SU949776A1 - Устройство дл передачи электрической энергии от источника питани к формирующей линии - Google Patents

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к участкам высоковольтных цепей, через которые передается электрическая энергия от источника питания к формирующей линии, и может быть использовано в ускорителях сильно- 5 точных импульсных пучков заряженных частиц, например электронов.

Известно устройство для передачи электрической энергии от источника — генератора умножения напряжения по схеме Аркадьева- ₁₀ Маркса или импульсного трансформатора — к одиночной или двойной формирующей линии, содержащее два коаксиальных (внешний и внутренний) проводника [1].

Недостатком известного устройства для передачи электрической энергии от источни- ¹⁵ ка питания к формирующей линии является отсутствие демпфирования электрических колебаний и пропускание обратного импульса без уменьшения его амплитуды. Поэтому для предотвращения пробоя изоляции уве- jo личивают расстояние между коаксиальными проводниками и увеличивают толщины изоляции в источнике и формирующей линии, что приводит к росту габаритов и массы устройства, к ухудшению его электрических характеристик, например к увеличению индуктивностей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому является устройство, содержащее коаксиальные проводники, внешний и внутренний, и включенное в цепь внутреннего проводника нелинейное резистивное сопротивление из вилитовых дисков. Такое устройство демпфирует паразитные электрические колебания и импульсы [2].

Недостатком указанного устройства является поглощение электрической энергии при заряде формирующей линии от источника (при трех вилитовых дисках потери энергии составляют ~ 14%), а также слабое уменьшение амплитуд паразитных колебаний и импульсов, особенно амплитуды первой полуволны колебательного напряжения и амплитуды обратного импульса.

Цель изобретения — увеличение КПД передачи электрической энергии от источника питания к формирующей линии и повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве передачи электрической энер гии от источника питания к формирующей линии, содержащем коаксиальные внешний и внутренний проводники и резистор, причем формирующая линия содержит по меньшей мере высоковольтный электрод, соединенный с внутренним проводником, резистор расположен между коаксиальными проводниками и соединен непосредственно с внутренним проводником, а через разрядник — с внешним проводником.

При таком выполнении устройства дополнительно повышается надежность и ресурс работы источника питания и формирующей линии в связи с уменьшением длительности колебательного процесса перекачки энергии между ними и или амплитуды напряжения обратного импульса.

Устройство может содержать резистор, охватывающий внутренний проводник и выполненный из объемно-проводящего материала с равной двусторонней проводимостью, например водного раствора медного купороса, причем резистор имеет на любом радиусе от оси коаксиальных проводников постоянную величину площади его сечения цилиндрической поверхностью. В этом случае сопротивление резистора постоянно по направлению к внешнему проводнику, т. е. по радиусу от оси проводников, что повышает электропрочность резистора из-за равномерного падения напряжения по длине резистора после срабатывания разрядника и понижает напряженность электрического поля на поверхности внутреннего проводника в пределах длины резистора.

Резистор может быть выполнен из твердого объемно-проводящего материала, например полиэтилена в смеси с сажей, в виде полого цилиндра, насаженного на внутренний проводник. В этом случае для обеспечения постоянного сопротивления по радиусу' целесообразно удельное электрическое сопротивление материала изменять прямо пропорционально изменению радиуса, в частности, выполнять резистор из слоев с указанным законом изменения удельного сопротивления.

Резистор может быть выполнен также в виде серии автономных резисторов, размещенных вокруг внутреннего проводника, что упрощает изготовление резистора.

Разрядник может быть выполнен в виде серии автономных разрядников, что упрощает его изготовление и обслуживание.

На чертеже показан вариант устройства для передачи электрической энергии от источника питания к формирующей линии.

Источник 1 питания, например генератор уменьшения напряжения по методу Аркадьева-Маркса, электрически соединен с формирующей линией 2, например радиальной линией, посредством устройства для передачи электрической энергии, содержащего два коаксиальных проводника 3 и 4 внешне го и внутреннего. Внутренний проводник 4 охвачен резистором 5, например, на основе водного раствора медного купороса, которым заполнен корпус 6 из твердого диэлектрика, причем электролит непосредственно контактирует с поверхностью внутреннего проводника 4. Резистор имеет постоянную величину площади его сечения цилиндрической поверхностью на любом радиусе от оси коаксиальных проводников 3 и 4 и имеет поэтому постоянную величину сопротивления по направлению к внешнему проводнику 3. Между кольцевым электродом 7 резистора и внешним проводником 3 размещены симметрично по окружности разрядники 8, например, тригатроны. Формирующая линия 2 содержит между дисковыми электродами 9 и 10 высоковольтный дисковый электрод 11, присоединенный к внутреннему проводнику 4, и кольцевой коммутатор 12, размещенный между краем высоковольтного дискового электрода 11 по направлению к оси линии и дисковым электродом 10. В центре формирующей линии расположена нагрузка 13, присоединенная к -дисковому электроду 10 непосредственно, а к дисковому электроду 9 через ключ 14. Источник 1 питания имеет волновое сопротивление больше, чем волновое сопротивление устройства, которое в свою очередь больше волнового сопротивления формирующей линии 2, что типично для большинства таких импульсных систем. Для упрощения рисунка уплотняющие прокладки не показаны.

