RU2303338C1

RU2303338C1 - Generator of high voltage linearly fading impulses of microsecond duration

Info

Publication number: RU2303338C1
Application number: RU2006108993/09A
Authority: RU
Inventors: Игорь Игоревич Винтизенко (RU); Игорь Игоревич Винтизенко
Original assignee: Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики"
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2007-07-20

Abstract

FIELD: accelerating equipment, possible use for creating high voltage impulses, generating electronic or ionic beams of microsecond duration with high repetition frequency.

SUBSTANCE: generator of high voltage linearly fading impulses contains high voltage impulse transformer in form of a set of ferromagnetic inductors, enveloped by magnetization coils. On both sides of inductors, outputs of magnetization coils are electrically combined and connected to outputs of last compression units of two or more magnetic impulse generators, connected in parallel. Magnetic impulse generators represent a sequence of at least two compression units, consisting of capacitors and saturation chokes. Creation of high voltage output impulse of microsecond duration is realized due to sequential discharge of capacitors of last compression units of magnetic impulse generators through windings of saturation chokes onto primary winding of high voltage impulse transformer. Impulse feeding delay for different magnetic impulse generators is achieved by selecting values of magnetic linkage of saturation chokes of last compression units. For creation of linearly fading high voltage impulse, capacity values of capacitors of last compression units of magnetic impulse generators comply with expression: C_1N>kC_2N>...>kC_mN, where k=1,1-2 and following condition is fulfilled: C_1N·L_1N≈C_2N-L_2N≈...≈C_mN·L_mN, where L_1N, L_2N,...,L_mN - capacity values of capacitors of last compression units of magnetic impulse generators, L_1N, L_2N,...,L_mN - inductiveness values of windings of saturation chokes of last compression units of magnetic impulse generators.

EFFECT: output of impulses in linearly fading form.

1 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для формирования с высокой частотой следования импульсов высокого напряжения микросекундной длительности, для генерации пучков заряженных частиц.The invention relates to accelerator technology and can be used to generate high-frequency pulses of high voltage microsecond duration, to generate charged particle beams.

Для получения импульсов высокого напряжения, генерации сильноточных электронных или ионных пучков наносекундной длительности применяются линейные индукционные ускорители (ЛИУ) [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Известия ВУЗов Физика. Издание ТГУ, 1998, №4, Приложение, с.111-119]. Данное устройство содержит индукционную систему в виде набора ферромагнитных индукторов, охваченных витками намагничивания. К виткам намагничивания подключены электроды формирующей линии. На один из электродов формирующей линии от источника питания подается импульс зарядного напряжения, как правило, положительной полярности амплитудой 30-250 кВ в зависимости от класса установки. Второй электрод заземлен. После включения коммутатора формирующей линии, представляющего собой дроссель насыщения с сердечником из ферромагнитной стали и установленного в разрыве любого из электродов, одинарная формирующая линия разряжается на витки индукционной системы, формируя ток по виткам намагничивания ферромагнитных индукторов. Этот ток вызывает переменный магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее заряженные частицы. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется как:To obtain high voltage pulses, generate high-current electron or ion beams of nanosecond duration, linear induction accelerators (LIU) are used [Vintisenko II, Furman E.G. Linear induction accelerators. University News Physics. TSU Edition, 1998, No. 4, Appendix, pp. 111-119]. This device contains an induction system in the form of a set of ferromagnetic inductors covered by magnetization coils. Electrodes of the forming line are connected to the magnetization coils. A pulse of a charging voltage, usually of positive polarity, with an amplitude of 30-250 kV, depending on the installation class, is supplied to one of the electrodes of the forming line from the power source. The second electrode is grounded. After turning on the switch of the forming line, which is a saturation inductor with a core made of ferromagnetic steel and installed in the gap of any of the electrodes, the single forming line is discharged to the turns of the induction system, forming a current along the turns of magnetization of the ferromagnetic inductors. This current causes an alternating magnetic flux, creating a vortex electric field that accelerates charged particles. The electric field strength along the axis of the induction system is defined as:

где N - число индукторов; U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (напряжение формирующей линии); L - длина индукционной системы. Выше описана конструкция ускоряющей секции ЛИУ. Если по оси индукционной системы расположить металлический электрод, то на нем будет индуцироваться вихревая ЭДС и разность потенциалов на противоположных торцах электрода составит: U_вых(t)=-NU(t). Такая конструкция используется для инжекторных (катодной или анодной) секций линейных индукционных ускорителей. Следует отметить, что инжекторные секции могут применяться самостоятельно в качестве генераторов высоковольтных импульсов для питания приборов типа релятивистский магнетрон или отражательный триод.where N is the number of inductors; U (t) is the voltage applied to the magnetization coils (voltage of the forming line); L is the length of the induction system. The above describes the design of the accelerating section LIU. If a metal electrode is placed along the axis of the induction system, then a vortex EMF will be induced on it and the potential difference at the opposite ends of the electrode will be: U _o (t) = - NU (t). This design is used for injection (cathode or anode) sections of linear induction accelerators. It should be noted that the injection sections can be used independently as high-voltage pulse generators for powering relativistic magnetron or reflective triode devices.

Принципиальным отличием линейного индукционного ускорителя от других типов ускорителей, например ускорителя прямого действия, является использование магнитного коммутатора формирующей линии. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать с частотой в единицы килогерц ток в сотни килоампер. Однако в этом случае требуется осуществлять зарядку формирующей линии за время сотни наносекунд от магнитных импульсных генераторов, в противном случае размеры, а значит индуктивность такого коммутатора становятся недопустимо большими. Для зарядки формирующих линий применяются магнитные импульсные генераторы, представляющие собой последовательность N звеньев сжатия (LC контуров с увеличивающейся собственной частотой). Каждое звено сжатия содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения. Емкости конденсаторов звеньев сжатия С₁, С₂, ..., C_N обычно равны между собой и равны емкости С_фл одинарной формирующей линии. Каждый следующий дроссель насыщения L_i по сравнению с предыдущим L_i-1 имеет меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника. Поэтому процессы передачи энергии от одного звена сжатия к последующему звену происходят за меньший интервал времени, чем обеспечивается компрессия энергии для зарядки формирующей линии за малый промежуток времени (сотни наносекунд).The fundamental difference between a linear induction accelerator and other types of accelerators, for example a direct-action accelerator, is the use of a magnetic switch of the forming line. Such a switch is capable of commuting with an unlimited resource at a frequency of a few kilohertz currents of hundreds of kiloamperes. However, in this case, it is required to charge the forming line within a hundred nanoseconds from magnetic pulse generators, otherwise the dimensions, and therefore the inductance of such a switch, become unacceptably large. Magnetic pulse generators are used to charge the forming lines, which are a sequence of N compression links (LC circuits with increasing natural frequency). Each compression unit contains a condenser with lumped parameters and a saturation choke. The capacitances of the capacitors of the compression units C ₁ , C ₂ , ..., C _N are usually equal to each other and equal to the capacitance C _{fl of the} single forming line. Each subsequent saturation inductor L _i , compared with the previous L _i-1, has a lower winding inductance when the core is saturated. Therefore, the processes of energy transfer from one compression link to the next link occur in a shorter time interval than provides energy compression to charge the forming line in a short period of time (hundreds of nanoseconds).

