RU2714739C1 - Non-uniform forming long line (versions) - Google Patents

Non-uniform forming long line (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2714739C1
RU2714739C1 RU2019114213A RU2019114213A RU2714739C1 RU 2714739 C1 RU2714739 C1 RU 2714739C1 RU 2019114213 A RU2019114213 A RU 2019114213A RU 2019114213 A RU2019114213 A RU 2019114213A RU 2714739 C1 RU2714739 C1 RU 2714739C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
line
long line
circuit
pulse
distributed parameters
Prior art date
Application number
RU2019114213A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Федорович Запольский
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2019114213A priority Critical patent/RU2714739C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2714739C1 publication Critical patent/RU2714739C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/86Generating pulses by means of delay lines and not covered by the preceding subgroups
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/01Shaping pulses
    • H03K5/04Shaping pulses by increasing duration; by decreasing duration
    • H03K5/07Shaping pulses by increasing duration; by decreasing duration by the use of resonant circuits

Abstract

FIELD: pulse engineering.
SUBSTANCE: group of inventions relates to pulse engineering and can be used in power circuits of pulse sources operating in pulsed and pulse-periodic modes. Non-uniform forming long line is forming long line with lumped or distributed parameters, ratios of lumped parameters of the first of which depend on the serial number of the capacitor, throttle or LC circuit, capacity of the capacitor of the first LC-circuit, inductance of throttle of the first LC-circuit and sequence number of the last LC-circuit, as well as on the ratio of distributed parameters of the other line, which depend on the sequence number of the section on which the line is broken, on the length of the non-uniform line with distributed parameters, on the number of sections on which the line with distributed parameters is broken, and on the length of sections on which the line with distributed parameters.
EFFECT: reduced duration of output voltage pulse of inhomogeneous shaping long line with lumped or distributed parameters with simultaneous increase of its amplitude, which can find application in electric pulse technology at treatment of various materials by high-voltage discharges.
2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехнической промышленности, в частности к импульсной технике, и может быть использовано в схемах питания импульсных источников света, искровых камер, лазеров и ускорителей, работающих как в импульсном, так и в импульсно-периодическом режимах.The invention relates to the field of the electrical industry, in particular to pulsed technology, and can be used in power circuits of pulsed light sources, spark chambers, lasers and accelerators operating in both pulsed and pulsed-periodic modes.

Кроме того, изобретение может найти использование в электроимпульсной технологии при обработке различных материалов высоковольтными разрядами.In addition, the invention may find use in electrical pulse technology in the processing of various materials by high-voltage discharges.

Известны неоднородные формирующие длинные линии с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которых емкости конденсаторов и индуктивности дросселей изменяются по длине линии.Inhomogeneous forming long lines with concentrated or distributed parameters are known, in which the capacitors of the capacitors and inductances of the chokes vary along the length of the line.

Группа изобретений неоднородная формирующая линия с сосредоточенными параметрами (вариант 1) и неоднородная формирующая линия с распределенными параметрами (вариант 2), относятся к объектам одного вида, имеют одинаковое назначение и обеспечивают получение одного и того же технического результата.The group of inventions a non-uniform forming line with lumped parameters (option 1) and a non-uniform forming line with distributed parameters (option 2), belong to objects of the same type, have the same purpose and provide the same technical result.

Несмотря на то, что эквивалентные электрические схемы линий с сосредоточенными и распределенными параметрами могут быть одинаковыми, процессы в них принципиально отличны, так как процессы в линиях с сосредоточенными параметрами не носят волнового характера.Despite the fact that the equivalent electrical circuits of lines with lumped and distributed parameters can be the same, the processes in them are fundamentally different, since the processes in lines with lumped parameters are not wave-like.

Такие линии применяются в генераторах для формирования мощных электрических импульсов заданной длительности на согласованной или несогласованной нагрузке, а также для трансформации и передачи электрической или магнитной энергий от источников питания к нагрузке.Such lines are used in generators for the formation of powerful electric pulses of a given duration at a coordinated or inconsistent load, as well as for the transformation and transmission of electrical or magnetic energies from power sources to the load.

Генераторы импульсов обычно формируют импульсы по форме близкие к прямоугольным, которые применяют в ускорителях заряженных частиц, когда необходимо получать поток частиц с одинаковым во времени энергетическим спектром, а также в радиолокации. Такие импульсы получают при замыкании предварительно заряженной длинной линии через коммутатор или разрядник-обостритель на сопротивление нагрузки.Pulse generators usually form pulses close to rectangular in shape, which are used in charged particle accelerators when it is necessary to obtain a stream of particles with the same energy spectrum in time, as well as in radar. Such pulses are obtained by shorting a pre-charged long line through a switch or a surge arrester to a load resistance.

Однако во многих случаях по применению генераторов импульсов с использованием длинных линий, например для питания импульсных источников света или для формирования объемного разряда в электроразрядных газовых лазерах, не обязательно получать на нагрузке прямоугольный импульс с плоской вершиной, достаточно сформировать выходной импульс с максимальной амплитудой напряжения и минимальной длительностью, чтобы, переключив его на нагрузку, выделить на ней за минимально возможное время всю электрическую энергию, которая первоначально запасена в емкости длинной линии.However, in many cases when using pulse generators using long lines, for example, for supplying pulsed light sources or for generating a volume discharge in electric-discharge gas lasers, it is not necessary to obtain a rectangular pulse with a flat top on the load, it is enough to generate an output pulse with a maximum voltage amplitude and a minimum duration, so that, switching it to the load, to allocate on it in the shortest possible time all the electrical energy that is initially stored hay in a long line capacity.