Устройство работает следующим образом. _

От источника 1 питания подается импульсный ток через проводники 3 и 4 и происходит зарядка распределенной емкости формирующей линии 2 между высоковольтным дисковым электродом 11 и дисковыми электродами 9 и 10. Так как в цепь внутреннего проводника 4 не включено последовательное активное сопротивление, то потери электрической энергии при зарядке не происходит. Целесообразно для снижения потерь удельное электрическое сопротивление J> электролита и осевую протяженность I резистора 5 выбирать такими, чтобы глубина скин-слоя на частоте тока зарядки была много больше ί. При нормальной работе формирующей линии 2 по достижении номинальной разности потенциалов между ее электродами включают коммутатор 12, в результате чего в центральной области формирующей линии генерируется импульсное напряжение- чередующейся полярности.

Нагрузку 13 подключают ключом 14 одновременно со срабатыванием коммутатора 12 при работе нагрузки в течение длительности первой полуволны импульсного напряжения или по истечении длительности этой полуволны для работы на второй полуволне. Если величина нагрузки 13 больше волнового сопротивления формирующей линии 2 или ключ 14 срабатывает с задержкой, то ко входу устройства прилагается со стороны формирующей линии 2 короткий мощный обратный импульс напряжения с амплитудой, близкой к Um, но противоположной полярности, чем зарядное напря^; жение от источника 1 питания. Этот импульс, проходя по цепям формирующей линии 2 через устройство в источник 1 питания, увеличивается по амплитуде из-за возрастания волновых сопротивлений и может привести к пробою изоляции устройства и источника питания. Чтобы этого не произошло, в некоторый момент времени после достижения зарядной разности потенциалов U_M на формирующей линии 2 включают разрядники 8, которые соединяют проводники 3 и 4 через резистор 5. При этом импульсное напряжение равномерно распределяется по радиусу резистора, что увеличивает его электропрочность и позволяет уменьшить протяженность резистора по радиусу, а в источник 1 питания обратный импульс или не проходит вообще, или его амплитуда существенно уменьшается. Дополнительному уменьшению амплитуды способствует выбор JP электролита и его С такими, чтобы С'было сравнимо с глубиной скин-слоя на частоте тока обратного импульса, когда участок устройства, охваченный резистором, работает для этого импульса как волновод с большими активными потерями.

Аналогично изложенному устройство работает в случае случайного пробоя формирующей линии. Если коммутатор формирующей линии не сработал вообще или сработал несвоевременно, то мог бы возникнуть колебательный процесс с перекачкой энергии из формирующей линии в источник и обратно. Но так как проводники устройства соединены посредством сработавшего разрядника через жидкостной резистор, то эти колебания не могут передаваться через устройство вообще или очень быстро затухают, включая первую полуволну напряжения, за счет поглощения и рассеяния энергии в резисторе. Выполнение резистора на основе водного электролитического раствора позволяет увеличить его мощность и энергоемкость из-за большой удельной теплоемкости воды.

Выполнение разрядника в виде серии автономных разрядников 8 уменьшает собственную индуктивность и активное сопротивление искровых каналов, способствуя тем самым быстрейшему рассеянию энергии в резисторе 5, автономность позволяет упростить ревизию каждого автономного разрядника путем его извлечения через свое отверстие во внешнем проводнике 3.

В других вариантах выполнения устройства разрядник может быть с общими кольцевыми электродами, соосными коаксиальным проводникам, может содержать один автономный резистор и один автономный разрядник.

Claims (2)

1. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ К ФОРМИРУЮЩЕЙ ЛИНИИ Изобретение откоситс  к высоковольтной импульсной технике, а именно к участкам высоковольтных цепей, через которые передаетс  электрическа  энерги  от источника питани  к формирующей линии, и может быть использовано в ускорител х сильноточных импульсных пучков зар женных частиц, например электронов. Известно устройство дл  передачи электрической энергии от источника - генератора умножени  напр жени  по схеме АркадьеваМар кса или импульсного трансформатора - к одиночной или двойной формирующей линии, содержащее два коаксиальных (внещний и внутренний) проводника 1. Недостатком известного устройства дл  передачи электрической энергии от источника питани  к формирующей линии  вл етс  отсутствие демпфировани  электрических колебаний и пропускание обратного импульса без уменьщени  его амплитуды. Поэтому дл  предотвращени  пробо  изол ции увеличивают рассто ние между коаксиальными проводниками и увеличивают толщины изол ции в источнике и формирующей линии, что приводит к росту габаритов и массы устройства, к ухудшению его электрических характеристик, например к увеличению индуктивностей . Наиболее близким по технической сущности и достигаемому  вл етс  устройство, содержащее коаксиальные проводники, внещний и внутренний, и включенное в цепь внутреннего проводника нелинейное резистивное сопротивление из вилитовых дисков. Такое устройство демпфирует паразитные электрические колебани  и импульсы 2. Недостатком указанного устройства  вл етс  поглощение электрической энергии при зар де формирующей линии от источника (при трех вилитовых дисках потери энергии составл ют 14%), а также слабое уменьщение амплитуд паразитных колебаний и импульсов, особенно амплитуды первой полуволны колебательного напр жени  и амплитуды обратного импульса. Цель изобретени  - увеличение КПД передачи электрической энергии от источника питани  к формирующей линии и повышение надежности устройства. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве передачи электрической энергни от источника питани  к формирующей линии, содержащем коаксиальные внешний и внутренний проводники и резистор, причем формирующа  лини  содержит по меньщей мере высоковольтный электрод, соединенный с внутренним проводником, резистор расположен между коаксиальными проводниками и соединен непосредственно с внутренним проводником, а через разр дник - с внешним проводником. При таком выполнении устройства дополнительно повыщаетс  надежность и ресурс работы источника питани  и формирующей линии в св зи с уменьщением длительности колебательного процесса перекачки энергии между ними и или амплитуды напр жени  обратного импульса. Устройство может содержать резистор, охватывающий внутренний проводник и выполненный из объемно-провод щего материала с равной двусторонней .проводимостью , например водного раствора медного купороса, причем резистор имеет на любом радиусе от оси коаксиальных проводников посто нную величину площади его сечени  цилиндрической поверхностью. В этом случае сопротивление резистора посто нно по направлению к внешнему проводнику, т. е. по радиусу от оси проводников, что повыщает электропрочность резистора из-за равномерного падени  напр жени  по длине резистора после срабатывани  разр дника и понижает напр женность электрического пол  на поверхности внутреннего проводника в пределах длины резистора. Резистор может быть выполнен из твердого объемно-провод щего м.атериала, например полиэтилена в смеси с сажей, в виде полого цилиндра, насаженного на внутренНИИ проводник. В этом случае дл  обеспечени  посто нного сопротивлени  по радиусу целесообразно удельное электрическое сопротивление материала измен ть пр мо пропорционально изменению радиуса, в частности, ВЫПОЛНИТЬ резистор из слоев с указанным законом изменени  удельного сопротивлени . Резистор может быть выполнен также в виде серии автономных резисторов, размещенных вокруг внутреннего проводника, что упрощает изготовление резистора. Разр дник может быть выполнен в виде серии автономных разр дников, что упрощает его изготовление и обслуживание. На чертеже показан вариант устройства дл  передачи электрической энергии от источника питани  к формирующей линии. Источник 1 питани , например генератор уменьщени  напр жени  по методу Аркадьева-Маркса , электрически соединен с формирующей линией 2, например радиальной линией, посредством устройства дл  передачи электрической энергии, содержащего два коаксиальных лроводника 3 и 4 внещнего и внутреннего. Внутренний проводник 4 охвачен резистором 5, например, на основе водного раствора медного купороса, которым заполнен корпус 6 из твердого диэлектрика, причем электролит непосредственно контактирует с поверхностью внутреннего проводника 4. Резистор имеет посто нную величину площади его сечени  цилиндрической поверхностью на любом радиусе от оси коаксиальных проводников 3 и 4 и имеет поэтому посто нную величину сопротивлени  по направлению к внешнему проводнику 3. Между кольцевым электродом 7 резистора и внешним проводником 3 размещены симметрично по окружности разр дники 8, например, тригатроны. Формирующа  лини  2 содержит между дисковыми электродами 9 и 10 высоковольтный дисковый электрод 11, присоединенный к внутреннему проводнику 4, и кольцевой коммутатор 12, размещенный между краем высоковольтного дискового электрода 11 по направлению к оси линии и дисковым электродом 10. В центре формирующей линии расположена нагрузка 13, присоединенна  к -дисковому электроду 10 непосредственно, а к дисковому электроду 9 через