SU790135A1 - Генератор высоковольтных импульсов - Google Patents

Description

Изобретение относится к импульсной. технике и может быть использовано для питания узлов ускорителей заряженных частиц.

Известен генератор высоковольтных 5 импульсов, основанный на умножении напряжения по методу Аркадьева-Маркса, содержащий в каскадах накопительные конденсаторы, резисторы и разрядники, причем между каскадами до- 10 полнительно присоединены конденсаторы связи, в разрядниках установлены коронирующие электрода, а зарядка накопителей нечетных и четных каскадов производится раздельно через (5 две зарядные цепи {1J.

Недостатком этого генератора являётся небольшой диапазон изменения рабочего напряжения, так как при запасе электропрочности 100% разрядников в каскадах возможно несрабатывание некоторых из них.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является генератор высоковольтных импульсов, собранный по схеме Аркадьева-Маркса, состоящий из конденсаторов,содержащийв качестве разрядников во втором и последующих каскадах наполненные .'сильно электроотрицательным газом, тригатроны, анод каждого из которых присоединен через свой резистор, а управляющий электрод - непосредственно к положительно заряженной обкладке конденсатора своего или последующего каскадов, катод присоединен к выходу предыдущего каскада V²!· Однако этот генератор недостаточно стабилен в работе и имеет большой разброс времени задержки включения генератора при запасе электропрочности разрядников 100 %.

Цель изобретения - повышение точности срабатывания генератора и увеличение запаса электрической прочности тригатронов.

Поставленная цель достигается тем, что в генераторе высоконольтных 20 импульсов, собранном по схеме Аркадьева-Маркса, состоящем из конденсаторов, резисторов и разрядников, образующих каскада, содержащем в качестве разрядников во втором и после25 дующих каскадах ’наполненные сильно электроотрицательным газом тригатроны, анод каждого из которых присоединен через свой резистор, а управляющий электрод - непосредственно к положи30 тельно заряженной обкладке конденса тора 'своего или последующего каскадов, катод подключен к выходу предыдущего каскада, анод и катод в каждом тригатроне выполнены коаксиальными и протяженными, анод имеет стаканообразную форму и охватывает катод, образуя разрядный промежуток в месте примыкания торцов этих электродов, причем длина ряэрядного промежутка составляет 2,5-4 длины кольцевого зазора между управляющим электродом и анодом, а величина электрических емкостей между управляющим электродом и анодом, анодом и заземленным токопроводом генератора, между анодом и катодом образуют следующее соотношение CjZ-Z. Cq/4 С_ъ, где С, - емкость между управляющим электродом й анодом;

- емкость между, анодом и заземленным токопроводом генератора;

С,, - емкость между анодом и катодом.

Кроме того, анод тригатрона в каждом последующем каскаде соединен через резистор с находящейся под положительным потенциалом обкладкой конденсатора предыдущего каскада, причем величина сопротивлений резистора выбрана такой по отношению к величине емкости между анодом и заземленным токопроводом генератора, что постоянная времени

KCq, 4< t , где Т - величина сопротивления ре’ зистора, через который анод тригатрона в, последующем каскаде соединен с находящейся под положительным потенциалом обкладкой конденсатора предыдущего каскада', t - время задержки срабатывания тригатрона в последующем каскаде относительно момента срабатывания тригатрона в предыдущем каскаде.

На фиг. 1 показана электрическая 'схема генератора высоковольтных импульсов (для упрощения показаны только первый и второй каскада, так как последующие каскады аналогичны по схеме второму каскаду); на фиг. 2 - конструкция предлагаемого генератора (показаны детали только первого и второго каскадов).

Каждый каскад генератора содержит свой конденсатор 1(2) с емкостью С и;наполненный сильно электроотрицательным газом, например элегазом, тригатрон 3 (4), а также соответствующий резистор 5 (б) с сопротивлением , цепь из последовательного соединения которых подключена к зажиму 7 источника тока зарядки. Кроме того, каждый каскад содержит соответствующий резистор 8(9) с сопротивлением , причем цепь из последовательного соединения этих резисторов подключена к заземленному токопроводу генератора, управляющий электрод тригатрона 3 первого каскада присоединен через разделительный конденсатор 12 к зажиму 13 источника пускового напряжения. Электрод 11 соединен с охватывающим его электродом 14 через резистор 15. Штриховыми линиями во втором каскаде обозначены электрические емкости электродов тригатрона 4 и присоединения к его электродам резисторов: 16 - емкость» между управляющим электродом 17 и анодом 18 соответствующего тригатрона; 19 - емкость анода 18 соответствующего тригатрона относительно заземленного токопровода 10 генератора', 20 - емкость между анодом 18 и катодом 21 соответствующего тригатрона, 22 - емкость С4 между управляющим 17 и катодом 21 соответствующего тригатрона) 23 емкость С5 управляющего электрода 17 соответствующего тригатрона вместе с присоединенными к нему проводниками и элементами каскада относительно заземленного токопровода 10. 24 и 25 - резисторы, величины сопротивлений которых соответственно равныR .Величины емкостей 16, 19 и 20 находятся в соотношении С-ι 4 4 44 С₃.