Известна неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которых емкости конденсаторов и индуктивности дросселей изменяются по длине линии по экспоненте:Known inhomogeneous forming a long line with lumped or distributed parameters, in which the capacitance of the capacitors and inductance of the chokes vary exponentially along the line length:

Figure 00000001
Figure 00000001

где L(0) - погонная индуктивность в начале линии;where L (0) is the linear inductance at the beginning of the line;

L(x) - погонная индуктивность на расстоянии х от начала линии;L (x) is the linear inductance at a distance x from the beginning of the line;

С(0) - погонная емкость в начале линии;C (0) is the linear capacity at the beginning of the line;

С(х) - погонная емкость на расстоянии х от начала линии;C (x) is the linear capacity at a distance x from the beginning of the line;

[Г.А. Месяц, /«Импульсная энергетика и электроника» / М.: Наука, 2004. 704 с. (с. 38-43), / О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике»/ М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 26-29)/].[G.A. Month, ““ Pulse energy and electronics ”/ M .: Nauka, 2004. 704 p. (p. 38-43), / O.N. Litvinenko, V.I. Soshnikov, / “Theory of inhomogeneous lines and their application in radio engineering” / M. Sovetskoe Radio, 1964, 536 s, (p. 26-29) /].

Эквивалентная электрическая схема данной неоднородной формирующей линии с сосредоточенными или распределенными параметрами содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, конденсаторы соединены последовательно в цепочку, все дроссели одним выводом подсоединены к общей шине, другие выводы подключены к точкам соединения двух конденсаторов, при этом последний дроссель линии подключен к концу цепочки из конденсаторов, а начало цепочки из конденсаторов подключено к потенциальному выводу источника питания.The equivalent electrical circuit of this inhomogeneous forming line with lumped or distributed parameters contains a power source, N series-connected L-shaped four-terminal devices, including N capacitors and N chokes, capacitors are connected in series to a chain, all chokes are connected to a common bus with one terminal, other terminals connected to the connection points of two capacitors, while the last line choke is connected to the end of the capacitor chain, and the beginning of the capacitor chain a terminal connected to a potential source.

Эквивалентная электрическая схема данной неоднородной формирующей линии отличается от эквивалентной схемы заявляемой неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами, хотя выбор зависимостей, по которым изменяются индуктивности дросселей и емкости конденсаторов приводит к тому, что напряжение вдоль линии будет увеличиваться по зависимости U(x)=U(0) екх/2, где (U0) - напряжение в начале линии, екх/2 - коэффициент передачи длинной линии по напряжению на расстоянии х от начала линии. Однако длительность выходного импульса напряжения будет равна времени двойного прохода энергии вдоль линии, что является недостатком.The equivalent electrical circuit of this inhomogeneous generating line differs from the equivalent circuit of the claimed heterogeneous generating long line with lumped or distributed parameters, although the choice of dependences by which the inductors of the inductors and capacitance of the capacitors change leads to the voltage along the line increasing in dependence U (x) = U (0) e kx / 2 , where (U0) is the voltage at the beginning of the line, e kx / 2 is the transmission coefficient of the long line by voltage at a distance x from the beginning of the line. However, the duration of the output voltage pulse will be equal to the time of double passage of energy along the line, which is a drawback.

Известна неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которых емкости конденсаторов Cn и индуктивности дросселей Ln изменяются по длине линии так, что ее волновое сопротивление, равное

Figure 00000002
изменяется по параболическому закону. [/ О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике»/ М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 17, с. 377, Рис. XIII.5)/]. Данная неоднородная формирующая длинная линия применяется в генераторах импульсов для получения на ее выходе прямоугольных импульсов с плоской вершиной и ее электрическая схема содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей.Known inhomogeneous forming a long line with lumped or distributed parameters, in which the capacitance of the capacitors C n and the inductance of the chokes L n vary along the length of the line so that its wave impedance equal to
Figure 00000002
varies according to a parabolic law. [/ HE. Litvinenko, V.I. Soshnikov, / “Theory of inhomogeneous lines and their application in radio engineering” / M. Sovetskoe Radio, 1964, 536 s, (p. 17, p. 377, Fig. XIII.5) /]. This inhomogeneous forming long line is used in pulse generators to obtain rectangular pulses with a flat top at its output and its electrical circuit contains a power source, N series-connected L-shaped four-terminal devices, including N capacitors and N chokes, chokes are connected in series in a chain, all capacitors are connected to a common bus with one terminal, and connected to the points of connection of two chokes with the other terminals, while the last capacitor of the line is connected to the end of the circuit Kidney of chokes.

Недостатком данной неоднородной формирующей длинной линии является то, что для ее работы перед источником питания необходимо подключать дополнительный конденсатор емкостью равной статической емкости параболической линии. При этом амплитуда импульса выходного напряжения линии снижается практически вдвое и коэффициент умножения линии (коэффициент передачи) по напряжению невысок. Длительности импульса выходных сигналов напряжения и тока равны времени двойного прохода энергии вдоль линии. [Г.А. Месяц, / «Импульсная энергетика и электроника» / М.: Наука, 2004. 704 с. (с. 62, Рис. 4.8)/].The disadvantage of this inhomogeneous forming long line is that for its operation, an additional capacitor with a capacity equal to the static capacitance of the parabolic line must be connected in front of the power source. In this case, the amplitude of the pulse of the output voltage of the line is almost halved and the multiplication coefficient of the line (transmission coefficient) in voltage is low. The pulse duration of the output voltage and current signals is equal to the time of double passage of energy along the line. [G.A. Month, ““ Pulse energy and electronics ”/ M .: Nauka, 2004. 704 p. (p. 62, Fig. 4.8) /].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и выбранным в качестве прототипа является гиперболическая неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которой емкости конденсаторов С равны между собой, а индуктивности дросселей, или индуктивность на единицу длины линии (погонная индуктивность), изменяются по длине линии, исходя из соотношения:The closest in technical essence to the claimed solution and selected as a prototype is a hyperbolic heterogeneous forming a long line with lumped or distributed parameters, in which the capacitors C are equal to each other, and the inductors of the chokes, or the inductance per unit length of the line (linear inductance), change along the length of the line, based on the ratio:

Figure 00000003
Figure 00000003

где L(0) - погонная индуктивность в начале линии;where L (0) is the linear inductance at the beginning of the line;

L(х) - погонная индуктивность на расстоянии х от начала линии;L (x) is the linear inductance at a distance x from the beginning of the line;

Т - время однократного прохода энергии вдоль линии.T is the time of a single passage of energy along the line.

[/О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике»/ М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 381)/]. Эквивалентная электрическая схема такой линии приведена там же на с. 373.[/HE. Litvinenko, V.I. Soshnikov, / “The theory of inhomogeneous lines and their application in radio engineering” / M. Sovetskoe Radio, 1964, 536 s, (p. 381) /]. An equivalent circuit diagram of such a line is given in the same place on p. 373.

Эквивалентная электрическая схема данной неоднородной формирующей длинной линии также содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей.The equivalent electrical circuit of this inhomogeneous forming long line also contains a power source, N series-connected L-shaped four-terminal devices, including N capacitors and N chokes, chokes are connected in series in a chain, all capacitors are connected to a common bus with one terminal, and connected to other terminals to the connection points of two chokes, while the last line capacitor is connected to the end of the chain of chokes.

Недостатком данной неоднородной формирующей длинной линии является то, что, при ее применении в генераторах импульсов, длительности выходных сигналов напряжения и тока равны времени двойного прохода энергии вдоль линии, что не соответствует для решения требуемых задач, а коэффициент передачи напряжения не превышает единицы. Более того, на месте соединения Г-образных четырехполюсников появляются отраженные импульсы, уменьшающие КПД передачи энергии в нагрузку, так как их волновые сопротивления не согласованы между собой. Однако эквивалентная схема данной линии совпадает с эквивалентной схемой заявляемой неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрамиThe disadvantage of this inhomogeneous forming long line is that, when used in pulse generators, the duration of the voltage and current output signals is equal to the time of double passage of energy along the line, which is not suitable for solving the required problems, and the voltage transfer coefficient does not exceed unity. Moreover, reflected pulses appear at the junction of the L-shaped four-terminal networks, which reduce the efficiency of energy transfer to the load, since their wave impedances are not consistent with each other. However, the equivalent circuit of this line coincides with the equivalent circuit of the claimed heterogeneous forming a long line with lumped or distributed parameters

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами, которая будет применяться в генераторах импульсов для формирования импульсов с повышенной амплитудой напряжения и короткой длительностью.The technical problem to be solved by the claimed invention is directed is the creation of a non-uniform forming long line with concentrated or distributed parameters, which will be used in pulse generators to generate pulses with increased voltage amplitude and short duration.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение длительности импульса выходного напряжения неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами с одновременным увеличением его амплитуды.The technical result of the present invention is to reduce the pulse width of the output voltage of a nonuniform forming long line with concentrated or distributed parameters while increasing its amplitude.

Другим техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является увеличение КПД передачи электрической энергии, первоначально запасенной в неоднородной формирующей длинной линии, в нагрузку.Another technical result provided by the invention is to increase the efficiency of transmission of electric energy, originally stored in a non-uniform long line forming, to the load.

Как для неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными параметрами, так и для длинной линии с распределенными параметрами, поставленная проблема решается принципиально одним и тем же путем с достижением одного и того же результата, однако специфика эквивалентных электрических схем и технического исполнения линий с сосредоточенными и распределенными параметрами не позволяет объединить их в общий пункт, они являются независимыми вариантами.Both for an inhomogeneous forming long line with lumped parameters, and for a long line with distributed parameters, the problem posed is solved essentially in the same way with achieving the same result, however, the specifics of equivalent electrical circuits and the technical design of lines with lumped and distributed parameters does not allow to combine them into a common point, they are independent options.

Технический результат изобретения неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными параметрами обеспечивается тем, что ее электрическая схема содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей, начало цепочки из дросселей подключено к потенциальному выводу источника питания. Согласно изобретению N конденсаторов и N дросселей образуют N резонансных LC-контуров, в качестве конденсаторов и дросселей резонансных LC-контуров используют конденсаторы, емкости которых Cn и дроссели, индуктивности которых Ln выбирают из следующих соотношений:The technical result of the invention of an inhomogeneous long line with lumped parameters is ensured by the fact that its electric circuit contains a power source, N series-connected L-shaped four-terminal devices, including N capacitors and N chokes, chokes are connected in series in a chain, all capacitors are connected to one terminal common bus, and other leads connected to the connection points of two chokes, while the last capacitor of the line is connected to the end of the chain of chokes, a chain of inductors connected to the power source potential terminal. According to the invention, N capacitors and N chokes form N resonant LC circuits, capacitors and chokes of resonant LC circuits use capacitors whose capacitances are C n and chokes whose inductances L n are selected from the following relations:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

где n=2, 3, … N - порядковый номер конденсатора, дросселя или LC-контура;where n = 2, 3, ... N is the serial number of the capacitor, inductor or LC circuit;

С1 - емкость конденсатора первого LC-контура;C 1 is the capacitance of the capacitor of the first LC circuit;

L1 - индуктивность дросселя первого LC-контура;L 1 is the inductance of the throttle of the first LC circuit;

N - порядковый номер последнего LC-контура.N is the sequence number of the last LC circuit.