Подобные линейные индукционные ускорители могут работать с частотой следования импульсов в единицы килогерц. Основной их недостаток - короткая длительность импульса выходного напряжения (не более 200 нс). Это связано: 1) с применением формирующих линий, имеющих ограниченную длину, 2) с использованием магнитных коммутаторов, способных обеспечивать зарядку формирующих линий с электрической длиной 0,5-1 мкс, только при значительной массе ферромагнитного материала, 3) с использованием ферромагнитной индукционной системы, способной трансформировать импульс напряжения ограниченное время до момента насыщения ферромагнитных индукторов. Допустимый интервал времени Δt от момента подачи прямоугольного импульса напряжения амплитудой U до момента насыщения индукторов определяется по следующей формуле:Such linear induction accelerators can operate with a pulse repetition rate of a few kilohertz. Their main disadvantage is the short pulse duration of the output voltage (no more than 200 ns). This is connected: 1) with the use of forming lines with a limited length, 2) with the use of magnetic switches capable of charging the forming lines with an electric length of 0.5-1 μs, only with a significant mass of ferromagnetic material, 3) using a ferromagnetic induction system capable of transforming a voltage pulse for a limited time until the moment of saturation of the ferromagnetic inductors. The permissible time interval Δt from the moment of applying a rectangular voltage pulse with amplitude U to the moment of saturation of the inductors is determined by the following formula:

где Ψ=ω·S·ΔB - потокосцепление индукционной системы, ω - число витков намагничивания ферромагнитных индукторов индукционной системы, S - сечение стали ферромагнитных индукторов, ΔВ - размах магнитной индукции в стали индукторов. Для получения выходного импульса прямоугольной формы или близкой к ней изготавливают индукционные системы с одним витком намагничивания индукторов. Увеличение числа витков намагничивания до двух приводит к увеличению примерно в 4 раза индуктивности разрядного контура, образованного емкостью формирующей линии и индуктивностями магнитного коммутатора и витков намагничивания. При этом в 2 раза увеличивается длительность импульса выходного напряжения при пропорциональном уменьшении его амплитудных параметров (максимальная мощность в импульсе уменьшается в 2 раза). Выходной импульс напряжения индукционной системы приобретает колоколообразный вид. В случае использования линейного индукционного ускорителя для формирования пучков заряженных частиц следует ожидать большого энергетического разброса частиц. Увеличение потокосцепления индукционной системы ограничено размером выпускаемых ферромагнитных индукторов, а величина ΔВ ограничена свойствами ферромагнитного материала. Исходя из изложенного линейные индукционные ускорители изготавливаются для формирования импульсов выходного напряжения наносекундной длительности.where Ψ = ω · S · ΔB is the flux linkage of the induction system, ω is the number of turns of magnetization of the ferromagnetic inductors of the induction system, S is the cross section of the steel of the ferromagnetic inductors, ΔB is the magnitude of the magnetic induction in the steel of the inductors. To obtain an output pulse of a rectangular shape or close to it, induction systems are made with one coil of magnetization of inductors. An increase in the number of magnetization turns to two leads to an increase of approximately 4 times the inductance of the discharge circuit formed by the capacitance of the forming line and the inductances of the magnetic switch and magnetization turns. At the same time, the duration of the output voltage pulse is 2 times longer with a proportional decrease in its amplitude parameters (the maximum power in the pulse is reduced by 2 times). The output voltage pulse of the induction system takes on a bell-shaped form. In the case of using a linear induction accelerator for the formation of charged particle beams, one should expect a large energy spread of the particles. The increase in flux linkage of the induction system is limited by the size of the produced ferromagnetic inductors, and ΔB is limited by the properties of the ferromagnetic material. Based on the foregoing, linear induction accelerators are made to form nanosecond output voltage pulses.

Наиболее близким техническим решением является конструкция линейного индукционного ускорителя [Винтизенко И.И. Линейный индукционный ускоритель. Патент РФ №2265973, МПК Н05Н 5/08. Опубл. 10.12.2005. Бюл. №34]. Для формирования высоковольтных импульсов микросекундной длительности применяется линейный индукционный ускоритель, содержащий индукционную систему в виде набора ферромагнитных индукторов, охваченных витками намагничивания. Выводы витков намагничивания с каждой стороны индукторов объединены между собой и подключены к выводам последних звеньев сжатия нескольких (m) параллельно включенных магнитных импульсных генераторов. Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность N≥2 звеньев сжатия с увеличивающейся собственной частотой, каждое из которых состоит из конденсатора с сосредоточенными параметрами и дросселя насыщения.The closest technical solution is the design of a linear induction accelerator [Vintizenko II. Linear induction accelerator. RF patent №2265973, IPC Н05Н 5/08. Publ. 12/10/2005. Bull. No. 34]. To form high-voltage pulses of microsecond duration, a linear induction accelerator is used, which contains an induction system in the form of a set of ferromagnetic inductors covered by magnetization coils. The conclusions of the magnetization coils on each side of the inductors are interconnected and connected to the terminals of the last compression links of several (m) parallel-connected magnetic pulse generators. A magnetic pulse generator is a sequence of N≥2 compression links with increasing natural frequency, each of which consists of a condenser with lumped parameters and a saturation inductor.

Величины потокосцеплений дросселей насыщения последних звеньев сжатия каждого магнитного импульсного генератора отличаются друг от друга (Ψ_1N<Ψ_2N<...<Ψ_mN) на величину диапазона, равную:

где U_iN - напряжение на конденсаторах последних звеньев сжатия, L_iN - индуктивность обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия, C_iN - емкость конденсаторов последних звеньев сжатия дополнительных магнитных импульсных генераторов. Значение 0.5 соответствует включению i-го магнитного импульсного генератора в максимуме импульса тока разряда предыдущего (i-1)-го магнитного импульсного генератора. В этом случае формируется выходной импульс с формой, близкой к прямоугольной. Значение 1 соответствует включению дополнительного магнитного импульсного генератора в момент окончания импульса тока разряда предыдущего магнитного импульсного генератора. При этом значении выходной импульс, формируемый индукционной системой, имеет максимальную длительность.The magnitude of the flux linkages of the saturation chokes of the last compression links of each magnetic pulse generator differ from each other (Ψ _1N <Ψ _2N <... <Ψ _mN ) by a range value equal to:

where U _iN is the voltage across the capacitors of the last compression links, L _iN is the inductance of the windings of the saturation chokes of the last compression links, C _iN is the capacitance of the capacitors of the last compression links of the additional magnetic pulse generators. The value 0.5 corresponds to the inclusion of the i-th magnetic pulse generator at the maximum of the discharge current pulse of the previous (i-1) -th magnetic pulse generator. In this case, an output pulse is formed with a shape close to rectangular. The value 1 corresponds to the inclusion of an additional magnetic pulse generator at the end of the discharge current pulse of the previous magnetic pulse generator. With this value, the output pulse generated by the induction system has a maximum duration.

