RU2292112C1 - Device for generating subnanosecond pulses - Google Patents
Device for generating subnanosecond pulses Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Landscapes
- Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)
Abstract
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]
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
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:
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:
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:
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
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
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),
Дополнительный электрод 18 может быть выполнен в виде полого цилиндра (фиг.2).The
Дополнительный электрод 18 может быть выполнен в виде полого усеченного конуса (фиг.3).The
Второй электрод 19 второго коммутатора-обострителя 10 может быть выполнен расположенным в полости дополнительного электрода 18 (фиг.3).The
Длина дополнительного электрода 18 может быть определена из условияThe length of the
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
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:
где l - длина дополнительного электрода 18;where l is the length of the
d - внутренний диаметр дополнительного электрода 18, закрепленного на первом электроде 17 второго коммутатора-обострителя 10.d is the inner diameter of the
Соответственно время пробега t до конца дополнительного электрода составляет:Accordingly, the travel time t to the end of the additional electrode is:
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
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)
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)
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 |
-
2005
- 2005-07-05 RU RU2005120762/09A patent/RU2292112C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ЖЕЛТОВ К.А. Пикосекундные сильноточные наносекундные ускорители. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с.21. * |
Cited By (2)
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 |