Технический результат изобретения неоднородной формирующей длинной линии с распределенными параметрами обеспечивается тем, что длина

Figure 00000006
формирующей длинной линии разбита на N участков длиной
Figure 00000007
имеет погонную емкость Ср и погонную индуктивность Lp, источник питания. Согласно изобретению емкости n-го участка длинной линии Cn=Cp⋅Δ
Figure 00000006
и индуктивности n-го участка длинной линии Ln=Lp⋅Δ
Figure 00000006
выбирают из соотношений (1) и (2),The technical result of the invention of an inhomogeneous forming long line with distributed parameters is ensured by the fact that the length
Figure 00000006
forming a long line is divided into N sections of length
Figure 00000007
has linear capacitance C p and linear inductance L p , power source. According to the invention, the capacitance of the n-th section of the long line C n = C p ⋅Δ
Figure 00000006
and inductance of the n-th section of the long line L n = L p ⋅Δ
Figure 00000006
choose from relations (1) and (2),

где n=1, 2, 3, … N - порядковый номер участка, на которые разбита линия;where n = 1, 2, 3, ... N is the serial number of the section into which the line is divided;

Figure 00000006
= длина неоднородной линии с распределенными параметрами;
Figure 00000006
= length of an inhomogeneous line with distributed parameters;

N = число участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами;N = number of sections into which the line with distributed parameters is divided;

Δ

Figure 00000006
= длина участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами.Δ
Figure 00000006
= length of sections into which the line with distributed parameters is divided.

Применение данных закономерностей изменения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей неоднородной формирующей линии с сосредоточенными или распределенными параметрами приводит к появлению нового свойства генератора, в котором применяется линия, а именно: отсутствию отражения электрической и магнитной энергий при их движении вдоль формирующей линии от ее начала к концу при замыкании коммутатора генератора расположенного перед линией. Это приводит к тому, что через коммутатор, в основном, протекает электрическая энергия запасенная в начале линии, или в ее первом конденсаторе, а остальная запасенная энергия распространяется к концу линии под воздействием перепада напряжений в соседних конденсаторах, вызванных разрядом конденсатора в начале линии, по принципу модели «сгребаемого снега» или «снежного плуга». При этом на выходе длинной линии появляется импульс напряжения с повышенной амплитудой и существенно меньшей длительностью, чем время двойного прохода энергии вдоль линии, что имеет место в прототипе.The application of these patterns of change in capacitances of capacitors and inductances of chokes of an inhomogeneous forming line with concentrated or distributed parameters leads to the appearance of a new property of the generator in which the line is used, namely: the absence of reflection of electric and magnetic energies when they move along the forming line from its beginning to the end when closure of the generator switch located in front of the line. This leads to the fact that the electric energy stored at the beginning of the line, or in its first capacitor, flows through the switch, and the remaining stored energy propagates to the end of the line under the influence of the voltage drop in neighboring capacitors caused by the discharge of the capacitor at the beginning of the line, the principle of the "raked snow" or "snow plow" model. At the same time, at the output of a long line, a voltage pulse appears with an increased amplitude and a significantly shorter duration than the time of double energy passage along the line, which takes place in the prototype.

Так как потери электрической энергии, происходящие в процессе формирования выходного импульса напряжения генератора, в основном определяются сопротивлением коммутатора, то отсутствие отраженной электрической энергии при прохождении импульса вдоль резонансной неоднородной формирующей линии приводит к уменьшению длительности импульса тока через коммутатор, а значит уменьшаются потери энергии на его сопротивлении и увеличивается КПД передачи электрической энергии от конденсаторов длинной линии в нагрузку.Since the loss of electrical energy that occurs during the formation of the output voltage pulse of the generator is mainly determined by the resistance of the switch, the absence of reflected electrical energy during the passage of the pulse along the resonant inhomogeneous forming line leads to a decrease in the duration of the current pulse through the switch, which means that the energy loss on it resistance and increases the efficiency of transmission of electrical energy from long line capacitors to the load.

В случае, связанном с выполнением заявляемого изобретения в виде неоднородной длинной линии с распределенными параметрами, под емкостями конденсаторов Cn и индуктивностями дросселей Ln следует понимать емкость и индуктивность n-го участка длинной линии, на которые разбита неоднородная длинная линия с распределенными параметрами.In the case associated with the implementation of the claimed invention in the form of an inhomogeneous long line with distributed parameters, the capacitances of capacitors C n and the inductances of the chokes L n should be understood as the capacitance and inductance of the nth portion of the long line into which the inhomogeneous long line with distributed parameters is divided.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 изображена электрическая схема неоднородной длинной линии с сосредоточенными параметрами по п. 1 формулы изобретения, которая соответствует эквивалентной электрической схеме неоднородной длинной линии с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения, где: U0 - источник питания линии, Cn - конденсаторы, Ln - дроссели, ILn - токи через дроссели.In FIG. 1 shows an electric circuit of an inhomogeneous long line with concentrated parameters according to claim 1, which corresponds to an equivalent electric circuit of an inhomogeneous long line with distributed parameters according to claim 2, where: U 0 is the line power source, C n are capacitors, L n - chokes, I Ln - currents through chokes.