При таком способе формирования импульсов высокого напряжения допустимо применение индукторов индукционной системы с многовитковыми витками намагничивания, что позволяет значительно (в число используемых витков раз) сокращать весогабаритные и стоимостные показатели индукционной системы. Естественно, что в этом случае для сохранения коэффициента трансформации индукционной системы, обычно равного числу индукторов, необходимо применять многовитковую вторичную обмотку. Причем для получения более высоких значений выходного напряжения число витков вторичной обмотки может превышать число витков намагничивания индукторов. В этом случае индукционная система ЛИУ преобразуется в линейный высоковольтный импульсный трансформатор. Подобные конструкции описаны, например, в [Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. Ленинград, Энергоатомиздат, 1981, с.178-180]. В таких системах применение нескольких последовательно установленных индукторов (магнитопроводов) относительно малого размера по принципу индукционной системы ЛИУ позволяет отказаться от использования магнитопроводов большого размера, которые не всегда могут быть изготовлены. Кроме того, применение набора индукторов позволяет уменьшить индуктивность разрядной цепи последних звеньев сжатия в число используемых индукторов раз, тем самым уменьшить длительность переднего фронта выходного импульса и уменьшить энергетический разброс частиц пучка.With this method of generating high voltage pulses, it is permissible to use inductors of the induction system with multi-turn magnetization coils, which can significantly (in the number of turns used) reduce weight and size and cost parameters of the induction system. Naturally, in this case, to preserve the transformation coefficient of the induction system, usually equal to the number of inductors, it is necessary to use a multi-turn secondary winding. Moreover, to obtain higher values of the output voltage, the number of turns of the secondary winding may exceed the number of turns of magnetization of the inductors. In this case, the LIU induction system is converted into a linear high-voltage pulse transformer. Similar constructions are described, for example, in [Vdovin S.S. Design of pulse transformers. Leningrad, Energoatomizdat, 1981, p.178-180]. In such systems, the use of several series-mounted inductors (magnetic cores) of relatively small size according to the principle of the LIU induction system eliminates the use of large magnetic cores that cannot always be manufactured. In addition, the use of a set of inductors allows one to reduce the inductance of the discharge circuit of the last compression links by the number of inductors used, thereby reducing the duration of the leading edge of the output pulse and reducing the energy spread of the beam particles.

Задачей предлагаемого изобретения является создание генератора высоковольтных линейно-спадающих импульсов микросекундной длительности. Необходимость формирования импульсов с подобными характеристиками вызвана тем, что часто инжекторные секции линейных индукционных ускорителей используются в качестве высоковольтных генераторов для питания взрывоэмиссионных диодов, релятивистских магнетронов и отражательных диодов и виркаторов. В таких системах разлет катодной и анодной плазмы вызывает изменение ускоряющего зазора в течение действия импульса высокого напряжения, в дальнейшем наблюдается перемыкание межэлектродного промежутка плазмой и закорачивание генератора на землю. Для стабилизации плазменной границы в таких диодах, возможно, будет целесообразным применение генераторов с выходным напряжением линейно-спадающей формы.The task of the invention is to provide a generator of high-voltage linearly falling pulses of microsecond duration. The need for the formation of pulses with similar characteristics is due to the fact that the injection sections of linear induction accelerators are often used as high-voltage generators to power explosive emission diodes, relativistic magnetrons, and reflective diodes and vircators. In such systems, the expansion of the cathode and anode plasma causes a change in the accelerating gap during the action of the high voltage pulse; later, the inter-electrode gap is closed by the plasma and the generator is shorted to the ground. To stabilize the plasma boundary in such diodes, it may be appropriate to use generators with an output voltage of a linearly decreasing shape.

Техническим результатом является осуществление последовательного разряда конденсаторов разной емкости через обмотки дросселей насыщения последних звеньев сжатия нескольких (двух или более) магнитных импульсных генераторов на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора. Причем емкости конденсаторов и индуктивности обмоток дросселей насыщения находятся в определенной связи между собой.The technical result is the sequential discharge of capacitors of different capacities through the windings of saturation chokes of the last compression links of several (two or more) magnetic pulse generators to the primary winding of a high voltage pulse transformer. Moreover, the capacitance of the capacitors and the inductance of the windings of the saturation chokes are in a certain relationship with each other.

Для решения поставленной задачи генератор высоковольтных линейно-спадающих импульсов микросекундной длительности, как и прототип, содержит высоковольтный импульсный трансформатор в виде набора ферромагнитных индукторов. Ферромагнитные индукторы охвачены витками намагничивания, выводы витков намагничивания всех индукторов, выходящие с каждой стороны индукторов, соединены между собой и электрически связаны с выводами последних звеньев сжатия m магнитных импульсных генераторов. Магнитные импульсные генераторы имеют N≥2 звеньев сжатия, образуемых конденсаторами и дросселями насыщения, при этом магнитные импульсные генераторы включены параллельно и имеют дроссели насыщения последних звеньев сжатия с разными величинами потокосцепления.To solve this problem, the generator of high-voltage linearly falling pulses of microsecond duration, like the prototype, contains a high-voltage pulse transformer in the form of a set of ferromagnetic inductors. Ferromagnetic inductors are covered by magnetization coils, the conclusions of the magnetization coils of all inductors exiting on each side of the inductors are interconnected and are electrically connected to the terminals of the last compression units m of magnetic pulse generators. Magnetic pulse generators have N≥2 compression links formed by capacitors and saturation chokes, while magnetic pulse generators are connected in parallel and have saturation chokes of the last compression links with different values of flux linkage.

В отличие от прототипа в предлагаемом генераторе для формирования выходного импульса напряжения со спадающей амплитудой емкости конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов находятся в следующем отношении: C_iN>kC_2N>...>kC_mN, где k=1,1-2, причем должно выполняться условие: C_1N·L_1N≈C_2N·L_2N≈...≈C_mN·L_mN, где L_1N, L_2N, ..., L_mN - индуктивности обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов.In contrast to the prototype in the proposed generator for generating an output voltage pulse with a decreasing amplitude of the capacitance of the last compression units of the magnetic pulse generators are in the following relation: C _iN > kC _2N >...> kC _mN , where k = 1,1-2, moreover, the condition must be satisfied: C _1N · L _1N ≈C _2N · L _2N ≈ ... ≈C _mN · L _mN , where L _1N , L _2N , ..., L _mN are the inductances of the windings of the saturation chokes of the last magnetic pulse compression units generators.

Принципиальная схема генератора высоковольтных линейно-спадающих импульсов микросекундной длительности изображена на чертеже, где обозначено: 1 - высоковольтный импульсный трансформатор, состоящий из нескольких последовательно установленных индукторов (на фигуре показаны четыре индуктора), 2 - витки намагничивания индукторов, образующие первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора, 3 - первый магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов С₁₁-C_1N и дросселей насыщения L₁₁-L_1N, 4 - второй магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов С₂₁- C_2N и дросселей насыщения L₂₁-L_2N, 5-m-й магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов C_m1-C_mN и дросселей насыщения L_m1-L_mN, 6 - вторичная обмотка высоковольтного импульсного трансформатора, нагруженная на нелинейное динамическое сопротивление нагрузки 7.A schematic diagram of a generator of high-voltage linearly falling pulses of microsecond duration is shown in the drawing, where it is indicated: 1 - a high-voltage pulse transformer, consisting of several series-mounted inductors (four inductors are shown in the figure), 2 - magnetization coils of the inductors forming the primary winding of a high-voltage pulse transformer, 3 - the first magnetic pulse generator, consisting of capacitors C ₁₁ -C _1N and saturation chokes L ₁₁ -L _1N , 4 - the second magnetic pulse generator consisting of capacitors C ₂₁ - C _2N and saturation chokes L ₂₁ -L _2N , 5th magnetic pulse generator consisting of capacitors C _m1 -C _mN and saturation chokes L _m1 -L _mN , 6 - secondary high-voltage winding pulse transformer loaded with non-linear dynamic load resistance 7.

