RU2305364C1

RU2305364C1 - Generator of high potential voltage impulses of picosecond duration

Info

Publication number: RU2305364C1
Application number: RU2006112033/09A
Authority: RU
Inventors: Константин Александрович Желтов (RU); Константин Александрович Желтов
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-08-27

Abstract

FIELD: high voltage impulse engineering, possible use in electro-physical devices for producing high potential voltage impulses of picosecond duration.

SUBSTANCE: in accordance to the invention, generator contains a metallic body, filled with transformer oil, positioned in which are a high voltage supply, inductiveness coil connected to output of the latter, with a high ohmic wire wound on the coil, current-conductive membrane, positioned inside the high voltage toroid in its central plane, in parallel to which at minimal distance a second, low voltage, toroid is positioned, which forms an accumulating line together with the high voltage toroid. Low voltage toroid is engaged with external conductor of coaxial transmitting line, internal conductor of which is provided with a spark space, positioned closely to the center of the current-conductive membrane, and is connected to the load. Current-conductive membrane, high voltage toroid and low voltage toroid are positioned symmetrically to the generator axis. Current-conductive membrane center is connected on one side to output of inductiveness coil, and on other side - to internal conductor of transmitting line, along perimeter the membrane is connected to internal surface of the high voltage toroid.

EFFECT: increased electrical power of impulse due to decreased duration of generated impulse.

3 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности.The invention relates to high-voltage pulse technology and can be used in electrophysical installations to obtain high-voltage voltage pulses of picosecond duration.

Принцип формирования пикосекундного импульса состоит в разряде короткой накопительной линии на длинную передающую линию.The principle of picosecond pulse formation is to discharge a short storage line to a long transmission line.