На Фиг. 2 а) приведены графики изменения во времени напряжений на конденсаторах длинной линии в течение одного периода резонансных колебаний Т для шести резонансных LC- контуров длинной линии по п. 1 формулы изобретения, на Фиг. 2б) - графики изменения во времени токов через дроссели длинной линии. Значения номиналов конденсаторов и дросселей рассчитаны с точностью ≈ 0,1%, а графики построены по конкретным уравнениям с помощью стандартной программы.In FIG. 2 a) graphs of the time variation of the voltages on the capacitors of the long line during one period of resonant oscillations T for six resonant LC circuits of the long line according to claim 1, FIG. 2b) are graphs of the time variation of currents through long line chokes. The values of the capacitors and chokes are calculated with an accuracy of ≈ 0.1%, and the graphs are constructed according to specific equations using the standard program.

На Фиг. 3 а) приведены графики изменения во времени электрической энергии на конденсаторах длинной линии при тех же условиях, на Фиг. 3 б) приведены графики изменения во времени магнитной энергии в дросселях длинной линии.In FIG. 3 a) graphs of the time variation of electric energy on long-line capacitors under the same conditions, FIG. 3 b) graphs of the time variation of magnetic energy in long line chokes are shown.

На Фиг. 4 изображена электрическая схема неоднородной длинной линии с сосредоточенными параметрами, работа которой исследовалась с помощью стандартного пакета программ. Значения номиналов конденсаторов и дросселей рассчитаны по приведенным выше формулам и отличаются от точных значений на ≈ (3-5)%.In FIG. Figure 4 shows an electric circuit of an inhomogeneous long line with lumped parameters, the operation of which was studied using a standard software package. The values of the capacitors and chokes are calculated according to the above formulas and differ from the exact values by ≈ (3-5)%.

На Фиг. 5 приведены графики изменения во времени напряжений на конденсаторах UCn(t) и токов через дроссели ILn(t) длинной линии для N=6, построенные с помощью стандартного пакета программ.In FIG. Figure 5 shows the graphs of the time variation of the voltages on the capacitors U Cn (t) and currents through the inductors I Ln (t) of the long line for N = 6, constructed using the standard software package.

На Фиг. 6 приведен схематический рисунок неоднородной длинной линии с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения (вариант 2), который поясняет переход к неоднородной длинной линии с сосредоточенными параметрами по п. 1 формулы изобретения.In FIG. 6 is a schematic drawing of an inhomogeneous long line with distributed parameters according to claim 2 of the claims (option 2), which explains the transition to an inhomogeneous long line with concentrated parameters according to claim 1.

На Фиг. 7 приведен примерный график изменения во времени Напряжения на последнем участке неоднородной длинной линии с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения, когда вся электрическая энергия длинной линии переходит в момент времени t1 к концу линии.In FIG. 7 is an exemplary graph of the time variation of the Voltage in the last section of a non-uniform long line with distributed parameters according to claim 2, when all the electric energy of the long line passes at time t 1 to the end of the line.

Неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными параметрами по п. 1 формулы изобретения является составной частью генератора импульсов и работает следующим образом.The inhomogeneous forming long line with lumped parameters according to claim 1 of the claims is an integral part of the pulse generator and works as follows.

Сосредоточенные емкости конденсаторов длинной линии Cn через соответствующие дроссели Ln заряжаются от источника питания до величины U0. Далее, если замкнуть коммутатор генератора, который расположен перед началом формирующей линии, в N связанных резонансных LC-контурах длинной линии начинается колебательный процесс с N независимыми частотами ωn, которые находятся в отношении ω123:…:…:ωn:…:ωN=N:N-1:…:n:…:3:2:1. При этом, в начале колебательного процесса через коммутатор и индуктивность L1 проходит ток, определяемый, в основном, электрической энергией запасенной в конденсаторе С1, которая переходит в энергию магнитного поля дросселя L1 (см. UC1, IL1 на Фиг. 2 а) и б) и EC1 EL1 на Фиг. 3 а) и б)), передаваемую далее в конденсатор С2. Затем, с некоторой задержкой, начинается разряд конденсатора С2 через дроссель L2 и конденсатор С1. При этом уже дроссель L2 запасает электрическую энергию из конденсатора С2 и остаток энергии из конденсатора С1 в энергию магнитного поля (см. UC2, IL2 на Фиг. 2 а) и б) и EC2 EL2 на Фиг. 3 а) и б)), которая далее передается в конденсатор С3. Этот процесс продолжается до момента времени t1, когда электрическая энергия доходит до конца линии, то есть до конденсатора CN, отражается от разомкнутого конца линии, и начинается аналогичный процесс движения энергии в сторону начала линии, но с токами через дроссели обратными по направлению.The concentrated capacitance of the capacitors of the long line C n through the corresponding chokes L n are charged from the power source to the value U 0 . Further, if you close the switch of the generator, which is located before the start of the forming line, in N connected resonant LC circuits of the long line, the oscillation process begins with N independent frequencies ω n , which are in relation ω 1 : ω 2 : ω 3 : ...: ...: ω n : ...: ω N = N: N-1: ...: n: ...: 3: 2: 1. At the same time, at the beginning of the oscillatory process, a current passes through the switch and inductance L 1 , which is determined mainly by the electric energy stored in the capacitor C 1 , which passes into the magnetic field energy of the inductor L 1 (see U C1 , I L1 in Fig. 2 a) and b) and E C1 E L1 in FIG. 3 a) and b)), transmitted further to the capacitor C 2 . Then, with some delay, the discharge of the capacitor C 2 begins through the inductor L 2 and the capacitor C 1 . In this case, the inductor L 2 already stores electric energy from the capacitor C 2 and the remainder of the energy from the capacitor C 1 into the energy of the magnetic field (see U C2 , I L2 in Fig. 2 a) and b) and E C2 E L2 in Fig. 3 a) and b)), which is then transferred to the capacitor C 3 . This process continues until time t 1 , when electric energy reaches the end of the line, that is, to the capacitor C N , is reflected from the open end of the line, and a similar process of energy movement towards the beginning of the line begins, but with the currents through the inductors inverse in direction.