Генератор высоковольтных линейно-спадающих импульсов микросекундной длительности содержит высоковольтный импульсный трансформатор 1 из последовательно установленных ферромагнитных индукторов. Ферромагнитные индукторы охвачены витками намагничивания, имеющими выводы 2. Количество витков намагничивания может превышать один. Выводы витков намагничивания, выходящие с каждой стороны индукторов, электрически связаны. Витки намагничивания индукторов совместно с их выводами образуют первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора. К выводам витков намагничивания 2 подключены последние звенья сжатия магнитных импульсных генераторов 3, 4, 5 общим количеством m. Магнитные импульсные генераторы 3, 4, 5 имеют одинаковые электрическую схему и принцип работы, состоят из последовательных LC-звеньев сжатия. Вторичная обмотка высоковольтного импульсного трансформатора охватывает все индукторы и подключена к сопротивлению нагрузки 7 (например, электронный или ионный диод).The generator of high-voltage linearly falling pulses of microsecond duration contains a high-voltage pulse transformer 1 of sequentially installed ferromagnetic inductors. Ferromagnetic inductors are covered by magnetization coils having conclusions 2. The number of magnetization coils may exceed one. The conclusions of the magnetization turns coming out on each side of the inductors are electrically connected. The magnetization coils of the inductors together with their terminals form the primary winding of a high-voltage pulse transformer. The conclusions of the magnetization turns 2 are connected to the last compression links of the magnetic pulse generators 3, 4, 5 with a total number of m. Magnetic pulse generators 3, 4, 5 have the same electrical circuit and principle of operation, consist of sequential LC compression links. The secondary winding of a high-voltage pulse transformer covers all inductors and is connected to a load resistance 7 (for example, an electronic or ion diode).

Генератор высоковольтных линейно-спадающих импульсов микросекундной длительности работает следующим образом. Первоначально от внешних источников (на фигуре не указаны) производится размагничивание сердечников дросселей насыщения L₁₁-L_1N первого магнитного импульсного генератора 3, сердечников дросселей насыщения L₂₁-L_2N второго магнитного импульсного генератора 4, сердечников дросселей насыщения L_m1-L_mN m-ых магнитных импульсных генераторов 5 и индукторов высоковольтного импульсного трансформатора 1. От внешнего источника питания (на фигуре не указан), например, конденсаторная батарея разряжается через высоковольтный трансформатор при включении игнитронного или тиристорного коммутатора, осуществляется одновременный заряд конденсатора С₁₁ первого звена сжатия первого магнитного импульсного генератора 3, конденсатора С₂₁ первого звена сжатия второго магнитного импульсного генератора 4, конденсатора C_m1 первого звена сжатия m-го магнитного импульсного генератора 5. Рассмотрим происходящие процессы в элементах магнитных импульсных генераторов на примере магнитного импульсного генератора 3, поскольку во всех магнитных импульсных генераторах протекают аналогичные процессы.The generator of high-voltage linearly falling pulses of microsecond duration works as follows. Initially, external sources (not shown in the figure) demagnetize the cores of saturation chokes L ₁₁ -L _{1N of the} first magnetic pulse generator 3, cores of saturation chokes L ₂₁ -L _{2N of the} second magnetic pulse generator 4, cores of saturation chokes L _m1 -L _mN m- magnetic pulse generators 5 and inductors of the high-voltage pulse transformer 1. From an external power source (not shown in the figure), for example, a capacitor bank is discharged through a high-voltage transformer when turned on Ignitron or thyristor switch, the capacitor C _{11 of the} first compression link of the first magnetic pulse generator 3 is simultaneously charged, the capacitor C _{21 of the} first compression link of the second magnetic pulse generator 4, the capacitor C _{m1 of the} first compression link of the mth magnetic pulse generator 5. Consider the processes in elements of magnetic pulsed generators by the example of a magnetic pulsed generator 3, since similar processes occur in all magnetic pulsed generators.

При заряде С₁₁ на выводах дросселя насыщения L₁₁ появляется разность потенциалов U_C11, вызывающая протекание тока намагничивания по обмотке и перемагничивание сердечника дросселя насыщения L₁₁. Потокосцепление дросселя насыщения L₁₁ составляет: ψ₁₁=ω₁₁S₁₁ΔB, где ω₁₁ - число витков, S₁₁ - сечение стали дросселя, ΔB - размах индукции (например, ΔB=2,5 Т для пермаллоя 50 НП), и выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда С₁₁. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от μ=10⁵ до μ=1 и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Начинается разряд С₁₁ и заряд С₁₂ через обмотку дросселя L₁₁ в интервале времени:When the charge C ₁₁ at the terminals of the saturation inductor L ₁₁ appears the potential difference U _C11 , causing the magnetization current to flow through the winding and the magnetization reversal of the core of the saturation inductor L ₁₁ . The flux linkage of the saturation inductor L ₁₁ is: ψ ₁₁ = ω ₁₁ S ₁₁ ΔB, where ω ₁₁ is the number of turns, S ₁₁ is the cross section of the inductor steel, ΔB is the induction span (for example, ΔB = 2.5 T for permalloy 50 NP), and is selected so that the core of the throttle is saturated at the end of the charge With ₁₁ . When the core is saturated, its magnetic permeability decreases from μ = 10 ⁵ to μ = 1 and the saturation inductor turns into a conventional air inductance. The discharge C ₁₁ and the charge C ₁₂ begin through the winding of the inductor L ₁₁ in the time interval:

Длительность процесса заряда С₁₂ ограничена величиной потокосцепления дросселя насыщения L₁₂. При заряде конденсатора С₁₂ к обмотке дросселя насыщения L₁₂ начинает прикладываться разность потенциалов:The duration of the charge process C _{12 is} limited by the magnitude of the flux linkage of the saturation inductor L ₁₂ . When the capacitor C _{12 is} charged, the potential difference begins to be applied to the winding of the saturation inductor L ₁₂ :

где

U_C11 - амплитуда зарядного напряжения конденсатора С₁₁. Среднее значение напряжения на витках дросселя насыщения в интервале времени [0, π] составит:Where

U _C11 - the amplitude of the charging voltage of the capacitor C ₁₁ . The average value of the voltage at the turns of the saturation inductor in the time interval [0, π] will be:

Это напряжение вызывает перемагничивание дросселя насыщения L₁₂ и переход его в состояние с μ→1. Поэтому

где ψ₁₂=ω₁₂S₁₂ΔB - потокосцепление дросселя насыщения (ω₁₂, S₁₂ - число витков и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₁₂, ΔB - размах индукции в стали).This voltage causes a magnetization reversal magnetization saturation L ₁₂ and its transition to a state with μ → 1. therefore

where ψ ₁₂ = ω ₁₂ S ₁₂ ΔB is the flux linkage of the saturation inductor (ω ₁₂ , S ₁₂ is the number of turns and the cross section of the core steel of the saturation inductor L ₁₂ , ΔB is the induction span in steel).

