase the slope of the pulse.

Выполнение второго электрода второго коммутатора-обострителя расположенным в полости дополнительного электрода позволяет наиболее оптимально обеспечить уменьшение длительности фронта импульсов за счет уменьшения волнового сопротивления в канале разряда.The implementation of the second electrode of the second switch-sharpener located in the cavity of the additional electrode allows the most optimal way to reduce the duration of the pulse front by reducing the wave impedance in the discharge channel.

На фиг.1 представлена общая конструкция устройства для формирования субнаносекундных импульсов.Figure 1 shows the overall design of a device for generating subnanosecond pulses.

На фиг.2 представлена конструкция второго коммутатора-обострителя с выполнением дополнительного электрода в виде полого цилиндра.Figure 2 presents the design of the second switch-sharpener with the implementation of the additional electrode in the form of a hollow cylinder.

На фиг.3 представлена конструкция второго коммутатора-обострителя с выполнением дополнительного электрода в виде полого усеченного конуса.Figure 3 presents the design of the second switch-sharpener with the implementation of the additional electrode in the form of a hollow truncated cone.

На фиг.4 представлены зависимости длительности фронта импульса в ПЛ (или на нагрузке) от величины отношения to/tфо при разных значениях tфо.Figure 4 presents the dependence of the duration of the pulse front in the submarine (or at the load) on the ratio t o / t fo for different values of t fo .

На фиг.5 представлены осциллограммы импульсов напряжения на ФЛ, ПЛ и коммутаторах-обострителях.Figure 5 presents the waveforms of voltage pulses on the PL, submarine and switch sharpeners.

Устройство для формирования субнаносекундных импульсов содержит зарядный источник импульсного напряжения 1 (фиг.1), ФЛ 2, образующую электрическую емкость C1, высоковольтный токопровод 3 которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения 1, а с другой стороны - с первым электродом 4 первого коммутатора-обострителя 5, второй электрод которого 6 соединен через высокоомную ФЛ 7 с высоковольтным токопроводом 8 выходной ФЛ 9, образующей электрическую емкость C2 (фиг.2), выполненную, например, в виде конической коаксиальной формирующей линии. Высоковольтный токопровод 8 (фиг.1) выходной ФЛ 9 через второй коммутатор-обостритель 10 соединен с высоковольтным токопроводом 11 ПЛ 12, подключенной на выходе к нагрузке 13. Токопроводы с нулевым потенциалом 14, 15, 16 формирующих линий 2, 9 и ПЛ 12 являются их корпусами и соединены друг с другом. На первом электроде 17 второго коммутатора-обострителя 10 закреплен дополнительный электрод 18, имеющий с первым электродом 17 гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним. Установка дополнительного электрода 18 вызывает создание двух дополнительных электрических емкостей с малой конструктивной индуктивностью, образованных дополнительным электродом 18 и токопроводом с нулевым потенциалом 15 С3 (фиг.2) и дополнительным электродом 18 и вторым электродом 19 второго коммутатора-обострителя 10 C4. Также существует емкость между электродами 17, 19 второго коммутатора-обострителя 10 С5.A device for generating subnanosecond pulses contains a charging source of pulse voltage 1 (Fig. 1), PL 2, forming an electric capacitance C 1 , a high-voltage conductor 3 of which is connected on one side to the output of the charging source of pulse voltage 1, and on the other hand, to the first electrode 4-sharpener first switch 5, second electrode 6 which is connected via a high photoluminescence with a high current lead 7 8 9 PL output constituting the capacitance c 2 (2) made, e.g., in the form of a conical Kwak ialnoy forming line. The high-voltage conductor 8 (Fig. 1) of the output FL 9 through the second switch-sharpener 10 is connected to the high-voltage conductor 11 of the PL 12 connected to the output 13 at the output. The conductors with zero potential 14, 15, 16 of the forming lines 2, 9 and PL 12 are their bodies and connected to each other. An additional electrode 18 is attached to the first electrode 17 of the second sharpening switch 10, having a galvanic contact with the first electrode 17, covering it and located coaxially with it. The installation of an additional electrode 18 causes the creation of two additional electric capacitances with low structural inductance, formed by an additional electrode 18 and a current path with zero potential 15 C 3 (Fig. 2) and an additional electrode 18 and a second electrode 19 of the second sharpening switch 10 C 4 . There is also a capacitance between the electrodes 17, 19 of the second switch-sharpener 10 C 5 .