Так как величины емкостей конденсаторов Cn и индуктивностей дросселей Ln выбираются по вышеприведенным закономерностям, которые определяют резонансный характер колебаний в связанных LC-контурах генератора, а также обеспечивают согласование входных и выходных волновых сопротивлений контуров, то появление отражений энергии импульса в процессе ее прохождения вдоль линии исключается. Это хорошо видно из графиков на Фиг. 3 а), б), которые были получены при точном решении уравнений, описывающих поведение электрической и магнитной энергий в неоднородной длинной линии для N = 6. При этом, вся электрическая энергия, первоначально запасенная в конденсаторах длинной линии, через время равное полупериоду колебательного процесса t1 переходит в последний конденсатор длинной линии CN (см. UC6 на Фиг. 2а) и EC6 на Фиг. 3 а)), который, если включить разрядник-обостритель генератора в момент времени t1, передает ее в нагрузку. Емкость последнего конденсатора линии существенно меньше суммарной емкости всех конденсаторов линии, поэтому напряжение на нем значительно возрастает, а время его разряда на Нагрузку, определяемое постоянной времени τ = RH⋅CN (RH - сопротивление нагрузки), заметно сокращается, то есть пиковая мощность генератора, передаваемая в нагрузку, по сравнению с известными генераторами, увеличивается.Since the capacitance values of the capacitors C n and the inductances of the chokes L n are selected according to the above patterns, which determine the resonant nature of the oscillations in the coupled LC circuits of the generator, and also ensure the matching of the input and output wave impedances of the circuits, the appearance of reflections of the pulse energy during its passage along line excluded. This is clearly seen from the graphs in FIG. 3a), b), which were obtained by the exact solution of the equations describing the behavior of electric and magnetic energies in an inhomogeneous long line for N = 6. Moreover, all the electric energy initially stored in the capacitors of the long line after a time equal to the half-period of the oscillatory process t 1 goes to the last capacitor of the long line C N (see U C6 in FIG. 2a) and E C6 in FIG. 3 a)), which, if you turn on the spark gap-sharpener of the generator at time t 1 , transfers it to the load. The capacitance of the last capacitor of the line is significantly less than the total capacitance of all capacitors of the line, so the voltage on it increases significantly, and the time of its discharge to the Load, determined by the time constant τ = R H ⋅C N (R H is the load resistance), is noticeably reduced, that is, the peak the power of the generator transmitted to the load, compared with the known generators, increases.

Как следует из вида зависимостей на Фиг. 2 длительность выходного импульса напряжения генератора уже для N = 6 существенно меньше времени двойного прохода импульса вдоль линии, в данном случае равном Т. Форма импульса выходного напряжения близка к треугольной, а длительность импульса по основанию приблизительно равна длительности импульса тока через коммутатор и дроссель L1.As follows from the type of dependencies in FIG. 2, the duration of the output voltage pulse of the generator for N = 6 is significantly less than the time of double passage of the pulse along the line, in this case equal to T. The shape of the output voltage pulse is close to triangular, and the pulse width at the base is approximately equal to the duration of the current pulse through the switch and inductor L 1 .

Неоднородная формирующая длинная линия с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения является составной частью генератора импульсов и работает следующим образом.The inhomogeneous forming long line with distributed parameters according to claim 2 of the claims is an integral part of the pulse generator and works as follows.

Неоднородная формирующая длинная линия с распределенными параметрами длиной

Figure 00000006
, имеющая погонную емкость Ср и погонную индуктивность Lp, разбивается на N участков длиной
Figure 00000008
(см. Фиг. 6) и [/ О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике» / М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 372)/], а емкости Cnр⋅Δ
Figure 00000006
и индуктивности Ln=Lp Δ
Figure 00000006
выбирают из соотношений (1), (2),Inhomogeneous forming long line with distributed parameters of length
Figure 00000006
having linear capacitance C p and linear inductance L p , is divided into N sections of length
Figure 00000008
(see Fig. 6) and [/ O.N. Litvinenko, V.I. Soshnikov, / “Theory of inhomogeneous lines and their application in radio engineering” / M. Sovetskoe Radio, 1964, 536 s, (p. 372) /], and capacitances C n = С p ⋅Δ
Figure 00000006
and inductances L n = L p Δ
Figure 00000006
choose from relations (1), (2),

где n = 1, 2, 3, … N - порядковый номер участка, на которые разбита линия;where n = 1, 2, 3, ... N is the serial number of the section into which the line is divided;

Figure 00000006
= длина неоднородной линии с распределенными параметрами;
Figure 00000006
= length of an inhomogeneous line with distributed parameters;

N = число участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами;N = number of sections into which the line with distributed parameters is divided;

Δ

Figure 00000006
= длина участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами.Δ
Figure 00000006
= length of sections into which the line with distributed parameters is divided.