Известен пикосекундный сильноточный ускоритель электронов (журнал «Приборы и техника эксперимента», 1990 г., №1, с.37-41), содержащий генератор высоковольтных импульсов напряжения и взрывоэмиссионную трубку. В состав генератора входят коаксиальная формирующая линия, являющаяся первичным накопителем энергии, первый разрядник, двухступенчатая трансформирующая линия, короткая накопительная линия конической формы, второй разрядник, широкополосная передающая линия. Трубка представляет собой вакуумный диод с взрывоэмиссионным катодом. Импульс высокого напряжения на трубку подводится по передающей линии после разряда накопительной линии через сильно перенапряженный искровой промежуток второго разрядника, заполненный маслом. Недостатком генератора является невысокая мощность импульса, ограниченная тем, что время развития разряда в искровом промежутке второго разрядника (время коммутации) превышает длительность формируемого импульса.Known picosecond high-current electron accelerator (journal "Instruments and experimental equipment", 1990, No. 1, p. 37-41), containing a generator of high-voltage voltage pulses and an explosive emission tube. The generator includes a coaxial generating line, which is the primary energy storage device, a first spark gap, a two-stage transforming line, a short conical shape storage line, a second spark gap, and a broadband transmission line. The tube is a vacuum diode with an explosive emission cathode. A high-voltage pulse is supplied to the tube through the transmission line after the discharge of the storage line through the highly overstressed spark gap of the second spark gap filled with oil. The disadvantage of the generator is the low pulse power, limited by the fact that the development time of the discharge in the spark gap of the second spark gap (switching time) exceeds the duration of the generated pulse.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является генератор высоковольтных импульсов пикосекундной длительности, входящий в состав пикосекундного сильноточного источника электронов с высокоимпедансным вакуумным диодом в качестве нагрузки (журнал «Приборы и техника эксперимента», 1999 г., №6, с.89-94). Генератор содержит последовательно соединенные источник высокого напряжения, катушку индуктивности и формирующую линию, «медленный» разрядник, трансформирующую линию, состоящую из двух ступеней (низкоомной и высокоомной), накопительную линию, внутренний и внешний проводники которой представляют собой усеченные конусы (длина образующей конического внутреннего проводника порядка 13 мм), «быстрый» разрядник и трехступенчатую передающую линию. Принцип действия генератора заключается в следующем. Источник высокого напряжения заряжает формирующую линию, питание которой осуществляется через катушку индуктивности. На фронте импульса высокого напряжения вблизи его амплитудного значения в искровом промежутке «медленного» разрядника происходит пробой, вследствие чего формирующая линия разряжается на трансформирующую линию, состоящую из двух ступеней, низкоомной и высокоомной. На входе трансформирующей линии формируется колоколообразный импульс, который трансформируется во вторую ступень и заряжает короткую накопительную линию. Так как электроды искрового промежутка «быстрого» разрядника одновременно являются усеченной вершиной конического внутреннего проводника накопительной линии и торцевой поверхностью внутреннего проводника передающей линии (совмещены в пространстве), то напряжение на накопительной линии вызывает соответствующее перенапряжение искрового промежутка «быстрого» разрядника, который пробивается, и через этот искровой промежуток накопительная линия разряжается на передающую линию, формируя в ней бегущий импульс напряжения пикосекундной длительности. При этом необходимо, чтобы время коммутации - время развития разряда (пробоя) в искровом промежутке было меньше длительности формируемого импульса. Формирующая линия, «медленный» разрядник и трансформирующая линия образуют предварительную ступень, предназначенную для генерации фор-импульса с крутым фронтом, создающего сильное перенапряжение в искровом промежутке «быстрого» разрядника. Наличие предварительной ступени существенно усложняет устройство и ограничивает наращивание выходной электрической мощности импульса напряжения.The closest technical solution to the proposed one is a generator of high-voltage pulses of picosecond duration, which is part of a picosecond high-current electron source with a high-impedance vacuum diode as a load (Journal "Instruments and Experimental Techniques", 1999, No. 6, pp. 89-94). The generator contains a high-voltage source connected in series, an inductor and a forming line, a “slow” arrester, a transforming line consisting of two steps (low-resistance and high-resistance), a storage line, the inner and outer conductors of which are truncated cones (the length of the generatrix of the conical inner conductor about 13 mm), a "fast" spark gap and a three-stage transmission line. The principle of operation of the generator is as follows. A high voltage source charges the forming line, the power of which is provided through the inductor. At the front of a high-voltage pulse near its amplitude value, a breakdown occurs in the spark gap of the "slow" arrester, as a result of which the forming line is discharged to a two-stage transforming line, low resistance and high resistance. At the input of the transforming line, a bell-shaped pulse is formed, which is transformed into the second stage and charges a short storage line. Since the electrodes of the spark gap of the “fast” arrester are simultaneously the truncated apex of the conical inner conductor of the storage line and the end surface of the inner conductor of the transmission line (spatially aligned), the voltage on the storage line causes the overvoltage of the spark gap of the “fast” spark gap, which breaks through, and through this spark gap, the storage line is discharged to the transmission line, forming a running voltage pulse in it picosecond duration. In this case, it is necessary that the switching time — the development time of the discharge (breakdown) in the spark gap — be less than the duration of the generated pulse. The forming line, the “slow” arrester and the transforming line form a preliminary stage, designed to generate a fore-pulse with a steep front, which creates a strong overvoltage in the spark gap of the “fast” arrester. The presence of a preliminary stage significantly complicates the device and limits the buildup of the output electrical power of the voltage pulse.

Недостатком прототипа является недостаточная электрическая мощность выходного импульса напряжения из-за ограничения времени коммутации «быстрого» разрядника.The disadvantage of the prototype is the insufficient electrical power of the output voltage pulse due to the limitation of the switching time of the "fast" arrester.

Техническим результатом, обеспечиваемым предлагаемым изобретением, является повышение электрической мощности импульса за счет уменьшения длительности формируемого импульса.The technical result provided by the invention is to increase the electrical power of the pulse by reducing the duration of the generated pulse.