При насыщении дросселя L₁₂ начинается разряд конденсатора С₁₂ и заряд конденсатора С₁₃ через обмотку дросселя насыщения L₁₂. Интервал времени этого процесса ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L₁₃:At saturation inductor L ₁₂ starts discharge of the capacitor C ₁₂ and charge the capacitor C ₁₃ through the saturable reactor winding ₁₂ L. The time interval of this process is limited by the magnitude of the flux linkage of the saturation inductor L ₁₃ :

где

(ω₁₃, S₁₃ - число витков обмотки и сечение стали сердечника С дросселя насыщения L₁₃),

Where

(ω ₁₃ , S ₁₃ - the number of turns of the winding and the steel section of the core C of the saturation inductor L ₁₃ ),

Аналогично предыдущим рассуждениям:Similar to the previous reasoning:

где ω_1N, S_1N - число витков и сечение стали дросселя насыщения последнего звена сжатия первого магнитного импульсного генератора 3. Используя соотношения (3)-(7), рассчитывают параметры элементов магнитных импульсных генераторов. Обычно при их изготовлении выбирают С₁₁=С₁₂=...=С_1N и в этом случае <U₁>=<U₂>=...=<U_N-1>==1/2U_C11=1/2U_C12=1/2U_C1N-1=1/2U_C1N, где U_C11, U_C12, ..., U_C1N - амплитуды зарядного напряжения конденсаторов магнитного импульсного генератора. Аналогично выбирают: С₂₁=С₂₂=...=С_2N, C_m1=С_m2=...=С_mN и <U₁>=<U₂>=...=<U_N-1>==1/2U_C11=1/2U_C12=...=1/2U_C1N-1=1/2U_C1N=1/2U_C21=1/2U_C22=...=1/2U_C2N-1=1/2U_C2N==1/2U_Cm1=1/2U_Cm2=...=1/2U_CmN-1=1/2U_CmN. Отметим, что в общем случае емкости конденсаторов первого С₁₁=...=C_1N, второго С₂₁=...=C_2N и m-го C_m1=...=C_mN магнитных импульсных генераторов могут быть не равны между собой.where ω _1N , S _1N is the number of turns and the steel section of the saturation reactor of the last compression link of the first magnetic pulse generator 3. Using relations (3) - (7), the parameters of the elements of the magnetic pulse generators are calculated. Usually, in their manufacture, C ₁₁ = C ₁₂ = ... = C _{1N is} chosen and in this case = = ... = == 1 / 2U _C11 = 1 / 2U _C12 = 1 / 2U _C1N-1 = 1 / 2U _C1N , where U _C11 , U _C12 , ..., U _C1N are the amplitudes of the charging voltage of the capacitors of a magnetic pulse generator. Similarly choose: C ₂₁ = C ₂₂ = ... = C _2N , C _m1 = C _m2 = ... = C _mN and = = ... = = = 1 / 2U _C11 = 1/2 U _C12 = ... = 1/2 U _C1N-1 = 1/2 U _C1N = 1/2 U _C21 = 1/2 U _C22 = ... = 1/2 U _C2N-1 = 1 / 2U _C2N == 1 / 2U _Cm1 = 1/2 _{U Cm2} = ... = 1/2 _{U CmN-1} = 1/2 _{U CmN} . Note that in the general case, the capacitances of the first C ₁₁ = ... = C _1N , second C ₂₁ = ... = C _2N and mth C _m1 = ... = C _mN magnetic pulse generators may not be equal between by myself.

Для того чтобы происходила компрессия энергии, потокосцепление дросселя насыщения последующего звена сжатия должно быть меньше потокосцеплемия дросселя насыщения предыдущего звена: Ψ_1N<Ψ_1N-1<...<Ψ₁₂<Ψ₁₁ (Ψ_2N<Ψ_2N-1<...<Ψ₂₂<Ψ₂₁, Ψ_mN<Ψ_mN-1<...<Ψ_m2<Ψ_m1), что достигается соответствующим выбором параметров дросселей (количество витков обмотки, размеры и материал сердечников, количество сердечников).In order for energy compression to occur, the flux linkage of the saturation reactor of the next compression link must be less than the flux link of the saturation reactor of the previous link: Ψ _1N <Ψ _1N-1 <... <Ψ ₁₂ <Ψ ₁₁ (Ψ _2N <Ψ _2N-1 <.. . <Ψ ₂₂ <Ψ ₂₁ , Ψ _mN <Ψ _mN-1 <... <Ψ _m2 <Ψ _m1 ), which is achieved by the appropriate choice of parameters of the chokes (number of turns of the winding, dimensions and material of the cores, number of cores).

Для обеспечения временной задержки разряда конденсаторов последних звеньев сжатия C_1N, ..., C_mN на витки намагничивания индукторов через обмотки дросселей L_1N, ..., L_mN дроссели насыщения имеют увеличивающееся с номером магнитного импульсного генератора потокосцепление: Ψ_1N<Ψ_2N<...<Ψ_mN. Это осуществляется: 1) увеличением числа витков обмоток, 2) увеличением сечения стали ферромагнитных сердечников, 3) выбором материала сердечников с различной величиной размаха магнитной индукции в стали, 4) комбинацией указанных способов.To ensure a delay time of the discharge of the capacitors of the last compression links C _1N , ..., C _mN to the magnetization coils of the inductors through the windings of the chokes L _1N , ..., L _{mN, the} saturation chokes have a flux linkage increasing with the number of the magnetic pulse generator: Ψ _1N <Ψ _2N <... <Ψ _mN . This is carried out: 1) by increasing the number of turns of the windings, 2) by increasing the cross section of the steel of the ferromagnetic cores, 3) by choosing the material of the cores with different magnitudes of the magnetic induction in steel, 4) by a combination of these methods.

Отличием от известного технического решения является применение для формирования выходного линейно-спадающего импульса напряжения конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов различной емкости: C_1N>kC_2N>...>kC_mN, где k=1,1-2.The difference from the known technical solution is the application for the formation of the output linearly decreasing pulse voltage of the capacitors of the last compression links of magnetic pulse generators of different capacities: C _1N > kC _2N >...> kC _mN , where k = 1.1-2.

Импульс тока разряда конденсатора C_1N последнего звена сжатия первого магнитного импульсного генератора через последовательно включенные индуктивность обмотки дросселя насыщения L_1N и индуктивность первичной обмотки L_u.c. имеет колоколообразный вид. Потокосцепление дросселя насыщения L_2N последнего звена сжатия второго магнитного импульсного генератора выбирается таким образом, чтобы насыщение сердечника наступило в максимуме (или близко от максимума) импульса тока разряда первого магнитного импульсного генератора. Величина потокосцепления дросселя насыщения L_mN последнего звена сжатия m-го магнитного импульсного генератора выбирается таким образом, чтобы насыщение сердечника наступило в максимуме (или близко от максимума) импульса тока разряда (m-1)-го магнитного импульсного генератора. Суперпозиция импульсов тока разряда конденсаторов последних звеньев сжатия всех магнитных импульсных генераторов позволяет формировать высоковольтному трансформатору импульс напряжения микросекундной длительности на нагрузке.The discharge current pulse of the capacitor C _{1N of the} last compression link of the first magnetic pulse generator through the inductance of the winding of the saturation inductor L _1N and the inductance of the primary winding L _uc has a bell-shaped form. The flux linkage of the saturation inductor L _{2N of the} last compression link of the second magnetic pulse generator is selected so that the core saturation occurs at the maximum (or close to maximum) of the discharge current pulse of the first magnetic pulse generator. The magnitude of the flux linkage of the saturation inductor L _{mN of the} last compression link of the mth magnetic pulse generator is chosen so that the core saturation occurs at the maximum (or close to maximum) of the discharge current pulse of the (m-1) th magnetic pulse generator. The superposition of the discharge current pulses of the capacitors of the last compression links of all magnetic pulse generators allows the formation of a high voltage transformer of a microsecond voltage pulse at the load.