Конструктивно каскады генератора размещены в металлическом баке 26. Резисторы 5, 6, 8 и 9 не показаны, конденсаторы 1 и 2 установлены на изолирующих опорах 27, тригатроны 3 и 4 (однотипные, герметизированные их изолирующие корпуса 28 выполнены, например, из капролона, анод 18 и катод 21 тригатрона выполнены коаксиальными и протяженными, анод 18 имеет стаканообразную форму и охватывает катод 21, образуя разрядный промежуток в месте примыкания торцов этих электродов, причем длина разрядного промежутка составляет 2,5-4 длины кольцевого зазора между управляющим электродом 17 и анодом 18; такое выполнение анода и катода в сочетании с наполнением тригатрона сильно электроотрицательным газом под давлением свяше 10$Па, например давлением 7>10⁵ Па, гйэзволяет увеличить величину емкости '20 (Cj); емкость 19 (с£) анода 18 относительно заземленного бака 26, образующего заземленный токопровод 10 генератора, определяется, в основном, расстоянием-от анода 18 до стенок бака 26.

Приближая электрод 18 к стенке бака 26 просто выполнить условие, чтобы величина емкости 19 была много больше величины емкости 16 (с») Для уменьшения емкости .22 (с^), параллельно к которой подключена

790 емкость рассеяния между конденсатором 1 (2), последние разнесены между собой и обращены один к другому торцами с малыми площадями поверхностей? бокове поверхности имеют значительно большие площади и образуют относительно стенок бака емкости рассеяния 23 (С5) такие, что С₄ 4< С5 44 С. Для повышения электрической прочности элементов генератора .между собой и относительно стенок бака последний заполняется газом, под давлением, например элегазом, электропрочность которого не менее чем в 2,5 раза превышает электропрочность воздуха при том же давлении. Возможно заполнение бака изоляционным маслом. В качестве конденсаторов служат конденсаторы, например, типа ИК 100-0,25У4 (100 кВ,0,25 мкФ)

ТУ 16-562.137-3 с корпусами из диэлектрического материала.

Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом.

Пусть первоначально резистор 24 (фиг. 1) отсутствует, а присоединен только резистор 25. От источника тока зарядки через зажим 7 заряжаются до напряжения +U конденсаторы 1 и 2 каскадов. При передаче через зажим 13 пускового напряжения срабатывает тригатрон 3 и на резисторе 8 выделяется импульсное напряжение с амплитудой U отрицательной полярности. При обычно выполняемых в каждом каскаде условиях »Έρ j R₂C77-t где tj. - длительность импульса высоковольтного напряжения на выходе генератора;

t, - длительность интервала времени задержки срабатывания тригатрона 4 относительно' момента срабатывания тригатрона 3.

Импульсное напряжение U делится по величинам емкостей 16,. 19, 20 и 22, 23 так, что, если промежутки в тригатроне 4 не перемкнуты искровыми каналами, оно полностью приложено к емкости 22 и к емкости 16 и

19. Между управляющим электродом 17 и катодом 21 разность потенциалов достигает по амплитуде величины 2|j, причем электрод тригатрона 17 находится относительно анода 18 и катода 21 под положительным потенциалом.

В результате тригатрон 4 срабатывает с большей точностью, например с разбросом в несколько наносекунд, и имеет меньшее время задержки срабатывания при более высоком запасе ‘электропрочности, например 120%, по сравнению с аналогичными параметрами разрядника в таком же каскаде в известном. Для получения наибольшей точности при минимальной задержке срабатывания тригатрона 4 необходимо, чтобы разряда между электродами 17 и 18, 17 и 21 завершались одновременно, или чтобы пробой между электродами 17 и 18 произошел несколько ранее. Эти условия обеспечиваются, если длина промежутка между торцами катода 21 и анода 18 в тригатроне 4 составляет 2,5-4 длины радиального кольцевого зазора между управляющим электродом 17 и охватывающим его анодом 18.