Распределенные емкости конденсаторов длинной линии Cn через соответствующие дроссели Ln заряжаются от источника питания до напряжения U0. Далее, замыкается коммутатор генератора, который расположен перед началом формирующей линии, и в линии начинается колебательный процесс аналогичный тому, который происходит в неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными параметрами. Так как в момент времени t1 напряжения на промежуточных участках длинной линии, кроме последнего, обращаются в нуль, на выходном участке длинной линии будет формироваться импульс напряжения как на последнем конденсаторе длинной линии с сосредоточенными параметрами (см. Фиг. 7).The distributed capacitance of the capacitors of the long line C n through the corresponding chokes L n are charged from the power source to a voltage of U 0 . Next, the generator switch closes, which is located in front of the start of the forming line, and the oscillation process begins in the line similar to that which occurs in a nonuniform long forming line with lumped parameters. Since at time t 1 the voltages in the intermediate sections of the long line, except the last, vanish, a voltage pulse will be formed at the output section of the long line as on the last capacitor of the long line with lumped parameters (see Fig. 7).

Проведено экспериментальное подтверждение работоспособности заявляемого изобретения с резонансной неоднородной формирующей линией с сосредоточенными параметрами для числа резонансных LC-контуров линии N = 4. Отношение емкостей конденсаторов длинной линии равнялось С123:C4=1:0,43:0,28:0,28, а индуктивностей дросселей L1:L2:L3:L4=1:1,92:3,38:7,06. Амплитуда импульса выходного напряжения повышается, получен коэффициент умножения по напряжению ≈ 2,5 для длинной линии по п. 1 формулы изобретения, а длительность импульса напряжения на полувысоте уменьшилась в ⋅ ≈ 4 раза по сравнению с импульсом прототипа.The experimental confirmation of the operability of the claimed invention with a resonant inhomogeneous forming line with lumped parameters for the number of resonant LC circuits of the line N = 4 was carried out. The ratio of the capacitances of the capacitors of the long line was C 1 : C 2 : C 3 : C 4 = 1: 0.43: 0 , 28: 0.28, and the inductances of the chokes L 1 : L 2 : L 3 : L 4 = 1: 1.92: 3.38: 7.06. The amplitude of the output voltage pulse increases, a voltage multiplication factor of ≈ 2.5 for a long line according to claim 1 is obtained, and the voltage pulse duration at half maximum decreases ⋅ ≈ 4 times compared to the prototype pulse.

Работоспособность заявляемого изобретения с неоднородной формирующей линией с распределенными параметрами для длинной линии по п. 2 формулы изобретения для числа участков длинной линии N = 6 подтверждается моделированием ее работы с помощью стандартного пакета программ, (см. Фиг. 5). Значения параметров участков формирующей длинной линии приведены на Фиг. 4 и рассчитывались по приведенным выше формулам. Из рисунка на Фиг. 5 видно, что до момента времени t1, когда энергия переключается в нагрузку, напряжения и токи на промежуточных участках длинной линии практически совпадают с теми, которые рассчитаны точно (см. Фиг. 3 а, б). При этом амплитуда импульса выходного напряжения повышается, коэффициент умножения по напряжению равен ⋅≈ 3,4, а длительность импульса напряжения на полувысоте уменьшилась в ⋅≈ 5 раз по сравнению с импульсом прототипа.The performance of the claimed invention with a non-uniform forming line with distributed parameters for a long line according to claim 2 of the claims for the number of sections of a long line N = 6 is confirmed by modeling its operation using a standard software package (see Fig. 5). The parameter values of the sections of the forming long line are shown in FIG. 4 and were calculated according to the above formulas. From the figure in FIG. 5 it can be seen that until time t 1 , when the energy switches to the load, the voltages and currents in the intermediate sections of the long line practically coincide with those calculated exactly (see Fig. 3 a, b). In this case, the amplitude of the output voltage pulse increases, the voltage multiplication factor is ⋅≈ 3.4, and the voltage pulse duration at half maximum decreases ⋅≈ 5 times compared to the prototype pulse.

Claims (14)