Применение в последних звеньях сжатия магнитных импульсных генераторов конденсаторов разной емкости и их разряд через соответствующие индуктивности обмоток дросселей насыщения и индуктивность первичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора приводит к формированию разрядных токов различной амплитуды. При этом выполнение условия С_1N·L_1N≈С_2N·L_2N≈...≈C_mN·L_mN позволяет обеспечить примерно равную длительность разрядных импульсов всех магнитных импульсных генераторов. Величина k задает скорость спада выходного напряжения в течение импульса. При k=1 формируется квазипрямоугольный импульс напряжения (этот случай соответствует параметрам элементов прибора-прототипа), а при k>2 выходной импульс напряжения генератора имеет значительные осцилляции.The use of capacitors of different capacities in the last stages of compression of magnetic pulse generators and their discharge through the corresponding inductances of the windings of saturation chokes and the inductance of the primary winding of a high voltage pulse transformer leads to the formation of discharge currents of various amplitudes. Moreover, the fulfillment of the condition С _1N · L _1N ≈С _2N · L _2N ≈ ... ≈C _mN · L _mN allows for approximately equal duration of the discharge pulses of all magnetic pulse generators. The value k sets the decay rate of the output voltage during the pulse. At k = 1, a quasi-rectangular voltage pulse is formed (this case corresponds to the parameters of the elements of the prototype device), and for k> 2, the output voltage pulse of the generator has significant oscillations.

В общем случае величина разрядного тока конденсаторов последних звеньев сжатия через обмотки дросселей насыщения и первичную обмотку трансформатора на омическую нагрузку определяется следующим соотношением:In the general case, the value of the discharge current of the capacitors of the last compression links through the windings of saturation chokes and the primary winding of the transformer for the ohmic load is determined by the following relation:

где L_iN - индуктивность разрядного контура, включающая индуктивность обмотки дросселя насыщения последнего звена сжатия i-го магнитного импульсного генератора, индуктивность витков намагничивания индукторов высоковольтного импульсного трансформатора, C_iN - емкость конденсатора последнего звена сжатия i-го магнитного импульсного генератора, U_CiN - разрядное напряжение конденсатора C_iN, R_load=R/N² - приведенное сопротивление нагрузки, где N - коэффициент трансформации трансформатора, R - сопротивление нагрузки.where L _iN is the inductance of the discharge circuit, including the inductance of the saturation inductor of the last compression link of the i-th magnetic pulse generator, the inductance of the magnetization coils of the high-voltage pulse transformer inductors, C _iN is the capacitance of the capacitor of the last compression link of the i-th magnetic pulse generator, U _CiN is the discharge the capacitor voltage C _iN , R _load = R / N ² is the reduced load resistance, where N is the transformation coefficient of the transformer, R is the load resistance.

Длительность импульса разряда C_iN через индуктивность обмотки дросселя насыщения L_iN и индуктивность витков намагничивания индукторов L_u.c. составляет:The duration of the discharge pulse C _iN through the inductance of the winding of the saturation inductor L _iN and the inductance of the magnetization coils of the inductors L _uc is:

Для формирования генератором импульса напряжения с наименьшей амялитудой осцилляции необходимо обеспечить примерное равенство длительностей разрядных импульсов отдельных магнитных импульсных генераторов. Это приводит к необходимости выполнения условия: С_1N·L_1N≈С_2N·L_2N≈...≈C_mN·L_mN (следует из формулы (9) и учитывает L_u.c.< <L_1N, L_2N, ..., L_mN, что обычно имеет место на практике).For the generator to generate a voltage pulse with the smallest amplitude of oscillation, it is necessary to provide an approximate equality of the durations of the discharge pulses of individual magnetic pulse generators. This leads to the necessity of fulfilling the condition: С _1N · L _1N ≈С _2N · L _2N ≈ ... ≈C _mN · L _mN (follows from formula (9) and takes into account L _uc <<L _1N , L _2N , ... , L _mN , which usually takes place in practice).

Примером конкретного выполнения предлагаемого изобретения является генератор высоковольтных линейно-спадающих импульсов микросекундной длительности, изготовленный из трех параллельно включенных магнитных импульсных генераторов. Магнитные импульсные генераторы состоят из двух звеньев сжатия со следующими параметрами элементов: С₁₁=С₁₂=0.282·10^-6 Ф, С₂₁=С₂₂=0.188·10^-6 Ф, С₃₁=С₃₂=0.123·10^-6 Ф. Таким образом выбираем коэффициент k=1.5. Конденсаторы С₁₁, С₁₂, С₂₁, С₂₂, С₃₁, С₃₂ с сосредоточенными параметрами типа К75-74. Дроссели насыщения L₁₁, L₂₁, L₃₁ имеют одинаковые сердечники, изготовленные из N₁=2 колец с внешним D_внешн диаметром 360 мм и внутренним D_внутр диаметром 150 мм, шириной h=25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0.02 мм.An example of a specific implementation of the invention is a generator of high-voltage linearly falling pulses of microsecond duration, made of three parallel-connected magnetic pulse generators. Magnetic pulsed generators consist of two compression links with the following element parameters: C ₁₁ = C ₁₂ = 0.282 · 10 ^-6 F, C ₂₁ = C ₂₂ = 0.188 · 10 ^-6 F, C ₃₁ = C ₃₂ = 0.123 · 10 ^-6 F. Thus, we choose the coefficient k = 1.5. Capacitors C ₁₁ , C ₁₂ , C ₂₁ , C ₂₂ , C ₃₁ , C ₃₂ with lumped parameters such as K75-74. Saturation chokes L ₁₁ , L ₂₁ , L ₃₁ have identical cores made of N ₁ = 2 rings with outer D _outer diameter 360 mm and inner D _inner diameter 150 mm, width h = 25 mm, wound from permalloy tape 50 NP 0.02 thickness 0.02 mm

Высоковольтный импульсный трансформатор содержит 14 ферромагнитных индукторов с размерами: внешний и внутренний диаметры 360 и 150 мм, ширина h=25 мм, изготовленных из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0.01 мм. По оси индукторов располагается металлическая труба, на которой суммируется вихревая ЭДС. Индукторы охвачены одновитковой первичной обмоткой. Все элементы генератора размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с внутренним диаметром 670 мм. Конденсаторы С₁₁, С₂₁, С₃₁ заряжаются до U_С11=U_С21=U_С31=50 кВ (≈25 кВ для всех звеньев сжатия) от внешнего источника питания за интервал времени Δt₀=2 мкс. Чтобы исключить процессы передачи энергии между конденсаторами последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов (электрически развязать их), количество звеньев сжатия должно быть не менее двух. Величина потокосцепления дросселей насыщения L₁₁, L₂₁ и L₃₁ должна составлять:A high-voltage pulse transformer contains 14 ferromagnetic inductors with dimensions: external and internal diameters of 360 and 150 mm, width h = 25 mm, made of permalloy tape 50 NP 0.01 mm thick. A metal pipe is located along the axis of the inductors, on which the vortex EMF is summed. Inductors are covered by a single-turn primary winding. All elements of the generator are placed in a cylindrical stainless steel case with an inner diameter of 670 mm. Capacitors C ₁₁ , C ₂₁ , C ₃₁ are charged to U _C11 = U _C21 = U _C31 = 50 kV ( ≈25 kV for all compression links) from an external power source for a time interval Δt ₀ = 2 μs. In order to exclude the processes of energy transfer between the capacitors of the last compression units of magnetic pulse generators (to electrically decouple them), the number of compression units must be at least two. The magnitude of the flux linkage saturation chokes L ₁₁ , L ₂₁ and L ₃₁ should be:

Сечение стали сердечников дросселей насыщения L₁₁, L₂₁, L₃₁ составляет:The cross section of the steel cores of the saturation chokes L ₁₁ , L ₂₁ , L ₃₁ is:

где K=0.8 - коэффициент заполнения сталью объема сердечника, N₁=2 - число колец, из которых производится сборка сердечника дросселя насыщения.where K = 0.8 is the fill factor of the core volume with steel, N ₁ = 2 is the number of rings from which the core of the saturation inductor is assembled.

Для выполнения равенства в формуле (10), т.е. достижения полной передачи энергии из первичного накопителя в конденсаторы первых звеньев сжатия число витков в обмотках дросселей насыщения L₁₁, L₂₁ и L₃₁ должно составлять ω₁₁=5. В этом случае индуктивности обмоток дросселей L₁₁, L₂₁ и L₃₁ в насыщенном состоянии сердечников равны:To fulfill the equality in formula (10), i.e. to achieve complete energy transfer from the primary storage device to the condensers of the first compression links, the number of turns in the windings of the saturation chokes L ₁₁ , L ₂₁ and L ₃₁ should be ω ₁₁ = 5. In this case, the inductance of the windings of the chokes L ₁₁ , L ₂₁ and L ₃₁ in the saturated state of the cores are equal to:

где a₁₁=80 мм - линейный размер обмотки, D_{внешн.обм.}=380 мм, D_{внутр.обм.}=140 мм - внешний и внутренний диаметры обмоток дросселей насыщения.where a ₁₁ = 80 mm is the linear size of the winding, D _ext. = 380 mm, D _int. = 140 mm - the outer and inner diameters of the windings of saturation chokes.

Длительность времени разряда С₁₁ на С₁₂, С₂₁ на С₂₂, С₃₁ на С₃₂ составит в соответствии с (3): Δt₁₁=0.75 мкс, Δt₂₁=0.61 мкс, Δt₃₁=0.49 мкс.The duration of the discharge time from C ₁₁ to C ₁₂ , C ₂₁ to C ₂₂ , C ₃₁ to C ₃₂ will be in accordance with (3): Δt ₁₁ = 0.75 μs, Δt ₂₁ = 0.61 μs, Δt ₃₁ = 0.49 μs.

Величина потокосцепления дросселей насыщения L₁₂, L₂₂ и L₃₂ должна составлять:The flux linkage of saturation chokes L ₁₂ , L ₂₂ and L ₃₂ should be:

где 0.3 мкс и 0.6 мкс задержка включения второго и третьего магнитных импульсных генераторов на первичную обмотку трансформатора.where 0.3 μs and 0.6 μs is the delay in switching on the second and third magnetic pulse generators to the primary winding of the transformer.

Если для изготовления дросселя насыщения L₁₂ использовать семь сердечников (N₁₂=7) из колец с внешним D_внешн диаметром 180 мм и внутренним D_внутр диаметром 75 мм, шириной h=25 мм с коэффициентом заполнения сталью объема сердечника K=0.8, намотанных из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0.02 мм, то сечение стали сердечника составит:

When manufacturing saturable reactor L ₁₂ use seven cores (N ₁₂ = 7) of the rings with an external D _outer diameter of 180 mm and an internal D _internal diameter of 75 mm, width h = 25 mm with a duty cycle of steel volume core K = 0.8, the wound of permalloy tape 50 NP 0.02 mm thick, then the cross section of the steel core will be:

Для выполнения равенства в левой части первой формулы (13) число витков в обмотке дросселя насыщения L₁₂ должно составлять не менее ω₁₂=1. Индуктивность обмотки дросселя L₁₂ в насыщенном состоянии сердечников равна:To fulfill the equality on the left side of the first formula (13), the number of turns in the winding of the saturation inductor L ₁₂ must be at least ω ₁₂ = 1. The inductance of the inductor winding L ₁₂ in the saturated state of the cores is equal to:

где a₁₂=210 мм - линейный размер обмотки, D_{внешн.обм.}=220 мм, В_{внутр.обм.}=50 мм - внешний и внутренний диаметры обмотки дросселя насыщения.where a ₁₂ = 210 mm is the linear size of the winding, D _ext. = 220 mm, V _int. = 50 mm - the outer and inner diameters of the winding of the saturation inductor.

Длительность импульса разряда С₁₂ через индуктивность обмотки дросселя насыщения L₁₂ и индуктивность витков намагничивания индукторов L_u.c. (ориентировочно 0.015 мкГн) составит:The duration of the discharge pulse C ₁₂ through the inductance of the winding of the saturation inductor L ₁₂ and the inductance of the magnetization coils of the inductors L _uc (approximately 0.015 μH) will be:

Потокосцепление дросселя насыщения L₂₂ должно превышать величину потокосцепления дросселя насыщения L₁₂ для задержки разряда конденсатора последнего звена сжатия второго магнитного импульсного генератора. Если для изготовления дросселя насыщения L₂₂ использовать 10 ферромагнитных колец с размерами: внешний и внутренний диаметры 180 и 75 мм, ширина 25 мм и применить одновитковую обмотку, это позволяет задержать разрядный импульс конденсатора С₂₂ на величину: Δt=0.3 мкс (см. второе уравнение (13)).The flux linkage of the saturation throttle L ₂₂ must exceed the flux linkage of the saturation throttle L ₁₂ to delay the discharge of the capacitor of the last compression link of the second magnetic pulse generator. If we use 10 ferromagnetic rings with the dimensions: outer and inner diameters of 180 and 75 mm, a width of 25 mm and apply a single-turn winding for the manufacture of a saturation inductor L ₂₂ , this allows you to delay the discharge pulse of the capacitor C ₂₂ by: Δt = 0.3 μs (see second equation (13)).

Таким образом, второй магнитный импульсный генератор подключается к виткам намагничивания индукторов трансформатора примерно в максимуме импульса тока разряда первого магнитного импульсного генератора.Thus, the second magnetic pulse generator is connected to the magnetization coils of the transformer inductors at about the maximum of the discharge current pulse of the first magnetic pulse generator.

Индуктивность обмотки дросселя L₂₂ в насыщенном состоянии сердечников равна:The inductance of the inductor winding L ₂₂ in the saturated state of the cores is equal to:

где a₂₂=300 мм, D_{внешн.обм.}=220 мм, D_{внутр.обм.}=50 мм.where a ₂₂ = 300 mm, D _ext. = 220 mm, D _int. = 50 mm.

Длительность импульса разряда С₂₂ через индуктивности обмотки дросселя насыщения L₂₂ и витков намагничивания L_u.c. составит:The duration of the discharge pulse C ₂₂ through the inductance of the winding of the saturation inductor L ₂₂ and magnetization turns L _uc will be:

т.е. примерно равна Δt₁₂ (формула (15)).those. approximately equal to Δt ₁₂ (formula (15)).