При соединении анода тригатрона с высоковольтной обкладкой кон- денсатора 1 через резистор 24, а не через резистор 25 с управляющим электродом 17, и выполнении указанного условия потенциал анода 18 изменяется за счет разряда емкости через резистор 24 и тригатрон 3, в результате чего тригатрон 4 срабатывает точнее, чем в известном, при большем запасе электрической прочности . При таком техническом решении упрощаются требования к соотношению величин емкостей 16, 19 и 20, что, упрощает конструкцию тригатронов и требования к их размещению в каскадах генератора.

Изложенное выполнение генератора высоковольтных импульсов применимо и к другим схемам генераторов умножения напряжения по методу Аркадьева-Маркса, в частности к генератору, конденсатор первого каскада в котором непосредственно присоединен одной обкладкой к заземленному токопроводу генератора.

Таким образом, изобретение обеспечивает повышение точности включения генератора высоковольтных импульсов и увеличение запаса электрической прочности разрядников в его каскадах.

Особенно перспективны предложенные генераторы при требовании точной синхронизации (несколько наносекунд) большого числа генераторов в сочетании с высокой надежностью к неуправляемому самопробою при одновременном включении генераторов на общую или раздельные нагрузки.

Claims (2)

1. Изобретение откоситс  к импульсно технике и может быть использовано дл  питани  узлов ускорителей зар женных частиц. Известен генератор высоковольтных импульсов, основанный на умножении напр жени  по методу Дркгщьева-Маркса , содержащий в каскадах накопител ные конденсаторы, резисторы и разр дники , причем каскадами дополнительно присоединены конденсато св зи, в разр дниках установлены коронирукндие электроды, а зар дка накопителей нечетных и четных каска дов производитс  раздельно через две зар дные цепи IJ. Недостатком этого генератора  вл етс  небольшой диапазон изменен рабочего напр жени , так как при запасе электропрочности 100% разр д ников в каскадах возможно несраба тывание некоторых из них. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  генератор высоковольтных импульсов, собранный по схеме Аркадьева-Маркса состо щий из конденсаторов,содержащ в 1Гачестве разр дников во втором и последукицих каскадах наполненные .сильно электроотрицательным газом, тригатроны, анод каждого изкоторых присоединен через свой резистор, а управл ющий электрод - непосредственно к положительно зар женной обкладке конденсатора своего или последующего каскадов, катод присоединен к выходу предыдущего каскада 2. Однако этот генератор недостаточно стабилен в работе и имеет большой разброс времени задержки включени  генератора при запасе электропрочности разр дников 100 %. Цель изобретени  - повышение точности срабатывани  генератора и увеличение запаса электрической прочности тригатронов. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в генераторе высоковольтных импульсов, собранном по схеме Аркадьева-Маркса , состо щем из конденсаторов , резисторов и разр дников, образующих каскады, содержащем в качестве разр дников во втором и последующих каскадах наполненные сильно электроотрицательным газом тригатроны, анод каждого из которых присоединен через свой резистор, а управл ющий электрод - непосредственно к положительно зар женной обкладке конденсатора своего или последующего каскадов , катод подключен к выходу пре дыдущего каскада, анод и катод в ка дом тригатроне выполнены коаксиальными и прот женными, анод имеет ста канооСраэную форму и охватывает катод , образу  разр дный промежуток в месте примыкани  торцов этих элек родов, причем длина р зр дного проТ ежутка составл ет 2,5-4 длины коль . цевого зазора между управл ющим электродом и анодом, а величина электрических емкостей между управ л кицим электродом и анодом, анодом и заземленным токопроводом генератора , между анодом и катодом образуют следующее соотношение С С С,,, где GI - емкость между управл ющим электродом и анодом; емкость между, анодом и заземленным токопроводом генератора; Ct - емкость между анодом и катодом. Кроме того, анод тригатрона в каждом последующем каскаде соединен через резистор с наход щейс  под положительным потенциалом обкладкой конденсатора предыдущего каскада, причем величина сопротивлений резистора выбрана такой по отношению к величине емкости между анодом и заземленным токопроводом генератора что посто нна  времени , где It - величина сопротивлени  резистора, через который анод тригатрона в, последую Дем ка каде соединен с наход щейс  под положительным потенциалом обкладкой конденсатора предыдущего каскада, врем  задержки срабатывани  тригатрона