Дополнительный электрод 18 может быть выполнен в виде полого цилиндра (фиг.2).The additional electrode 18 may be made in the form of a hollow cylinder (figure 2).

Дополнительный электрод 18 может быть выполнен в виде полого усеченного конуса (фиг.3).The additional electrode 18 can be made in the form of a hollow truncated cone (figure 3).

Второй электрод 19 второго коммутатора-обострителя 10 может быть выполнен расположенным в полости дополнительного электрода 18 (фиг.3).The second electrode 19 of the second switch-sharpener 10 can be performed located in the cavity of the additional electrode 18 (figure 3).

Длина дополнительного электрода 18 может быть определена из условияThe length of the additional electrode 18 can be determined from the condition

lo=(0,08-0,24)tфо·ν (фиг.4)l o = (0.08-0.24) t pho ν (Fig. 4)

где tфо - длительность фронта импульса в конструкции устройства без дополнительного электрода;where t ph - the duration of the pulse front in the design of the device without an additional electrode;

ν - скорость света в диэлектрической среде второго коммутатора-обострителя.ν is the speed of light in the dielectric medium of the second switch-sharpener.

Устройство работает следующим образом. После включения зарядного источника импульсного напряжения 1 (фиг.1) в момент времени t1 происходит зарядка емкости C1 первой формирующей линии 2 (кривая 1) (фиг.5). Электрическая прочность основного промежутка между электродами 4, 6 первого коммутатора-обострителя 5 (фиг.1) определяется геометрией промежутка и свойствами изоляционной среды в рабочем объеме и подбирается таким образом, чтобы пробой промежутка происходил при напряжении, близком к максимальному значению. При пробое между электродами 4, 6 коммутатора 5 в момент времени t2 (фиг.5) происходит быстрая зарядка емкости C2 (фиг.2) конической формирующей линии 9 (кривая 2) (фиг.5). Параллельно происходит зарядка электрических емкостей, образованных дополнительным электродом 18 и токопроводом с нулевым потенциалом 15 С3 (фиг.2) и дополнительным электродом 18 и вторым электродом 19 второго коммутатора-обострителя 10 C4 (кривая 3), а также междуэлектродной емкости C5 (кривая 3) (фиг.5). В момент пробоя t3 второго коммутатора-обострителя 10 (фиг.1) дополнительный электрод 18 совместно с искровым каналом образует минимально возможный по размерам и, соответственно, по индуктивности колебательный контур. Начинает происходить разряд конструктивной емкости C4 (фиг.2) через искровой канал второго коммутатора-обострителя 10 (кривая 3) (фиг.5). По внутренней поверхности дополнительного электрода 18 начинает распространяться электромагнитная волна, время пробега которой определяется по формуле:The device operates as follows. After turning on the charging source of the pulse voltage 1 (Fig. 1) at time t 1 , the capacitance C 1 of the first forming line 2 is charged (curve 1) (Fig. 5). The electric strength of the main gap between the electrodes 4, 6 of the first switch-sharpener 5 (Fig. 1) is determined by the geometry of the gap and the properties of the insulating medium in the working volume and is selected so that breakdown of the gap occurs at a voltage close to the maximum value. In the event of a breakdown between the electrodes 4, 6 of the switch 5 at time t 2 (Fig. 5), the capacitance C 2 (Fig. 2) of the conical forming line 9 is rapidly charged (curve 2) (Fig. 5). In parallel, the charging of electric capacitances formed by an additional electrode 18 and a current path with zero potential 15 C 3 (Fig. 2) and an additional electrode 18 and a second electrode 19 of the second switch-sharpener 10 C 4 (curve 3), as well as the interelectrode capacitance C 5 ( curve 3) (Fig. 5). At the time of breakdown t 3 of the second switch-sharpener 10 (Fig. 1), the additional electrode 18 together with the spark channel forms the smallest possible in size and, accordingly, inductance oscillatory circuit. The discharge of the structural capacity C 4 (FIG. 2) begins to occur through the spark channel of the second switch-sharpener 10 (curve 3) (FIG. 5). An electromagnetic wave begins to propagate along the inner surface of the additional electrode 18, the travel time of which is determined by the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

где l0 - общая длина пробега волны;where l 0 is the total path length of the wave;

ν - скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрической среде.ν is the propagation velocity of an electromagnetic wave in a dielectric medium.