Третий магнитный импульсный генератор увеличивает длительность выходного импульса еще на 0.3 мкс. Для этого дроссель насыщения последнего звена сжатия третьего магнитного импульсного генератора имеет увеличенное потокосцепление и изготавливается из 6 ферромагнитных колец с двухвитковой обмоткой.The third magnetic pulse generator increases the duration of the output pulse by another 0.3 μs. For this, the saturation choke of the last compression link of the third magnetic pulse generator has increased flux linkage and is made of 6 ferromagnetic rings with a two-turn winding.

Индуктивность обмотки дросселя L₃₂ в насыщенном состоянии сердечников равна:The inductance of the winding of the inductor L ₃₂ in the saturated state of the cores is equal to:

где a₃₂=180 мм, D_{внешн.обм.}=220 мм, D_{внутр.обм.}=50 мм.where a ₃₂ = 180 mm, D _ext. = 220 mm, D _int. = 50 mm.

Длительность импульса разряда С₃₂ через индуктивности обмотки дросселя насыщения и витков намагничивания L_u.c. составит:The duration of the discharge pulse C ₃₂ through the inductance of the winding of the saturation inductor and magnetization turns L _uc will be:

т.е. примерно равна Δt₁₂ и Δt₂₂ (формулы (15) и (17)).those. approximately equal to Δt ₁₂ and Δt ₂₂ (formulas (15) and (17)).

Таким образом, выбирая параметры дросселей насыщения (количество сердечников и число витков обмоток) последних звеньев сжатия параллельно включенных магнитных импульсных генераторов, можно обеспечить задержку момента их включения на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора, а также реализовать разную индуктивность разрядных контуров для примерного равенства длительности разрядных процессов. Применение в предложенном генераторе высоковольтных импульсов микросекундной длительности конденсаторов различной емкости в последних звеньях сжатия магнитных импульсных генераторов обеспечивает различную величину амплитуды разрядного тока, что позволяет получать выходные импульсы линейно-спадающей формы.Thus, by choosing the parameters of saturation chokes (the number of cores and the number of turns of the windings) of the last compression links of the parallel-switched magnetic pulse generators, it is possible to delay their switching on to the primary winding of a high-voltage pulse transformer, as well as to realize different discharge inductance for an approximate equality of the duration of discharge processes . The use in the proposed generator of high voltage pulses of microsecond duration of capacitors of different capacities in the last compression links of magnetic pulse generators provides a different amplitude of the discharge current, which allows to obtain output pulses of a linearly decreasing shape.

Расчет параметров выходного импульса генератора с параметрами элементов, соответствующих приведенным в примере конкретного исполнения, выполнен с применением программного продукта "Electronic Workbench". В результате последовательного разряда конденсаторов последних звеньев сжатия трех магнитных импульсных генераторов на нагрузке 100 Ом формируется линейно-спадающий импульс амплитудой 340 кВ, током 3.4 кА, длительностью 1.5 мкс по основанию при длительности переднего фронта 0.3 мкс, заднего фронта 1.2 мкс.The calculation of the parameters of the output pulse of the generator with the parameters of the elements corresponding to those given in the example of a specific design was performed using the software product "Electronic Workbench". As a result of the successive discharge of the capacitors of the last compression links of three magnetic pulse generators at a load of 100 Ohms, a linearly decreasing pulse is formed with an amplitude of 340 kV, a current of 3.4 kA, a duration of 1.5 μs at the base, with a leading edge of 0.3 μs and a trailing edge of 1.2 μs.

Количество используемых магнитных импульсных генераторов в генераторе высоковольтных линейно-спадающих импульсов микросекундной длительности ограничено следующим. При окончании разряда конденсатора последнего звена сжатия первого магнитного импульсного генератора 3 сердечник дросселя насыщения L_1N находится в насыщенном состоянии. При включении на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора второго и третьего магнитных импульсных генераторов 4,5 по обмотке дросселя насыщения L_1N начинает протекать размагничивающий ток под действием разности потенциалов на выводах первичной обмотки. Длительность процесса перемагничивания дросселя ограничена величиной его потокосцепления. В рассмотренном примере конкретного выполнения генератора длительность процесса обратного перемагничивания зависит от формы импульса напряжения на выводах первичной обмотки и составляет ~1.4 мкс. Поэтому в рассматриваемом примере генератора можно подключить не более трех магнитных импульсных генераторов (m≤3).The number of magnetic pulse generators used in the generator of high-voltage linearly falling pulses of microsecond duration is limited as follows. At the end of the discharge of the capacitor of the last compression link of the first magnetic pulse generator 3, the core of the saturation inductor L _1N is in a saturated state. When the second and third magnetic pulse generators 4.5 are turned on to the primary winding of the high-voltage pulse transformer through the winding of the saturation inductor L _1N , the demagnetizing current begins to flow under the influence of the potential difference at the terminals of the primary winding. The duration of the process of magnetization reversal of the inductor is limited by the magnitude of its flux linkage. In the considered example of a specific embodiment of the generator, the duration of the reverse magnetization reversal process depends on the shape of the voltage pulse at the terminals of the primary winding and is ~ 1.4 μs. Therefore, in the considered example of the generator, no more than three magnetic pulse generators (m≤3) can be connected.

Таким образом, в предлагаемом генераторе высоковольтных линейно-спадающих импульсов микросекундной длительности реализуется оригинальная идея, связанная с подачей на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора разрядных импульсов от нескольких магнитных импульсных генераторов, включаемых с необходимой временной задержкой. Для формирования импульсов линейно-спадающей формы применяются конденсаторы различной емкости последних звеньев сжатия. При этом емкости конденсаторов и индуктивности обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия должны удовлетворять условию: C_1N·L_1N≈С_2N·L_2N≈...≈C_mN·L_mN.Thus, in the proposed generator of high-voltage linearly decreasing pulses of microsecond duration, an original idea is realized related to the supply to the primary winding of a high-voltage pulse transformer of discharge pulses from several magnetic pulse generators that are turned on with the necessary time delay. For the formation of linearly decreasing pulses, capacitors of various capacities of the last compression links are used. In this case, the capacitance of the capacitors and the inductance of the windings of the saturation chokes of the last compression links must satisfy the condition: C _1N · L _1N ≈С _2N · L _2N ≈ ... ≈C _mN · L _mN .

Claims

A generator of high-voltage linearly falling pulses of microsecond duration, containing a high-voltage pulse transformer in the form of a set of ferromagnetic inductors covered by magnetization coils, the conclusions of the magnetization coils on each side of the inductors are interconnected and are electrically connected to the terminals of the last compression links m of magnetic pulse generators having N≥2 compression links formed by capacitors and saturation chokes, magnetic pulse generators are connected in parallel and have chokes on saturation of the last compression links with different values of flux linkage, characterized in that the capacitors of the last compression links of the magnetic, pulse generators are in the ratio: C _1N > kC _2N >...> kC _mN , where k = 1, 1-2 and the condition : C _1N · L _1N ≈C _2N · L _2N ≈ ... ≈C _mN · L _mN , where L _1N , L _2N , ... , L _mN are the inductances of the saturation chokes of the last compression links of magnetic pulse generators.