в последующем касксще относительно момент срабатывани  тригатрона в предыдущем каскаде. На фиг. 1 показана электрическа  схема генератора высоковольтных импульсов (дл  упрощени  показаны только первый и второй каскады, так как последующие каскады аналогичны по схеме второму каскаду ; на фиг. 2 - конструкци  предлагаемо генератора (показаны детали только первого и второго каскадов). Каждый каскад генератора содержи свой конденсатор 1(2) с емкостью С инаполненный сильно электроотрицательным газом, например элегазом, тригатрон 3 (4), а также соответств ющий резистор 5 (б) с сопротивление R , цепь из последовательного соединени  которых подключена к зажиму 7 источника тока зар дки. Кроме тог каждый каскад содержит соответствую щий резистор 8(9) с сопротивлением Rj , причем цепь из последовательного соединени  этих резисторов подключена к заземленному токопроводу 10генератора, управл гаций электрод 11тригатрона 3 первого каскада присоединен через разделительный конденсатор 12 к зажиму 13 источника пускового напр жени . Электрод 11 соединен с охватывающим его электродом 14 через резистор 15. Штриховыми лини ми во втором касксще обозначены электрические емкости электродов тригатрона 4 и присоединени  к его электродам резисторов: 16 - емкость С между управл ющим электродом 17 и анодом 18 соответствующего тригатрона; 19 - емкость С анода 18 соответствующего тригатрона относительно заземленного токопровода 10 генератора , 20 - емкость Cij между анодом 18 и катодом 21 соответствующего тригатрона, 22 - емкость С4 между управл ющим 17 и катодом 21 соответствующего тригатрона; 23 емкость Cg управл ющего электрода 17 соответствующего тригатрона вместе с присоединенными к нему проводниками и элементами каскада относител ьно заземленного токопровода 10. 24 и 25 - резисторы, величины сопротивлений которых соответственно равны R ий .Величины емкостей 16, 19 и 20 наход тс  в соотношении Cii. Сг С. Конструктивно каскады генерзатора размещены в металлическом баке 26. Резисторы 5, 6, 8 и 9 не показаны, конденсаторы 1 и 2 установлены на изолирующих опорах 27, тригатроны 3 и 4 (однотипные, герметизированные их изолирующие корпуса 28 выполнены , например, из капролона, анод 18 и катод 21 тригатрона выполнены коаксиальными и прот женными, анод 18 имеет стаканообразную форму и охватывает катод 21, образу  разр дный промежуток в месте примыкани  торцов этих электродов, причем длина разр дного промежутка составл ет 2,5-4 длины кольцевого зазора между управл ющим электродом 17 и анодом 18; такое выполнение анода и катода в сочетании q наполнением тригатрона сильно электроотрицательным газом под давлением св ше 10 Па, например давлением 7-10 Па, г озвол ет увеличить величину емкости 20 (СЛ емкость 19 (СгЛ анода 18 относительно заземленного бака 26, образующего заземленный токопровод 10 генератора, определ етс , в основном , рассто нием-от анода 18 до стенок бака 26. Приближа  электрод 18 к стенке бака 26 просто выполнить условие, чтобы величина емкости 19 была много больше, величины емкости 16 (с) Дл  уменьшени  емкости .22 ) параллельно к которой подключена емкость рассе ни  между конденсатором 1 (2), последние разнесены межд собой и обращены один к другому торцами с малыми площад ми поверхностей бокове поверхности имеют значительно большие площади и образуют относительно стенок бака емкости рассе ни  23 (GS) такие, что . Дл  повышени  электрической прочности элементов генератор . меАду собой и относительно стенок бака последний заполн етс  газом, под давлением, например элегазом, электропрочность которого не менее чем в 2,5 раза превышает электропрочность воздуха при том же давлении . Возможно заполнение бака изол ционным маслом, В качестве конденсаторов служат конденсаторы, например типа ИК 100-0,25У4 (ЮО кВ,0,25 мкФ ТУ 16-562.137-3 с корпусами из диэлектрического материала. Генератор высоковольтных импульсо работает следующим образом. Пусть первоначально резистор 24 (фиг. l) отсутствует, а присоединен только резистор 25. От источника тока зар дки через зажим 7 зар жают до напр жени  J конденсаторы 1 и 2 каскадов. При передаче через зажим 13 пускового напр жени  срабатывает тригатрон 3 и на резисторе 8 выдел етс  импульсное напр жение с ампл тудой и отрицательной пол рности. При обычно выполн емых в каждом кас каде услови х RjC -R5C- 7-fc ; -R,C577t ) где t.. - длительность импульса высоковольтного напр жени  на выходе генератора; 1, - длительность интервала вре мени задержки срабатывани  тригатрона 4 относительно момента срабатывани  трига рона 3. Импульсное напр жение U делитс  по величинам емкостей 16,. 