1. Неоднородная формирующая длинная линия, представляющая собой формирующую длинную линию с сосредоточенными параметрами, электрическая схема которой содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей, начало цепочки из дросселей подключено к потенциальному выводу источника питания, отличающаяся тем, что N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников образуют N резонансных LC-контуров, в качестве конденсаторов и дросселей резонансных LC-контуров используют конденсаторы, емкости которых Cn, и дроссели, индуктивности которых Ln выбирают из следующих соотношений:1. A non-uniform forming long line, which is a forming long line with lumped parameters, the electric circuit of which contains a power source, N series-connected L-shaped four-terminal devices, including N capacitors and N inductors, inductors are connected in series in a chain, all capacitors are in one output connected to a common bus, and other leads connected to the connection points of two chokes, while the last line capacitor is connected to the end of the chain of chokes, beginning epochki of inductors is connected to the potential conclusion that the power source, characterized in that the N series connected L-shaped two-port form N resonant LC-circuits, as capacitors and inductors of the resonance LC-circuits using capacitors whose C n capacitance and inductors, the inductance of which L n choose from the following ratios:
Figure 00000009
Figure 00000009
Figure 00000010
,
Figure 00000010
,
где n=2, 3, … N - порядковый номер конденсатора, дросселя или LC-контура;where n = 2, 3, ... N is the serial number of the capacitor, inductor or LC circuit; С1 - емкость конденсатора первого LC-контура;C 1 is the capacitance of the capacitor of the first LC circuit; L1 - индуктивность дросселя первого LC-контура;L 1 is the inductance of the throttle of the first LC circuit; N - порядковый номер последнего LC-контура.N is the sequence number of the last LC circuit. 2. Неоднородная формирующая длинная линия, представляющая собой формирующую длинную линию с распределенными параметрами, длина
Figure 00000011
которой разбита на N участков длиной
Figure 00000012
имеющая погонную емкость Ср и погонную индуктивность
Figure 00000013
, источник питания, отличающаяся тем, что емкости n-го участка длинной линии Cnр⋅Δ
Figure 00000014
и индуктивности n-го участка длинной линии Ln=Lp⋅Δ
Figure 00000015
выбирают из соотношений:
2. Inhomogeneous forming a long line, representing a forming a long line with distributed parameters, length
Figure 00000011
which is divided into N sections of length
Figure 00000012
having linear capacitance C p and linear inductance
Figure 00000013
, a power source, characterized in that the capacitance of the n-th section of the long line C n = C p ⋅Δ
Figure 00000014
and inductance of the nth section of the long line Ln = Lp⋅Δ
Figure 00000015
choose from the ratios:
Figure 00000016
Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000017
где n=1, 2, 3, … N - порядковый номер участка, на которые разбита линия;where n = 1, 2, 3, ... N is the serial number of the section into which the line is divided;
Figure 00000018
= длина неоднородной линии с распределенными параметрами;
Figure 00000018
= length of an inhomogeneous line with distributed parameters;
N = число участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами;N = number of sections into which the line with distributed parameters is divided; Δ
Figure 00000019
= длина участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами.
Δ
Figure 00000019
= length of sections into which the line with distributed parameters is divided.
RU2019114213A 2019-05-07 2019-05-07 Non-uniform forming long line (versions) RU2714739C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019114213A RU2714739C1 (en) 2019-05-07 2019-05-07 Non-uniform forming long line (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019114213A RU2714739C1 (en) 2019-05-07 2019-05-07 Non-uniform forming long line (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2714739C1 true RU2714739C1 (en) 2020-02-19

Family

ID=69626070

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019114213A RU2714739C1 (en) 2019-05-07 2019-05-07 Non-uniform forming long line (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2714739C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2733053C1 (en) * 2020-03-02 2020-09-29 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Госкорпорация "Росатом") Electric pulse shaper

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5512853A (en) * 1994-03-17 1996-04-30 Fujitsu Limited Interface circuit adaptive to high speed and low voltage operation
US5781028A (en) * 1996-06-21 1998-07-14 Microsoft Corporation System and method for a switched data bus termination
KR20030065411A (en) * 2002-01-31 2003-08-06 간지 오쯔까 Signal transmission system
RU2352056C1 (en) * 2007-09-04 2009-04-10 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии High-voltage impulse generator
RU2572822C1 (en) * 2014-09-24 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method for remote wire power supply of facilities

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5512853A (en) * 1994-03-17 1996-04-30 Fujitsu Limited Interface circuit adaptive to high speed and low voltage operation
US5781028A (en) * 1996-06-21 1998-07-14 Microsoft Corporation System and method for a switched data bus termination
KR20030065411A (en) * 2002-01-31 2003-08-06 간지 오쯔까 Signal transmission system
RU2352056C1 (en) * 2007-09-04 2009-04-10 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии High-voltage impulse generator
RU2572822C1 (en) * 2014-09-24 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method for remote wire power supply of facilities

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2733053C1 (en) * 2020-03-02 2020-09-29 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Госкорпорация "Росатом") Electric pulse shaper

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Evans Circuits for high-efficiency avalanche-diode oscillators
EP0094765B1 (en) Short pulse generator
US8598813B2 (en) High voltage RF opto-electric multiplier for charge particle accelerations
RU2714739C1 (en) Non-uniform forming long line (versions)
WO2010104809A1 (en) High power bipolar pulse generators
Smith Linear induction accelerators made from pulse‐line cavities with external pulse injection
US5656873A (en) Transmission line charging
US3636476A (en) Solid-state double resonant pulser
CN112152592B (en) High repetition frequency fast pulse generating circuit based on magnetic bead isolation
US4536723A (en) High-power pulse generator using transmission line with spark discharge device
Shpak et al. Amplitude compression of high-voltage pulses in subnanosecond formers on gas spark gaps
RU2352056C1 (en) High-voltage impulse generator
Shmilovitz et al. Pulsed power generation by means of transmission lines
Gao et al. Performance improvement for sub-nanosecond Marx generator based on avalanche transistors by considering the traveling wave process
Pecastaing et al. Optimization of the performance of a transmission line; transformer based on the use of ferrite beads
RU2164054C1 (en) High-voltage pulse generator
RU2161858C1 (en) High-voltage pulse generator
RU2161859C1 (en) High-voltage pulse generator
Ghawde et al. Pulse forming network with optimized pulse power and rise time
Kuthi et al. Nanosecond pulse generator using a fast recovery diode
RU2121217C1 (en) High-voltage pulse generator
Pinjari et al. Compact Solid-State Marx Generator for Repetitive Applications
RU2121218C1 (en) High-voltage pulse generator
JPH03185912A (en) Pulse generator
RU2072626C1 (en) Device for forming of discharge in gas (variants)