Так как волна формируется после пробоя второго коммутатора-обострителя 10, то общая длина пробега волны lo от точки пробоя (вершины конического электрода) приблизительно составляет:Since the wave is formed after the breakdown of the second switch-sharpener 10, the total path length of the wave l o from the breakdown point (the top of the conical electrode) is approximately:

Figure 00000005
Figure 00000005

где l - длина дополнительного электрода 18;where l is the length of the additional electrode 18;

d - внутренний диаметр дополнительного электрода 18, закрепленного на первом электроде 17 второго коммутатора-обострителя 10.d is the inner diameter of the additional electrode 18, mounted on the first electrode 17 of the second switch-sharpener 10.

Соответственно время пробега t до конца дополнительного электрода составляет:Accordingly, the travel time t to the end of the additional electrode is:

Figure 00000006
Figure 00000006

В момент времени t4 (фиг.5) волна, дойдя до конца дополнительного электрода 18, отражается и начинается перезаряд емкости С4 (фиг.2), обеспечивая формирование нижней части фронта импульса, часть волны, преломляясь, проходит в ПЛ 12 (кривая 4) (фиг.5). В этот же момент времени начинается разряд емкости С3 (фиг.2), обеспечивая формирование вершины фронта импульса. Быстрые электромагнитные процессы в колебательном контуре позволяют сформировать крутой фронт импульса тока за счет энергии, накопленной в емкостях C4 и С3.At time t 4 (Fig. 5), the wave, reaching the end of the additional electrode 18, is reflected and the recharging of capacitance C 4 (Fig. 2) begins, ensuring the formation of the lower part of the pulse front, part of the wave, being refracted, passes into PL 12 (curve 4) (Fig. 5). At the same time, the discharge of capacitance C 3 begins (FIG. 2), ensuring the formation of the peak front of the pulse. Fast electromagnetic processes in the oscillatory circuit allow the formation of a steep front of the current pulse due to the energy stored in the capacitances C 4 and C 3 .

В момент времени t5 начинается разряд емкостей C2, обеспечивая на нагрузке 13 формирование соответствующей длительности импульса.At time t 5 , the discharge of capacitances C 2 begins, providing a corresponding pulse duration at load 13.

Создание двух дополнительных электрических емкостей C4 и С3 с малой конструктивной индуктивностью позволяет увеличить скорость роста тока через искровой канал после его образования. Это в свою очередь ведет к увеличению скорости нарастания напряжения в передающей коаксиальной линии и нагрузке.The creation of two additional electric capacitances C 4 and C 3 with a low structural inductance allows increasing the current growth rate through the spark channel after its formation. This in turn leads to an increase in the rate of rise of voltage in the transmitting coaxial line and the load.

Источники информацииInformation sources

1. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск: Наука, 1987 г., с 108.1. Kremnev V.V., Mesyats G.A. Methods of multiplication and transformation of pulses in high-current electronics. Novosibirsk: Nauka, 1987, p. 108.

2. Burger I.W., Baum C.E., Prather W.D. Disign anol Development ob a High Voltage Cooaxial Hygrogen gwitch. Proceeding ob SPIE, 2002, V.4720, p.43-58.2. Burger I.W., Baum C.E., Prather W. D. Disign anol Development ob a High Voltage Cooaxial Hygrogen gwitch. Proceeding ob SPIE, 2002, V.4720, p. 43-58.

3. Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные наносекундные ускорители. М.: Энергоатомиздат, 1991 г., с 21.3. Zheltov K.A. Picosecond high-current nanosecond accelerators. M .: Energoatomizdat, 1991, p. 21.

4. Х.Мейнке, Ф.Гундлах. Радиотехнический справочник. М., Госэнергоиздат, 1961 г., с 131.4. H. Meinke, F. Gundlach. Radio technical reference. Moscow, Gosenergoizdat, 1961, p. 131.

Claims (5)