19, 20 и 22, 23 так, что, если промежутки в тригатроне 4 не перемкнуты искровыми каналами, оно полностью приложено к емкости 22 и к емкости 16 и 19. Между управл ющим электродом 17 и катодом 21 разность потенциало достигает по амплитуде величины 2У, причем электрод тригатрона 17 наход тс  относительно анода 18 и катода 21 под положительным потенциалом. В результате тригатрон 4 срабатывае с большей точностью, например с разбросом в несколько наносекунд, и имеет меньшее врем  задержки срабатывани  при более высоком запасе электропрочности, например 120%р по сравнению с аналогичными параметрам разр дника в таком же каскаде в известном. Дл  получени  наибольшей точности при минимальной задержке срабатывани  тригатрона 4 необходимо, чтобы разр ды между электродами 17 и 18, 17 и 21 завершались одновременно , или чтобы пробой между электрода .ми 17 и, 18 произошел несколько ранее. Эти услови  обеспечиваютс , если длина промежутка между торцами катода 21 и анода 18 в тригатроне 4 составл ет 2,5-4 длины радиашьного кольцевого зазора между управл ющим электродом 17 и охватывающим его анодом 18. . При соединении анода тригатрона 18с высоковольтной обкладкой конденсатора 1 через резистор 24, а не через резистор 25 с управл ющим электродом 17, и выполнении указанного услови  Т2.с,,:г:4-Ь потенциал анода 18 измен етс  за счет разр да емкости 19через резистор 24 и тригатрон 3, в результате чего тригатрон 4 срабатывает точнее, чем в известном, при большем запасе электрической прочности . При таком техническом решении упрощаютс  требовани  к соотношению величин емкостей 16, 19 и 20, что, упрощает конструкцию тригатронов и требовани  к их размещению в каскадах генератора. Изложенное выполнение генератора высоковольтных импульсов применимо и к другим схемам генераторов умножени  напр жени  по методу Аркадьева-Маркса , в частности к генератору, конденсатор первого каскада в котором непосредственно присоединен одной обкладкой к заземленному токопроводу генератора. Таким образом, изобретение обеспечивает повышение точности включени  генератора высоковольтныхимпульсов и увеличение запаса электрической прочности разр дников в его каскадах. Особенно перспективны предложенные генераторы при требовании точной синхронизации (несколько наносекунд) большого числа генераторов в сочетании с высокой надежностью к неуправл емому самопробою при одновременном включении генераторов на общую или раздельные нагрузки. Формула изобретени  1. Генератор высоковольтных импульсов , собранньй по-схеме АркадьеваМаркса , состо щий из конденсаторов, резисторов и разр дников, образующих каскады, содержащий в кач-естве разр дников во втором и последующих каскадах наполненные сильно электроотрицательным газом тригатроны, анод каждого иэ которых присоединен через свой резистор, а управл ющий электрод - непосредственно к положительно зар женной обкладке конденсатора своего или последующего каскадов , катод подключен к выходу предыдущего каскада, отличаю щи с   тем, что, с целью повышени  точности срабатывани  генератора и увеличени  запаса электрической прочности тригатро ов, анод и катод в каждом тригатроне выполнены коаксиальными и прот женными, анод имеет стаканообразную форму и охватывает катод, образу  разр дный промежуток в месте примыкани  торцов этих элекродов , причем длина разр дного промежутка составл ет 2,5-4 длины кольцев .го зазора управл ющим электродом и анодом, а величины электрических емкостей между управл ющим электродом и анодом, анодом и заземленным токопроводом генератора, анодом и катодом образуют следующее соотношение

   С2 Сг,,

   где С - емкость между управл ющим электродом и анодом

   Сп - емкость между анодом и

   заземленным токопроводом генератораJ Сг - емкость между анодом и

   катодом.
2. 2. Генератор по п. 1, о т .л ичающийс  тем, что анод кажцого тригатрона в последующем каскаде соединен через резистор с наход щейс  под положительным потенциалом обкладкой конденсатора в предыдущем каскаде, причем величина сопротивлени  резистора выбрана такой по отношению к величине емкости между анодом и заземленным токопроводом генератора, что прсто нна  времени

   R ,

   где Тг, - величина сопротивлени  резистора , посредством которого анод каждого тригатрона в последующем каскаде соединен с наход щейс  под положительным потенциалом обкладкой конденсатора в предыдущем каскаде;

   Ь - врем  Зсцдержки срабатывани  тригатрона в последующем каскаде относительно момента срабатывани  тригатрона в предыдущем каскаде.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   1.Ройфе И.М. и др. ПТЭ, 1971, № б, с. 87.

   2.Авак н К.М. и др. ПТЭ, 1969, с. 87.

   I I I

   -L

   Т

   J