Технический результат достигается тем, что генератор высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности, содержащий источник высокого напряжения, подключенную к его выходу катушку индуктивности, накопительную линию, коаксиальную передающую линию и нагрузку, дополнительно содержит токопроводящую мембрану, накопительная линия выполнена в виде двух тороидов - высоковольтного и низковольтного, расположенных симметрично оси генератора параллельно друг другу, низковольтный тороид состыкован с внешним проводником коаксиальной передающей линии, токопроводящая мембрана расположена внутри высоковольтного тороида в центральной его плоскости, центр мембраны соединен с одной стороны с выходом катушки индуктивности, с другой стороны - с внутренним проводником передающей линии, по периметру мембрана соединена с внутренней поверхностью высоковольтного тороида, внутренний проводник передающей линии снабжен искровым промежутком, расположенным вблизи центра токопроводящей мембраны.The technical result is achieved by the fact that the generator of high voltage pulses of picosecond voltage duration, containing a high voltage source, an inductance coil connected to its output, a storage line, a coaxial transmission line and a load, further comprises a conductive membrane, the storage line is made in the form of two toroids - a high voltage and a low voltage located symmetrically to the axis of the generator parallel to each other, the low-voltage toroid is connected to the external conductor coaxial of the transmission line, the conductive membrane is located inside the high-voltage toroid in its central plane, the center of the membrane is connected on the one hand to the output of the inductor, on the other hand, to the inner conductor of the transmission line, along the perimeter the membrane is connected to the inner surface of the high-voltage toroid, the inner conductor of the transmission line equipped with a spark gap located near the center of the conductive membrane.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом генераторе накопительная линия и искровой промежуток пространственно разделены, в результате чего не требуется возбуждать сильное перенапряжение в искровом промежутке, а значит, отпадает необходимость в предварительной ступени (первичном накопителе).The essence of the invention lies in the fact that in the proposed generator the storage line and the spark gap are spatially separated, as a result of which it is not necessary to excite a strong overvoltage in the spark gap, which means that there is no need for a preliminary stage (primary drive).

Структурная схема предлагаемого генератора приведена на фиг.1. На фиг.2 показан импульс напряжения, формируемый прототипом, на фиг.3 - импульс, формируемый предлагаемым генератором.The structural diagram of the proposed generator is shown in figure 1. Figure 2 shows the voltage pulse generated by the prototype, figure 3 - pulse generated by the proposed generator.

Генератор высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности содержит расположенные в металлическом корпусе, заполненным трансформаторным маслом (не показан), источник высокого напряжения 1, подключенную к его выходу катушку индуктивности 2, намотанную высокоомным проводом, токопроводящую мембрану 3, расположенную в центральной плоскости внутри высоковольтного тороида 4, параллельно которому на минимальном расстоянии расположен второй - низковольтный - тороид 5, образующий вместе с тороидом 4 накопительную линию 6, низковольтный тороид 5 состыкован с внешним проводником 7 длинной коаксиальной передающей линии 8, внутренний проводник 9 которой снабжен искровым промежутком 10, находящимся вблизи центра токопроводящей мембраны 3, и соединен с нагрузкой 11. Токопроводящая мембрана 3, высоковольтный тороид 4 и низковольтный тороид 5 расположены симметрично оси генератора. Токопроводящая мембрана 3 соединена по центру с одной стороны с выходом катушки индуктивности 2, с другой стороны - с внутренним проводником 9 передающей линии 8, а по периметру - с внутренней поверхностью высоковольтного тороида 4. В качестве нагрузки 11 могут быть использованы различные преобразователи электрической энергии в электромагнитное излучение.A picosecond-duration high-voltage pulse generator contains, in a metal case filled with transformer oil (not shown), a high-voltage source 1, an inductor 2 connected to its output, wound with a high-resistance wire, a conductive membrane 3 located in the central plane inside the high-voltage toroid 4, parallel to which at a minimum distance is located the second - low-voltage - toroid 5, which forms, along with toroid 4, a storage line 6, low The solid toroid 5 is connected to the outer conductor 7 of the long coaxial transmission line 8, the inner conductor 9 of which is provided with a spark gap 10 located near the center of the conductive membrane 3 and connected to the load 11. The conductive membrane 3, the high voltage toroid 4 and the low voltage toroid 5 are located symmetrically to the axis generator. The conductive membrane 3 is connected centrally on the one hand with the output of the inductor 2, on the other hand, with the inner conductor 9 of the transmission line 8, and around the perimeter with the inner surface of the high-voltage toroid 4. As a load 11, various electrical energy converters can be used in electromagnetic radiation.