ключ 14. Источник 1 питани  имеет волновое сопротивление больще, чем волновое сопротивление устройства, которое в свою очередь больше волнового сопротивлени  формирующей линии 2, что типично дл  большинства таких импульсных систем. Дл  упрощени  рисунка уплотн ющие прокладки не показаны. Устройство работает следующим образом. От источника 1 питани  подаетс  импульсный ток через проводники 3 и 4 и происходит зар дка распределенной емкости формирующей линии 2 между высоковольтным дисковым электродом 11 и дисковыми электродами 9 и 10. Так как в цепь внутреннего проводника 4 не включено последовательное активное сопротивление, то потери электрической энергии при зар дке не происходит. Целесообразно дл  снижени  потерь удельное электрическое сопротивление f электролита и осевую прот женность резистора 5 выбирать такими, чтобы глубина скин-сло  на частоте тока зар дки была много больш t. При нормальной работе формирующей линии 2 по достижении номинальной разности потенциалов между ее электродами включают коммутатор 12, в результате чего в центральной области формирующей линии генерируетс  и.мпульсное напр жение чередующейс  пол рности. Нагрузку 13 подключают ключом 14 одновременно со срабатыванием коммутатора 12 при работе нагрузки в течение длительности первой полуволны импульсного напр жени  или по истечении длительности этой полуволны дл  работы на второй полуволне . Если величина нагрузки 13 больще , волнового сопротивлени  формирующей линии 2 или ключ 14 срабатыв;лт с чадсржкой , то ко входу устройсткл 11рила/-аетси со стороны формирующей линии 2 короткий мощный обратный им 1ульс напр жени  с амплитудой, Слизкой к UM, но противоположной пол рности, чем зар дное напр жение от источника 1 питани . Этот импульс, проход  по цеп м формирующей линии 2 через устройство в источник I питани , увеличиваетс  по амплитуде из-за возрастани  волновых сопротивлений и может привести к пробою изол ции устройства и источника питани . Чтобы этого не произощло, в некоторый момент времени после достижени  зар дной разности потенциалов UM на формирующей линии 2 включают разр дники 8, которые соедин ют проводники 3 и 4 через резистор 5. При этом импульсное напр жение равномерно распредел етс  по радиусу резистора, что увеличивает его электропрочность и позвол ет уменьшить прот женность резистора по радиусу, а в источник 1 питани  обратный импульс или не проходит вообще, или его амплитуда существенно уменьшаетс . Дополнительному уменьшению амплитуды способствует выбор JP электролита и его fc такими, чтобы Ибыло сравнимо с глубиной скин-сло  на частоте тока обратного импульса, когда участок устройства, охваченный резистором, работает дл  этого импульса как волновод с большими активными потер ми. Аналогично изложенному устройство работает в случае случайного пробо  формирующей линии. Если коммутатор формирующей линии не сработал вообще или сработал несвоевременно, то мог бы возникнуть колебательный процесс с перекачкой энергии из формирующей линии в источник и обратно. Но так как проводники устройства соединены посредством сработавшего разр дника через жидкостной резистор, то эти колебани  не могут передаватьс  через устройство вообще или очень быстро затухают, включа  первую полуво ну напр жени , за счет поглощени  и рассе ни  энергии в резисторе. Выполнение резистора на основе водного электролитического раствора позвол ет увеличить его мощность и энергоемкость из-за больщой удельной теплоемкости воды. Выполнение разр дника в виде серии автономных разр дников 8 уменьшает собственную индуктивность и активное сопротивление искровых каналов, способству  тем самым быстрейшему рассе нию энергии в резисторе 5, автономность позвол ет упростить ревизию каждого автономного разр дника путем его извлечени  через свое отверстие во внещнем проводнике 3. В других вариантах выполнени  устройства разр дник может быть с общими кольцевыми электродами, соосными коаксиальным проводникам, может содержать один автономный резистор и один автономный разр дник. Формула изобретени  1. Устройство дл  передачи электрической энергии от источника питани  к формирующей линии, содержащее коаксиальные внешний и внутренний проводники и резистор , причем формирующа  лини  содержит по меньшей мере высоковольтный электрод, соединенный с внутренним проводником. отличающеес  тем, что, с целью повьпиени  КПД передачи электрической энергии от источника питани  к формующей линии и надежности устройства, резистор расположен между коаксиальными проводниками и соединен непосредственно с внутренним проводником, а через разр дник - с внеш проводником 2.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что резистор охватывает внутренний проводн-йк и выполнен из объемно-провод щего резистивного материала с равной двусторонней проводимостью. 3.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что резистор выполнен в виде полого цилиндра из твердого объемно-провод щего резистивного материала и расположен на внутреннем проводнике. 4.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что резистор выполнен в виде серии автономных резисторов, размещенных вокруг внутреннего проводника. 5. Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что разр дник выполнен в виде серии автономных разр дников, Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе I. Мес ц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М., «Советское радио, 1974, с. 217.
2. 2. Демидов Б. А. и др. Повышение на.дежности работы сильноточных импульсных ускорителей при помощи нелинейных сопротивлений .-ПТЭ, 1975, № 3, с. 38 (прототип ).