1. Устройство для формирования субнаносекундных импульсов, содержащее зарядный источник импульсного напряжения, формирующую линию (ФЛ), высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой стороны - с первым коммутатором-обострителем, соединенным через высокоомную ФЛ с высоковольтным токопроводом выходной ФЛ, который через второй коммутатор-обостритель соединен с высоковольтным токопроводом передающей линии (ПЛ), подключенной на выходе к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом формирующих линий и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, отличающееся тем, что на первом электроде второго коммутатора-обострителя закреплен дополнительный электрод, имеющий с первым электродом гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним.1. Device for generating subnanosecond pulses, containing a charging source of pulse voltage, forming a line (PL), the high-voltage conductor of which is connected on one side to the output of the charging source of pulse voltage, and on the other hand, to the first sharpening switch connected via a high-resistance PL to high-voltage conductor output FL, which through the second switch-sharpener is connected to the high-voltage conductor of the transmission line (PL) connected to the output to the load, and The potentials of the forming lines and submarines with zero potential are their bodies and are connected to each other, characterized in that an additional electrode is mounted on the first electrode of the second sharpening switch, having a galvanic contact with the first electrode, covering it and located coaxially with it. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный электрод выполнен в виде полого цилиндра.2. The device according to claim 1, characterized in that the additional electrode is made in the form of a hollow cylinder. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный электрод выполнен в виде полого усеченного конуса.3. The device according to claim 1, characterized in that the additional electrode is made in the form of a hollow truncated cone. 4. Устройство по любому из пп.1- 3, отличающееся тем, что второй электрод второго коммутатора-обострителя выполнен расположенным в полости дополнительного электрода.4. The device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the second electrode of the second switch-sharpener is made located in the cavity of the additional electrode. 5. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что длина дополнительного электрода определена из условия5. The device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the length of the additional electrode is determined from the condition
Figure 00000008
Figure 00000008
где tфо - длительность фронта импульса в конструкции устройства без дополнительного электрода;where t ph - the duration of the pulse front in the design of the device without an additional electrode; v - скорость света в диэлектрической среде второго коммутатора-обострителя.v is the speed of light in the dielectric medium of the second switch-sharpener.
RU2005120762/09A 2005-07-05 2005-07-05 Device for generating subnanosecond pulses RU2292112C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005120762/09A RU2292112C1 (en) 2005-07-05 2005-07-05 Device for generating subnanosecond pulses

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005120762/09A RU2292112C1 (en) 2005-07-05 2005-07-05 Device for generating subnanosecond pulses

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2292112C1 true RU2292112C1 (en) 2007-01-20

Family

ID=37774776

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005120762/09A RU2292112C1 (en) 2005-07-05 2005-07-05 Device for generating subnanosecond pulses

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2292112C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2450430C1 (en) * 2011-03-29 2012-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for shaping of single nanosecond and subnanosecond pulses and device for its implementation
CN109698682A (en) * 2018-12-24 2019-04-30 西北核技术研究所 A kind of nanosecond forward position high voltage pulse generator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЖЕЛТОВ К.А. Пикосекундные сильноточные наносекундные ускорители. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с.21. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2450430C1 (en) * 2011-03-29 2012-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for shaping of single nanosecond and subnanosecond pulses and device for its implementation
CN109698682A (en) * 2018-12-24 2019-04-30 西北核技术研究所 A kind of nanosecond forward position high voltage pulse generator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mankowski et al. High voltage subnanosecond breakdown
RU2310964C1 (en) Electrical energy transmission method and device
US3484619A (en) Radio frequency generators
Mesyats et al. Desktop subnanosecond pulser: research, development, and applications
US8598813B2 (en) High voltage RF opto-electric multiplier for charge particle accelerations
Heeren et al. 250 kV sub-nanosecond pulse generator with adjustable pulse-width
Frost et al. Ultrafast gas switching experiments
US3141111A (en) Spark gap trigger circuit
RU2292112C1 (en) Device for generating subnanosecond pulses
Lehr et al. Fundamental physical considerations for ultrafast spark gap switching
US5412254A (en) High voltage pulse generator
US3653766A (en) Current-injection spark source for emission spectroscopy
US4370597A (en) Thyratron switch for narrow pulses
Shpak et al. Investigations of compact high-current accelerators RADAN-303 synchronization with nanosecond accuracy
RU2682305C1 (en) High-voltage pulse generator
RU2206175C1 (en) Subnanosecond pulse shaper
Sanders et al. Pulse sharpening and soliton generation with nonlinear transmission lines for producing RF bursts
Deb et al. Generation of high voltage nanosecond pulses using Pulse Sharpening switch
RU2646845C2 (en) Device for forming pulse of high-current electron accelerator
US8344553B1 (en) High reliability low jitter pulse generator
RU2305364C1 (en) Generator of high potential voltage impulses of picosecond duration
Brussaard et al. A 2.5-MV subnanosecond pulser with laser-triggered spark gap for the generation of high-brightness electron bunches
RU2697263C1 (en) Gas-filled discharger
RU2818963C1 (en) Self-contained generator of powerful pulses of microwave oscillations
Shpak et al. Subnanosecond front, high-voltage generator based on a combined pulsed forming line

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070706

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170706