Принцип действия генератора состоит в следующем.The principle of operation of the generator is as follows.

Источник высокого напряжения 1 заряжает через катушку индуктивности 2 и токопроводящую мембрану 3 короткую накопительную линию 6. При этом между тороидами 4 и 5 в месте их максимального сближения (на фиг.1 участки тороидов в месте их наибольшего сближения выделены жирными дугами) возникает сильное электрическое поле. Зарядное напряжение одновременно воздействует на искровой промежуток 10 на внутреннем проводнике 9 длинной передающей линии 8. С увеличением напряжения до пробивного в искровом промежутке 10 возникает электрический разряд. Обычно время развития разряда, составляющее по порядку величины ~10^-10c, совпадает с длительностью формируемого импульса, но может быть и больше. В течение этого времени проводимость искрового промежутка 10 может не успеть достичь максимального значения, что негативно скажется на длительности формируемого пикосекундного импульса напряжения. Для того чтобы этого не происходило, необходимо задержать процесс разряда накопительной линии 6, пока не установится максимальная проводимость в искровом промежутке 10. Для этого используется пространственное разделение искрового промежутка 10 и короткой накопительной линии 6 введением между ними токопроводящей мембраны 3 и участков тороидов 4 и 5, не находящихся в сильном электрическом поле. Благодаря такой задержке разряда накопительной линии 6 формируемый пикосекундный импульс напряжения будет иметь максимальную амплитуду и минимальный фронт (длительность). Далее пикосекундный импульс напряжения распространяется по длинной линии 8 и воздействует на нагрузку 11, где происходит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение. Эффективность пространственного разделения искрового промежутка 10 и накопительной линии 6 подтверждается экспериментальной проверкой. Пикосекундный импульс, формируемый прототипом, в котором такого разделения нет, и где искровой промежуток и накопительная линия объединены, показан на фиг.2. Фронт импульса и, в данном случае, половина ширины примерно равны и составляют ~0,3 нс, т.е. ~300 пс. Импульс, формируемый предлагаемым генератором с пространственным разделением искрового промежутка 10 и накопительной линии 6, показан на фиг.3. Фронт импульса в 1,5 раза меньше и не превышает 210 пс.A high voltage source 1 charges a short storage line 6 through an inductor 2 and a conductive membrane 3. In this case, a strong electric field arises between the toroids 4 and 5 at the point of their closest approach (in Fig. 1, the toroid sections at the point of their closest approach) . The charging voltage simultaneously acts on the spark gap 10 on the inner conductor 9 of the long transmission line 8. With an increase in voltage to breakdown in the spark gap 10, an electric discharge occurs. Typically, the discharge development time, which is ~ 10 ^-10 s in order of magnitude, coincides with the duration of the generated pulse, but may be longer. During this time, the conductivity of the spark gap 10 may not have time to reach the maximum value, which will negatively affect the duration of the generated picosecond voltage pulse. In order to prevent this from happening, it is necessary to delay the discharge process of the storage line 6 until the maximum conductivity is established in the spark gap 10. For this, the spatial separation of the spark gap 10 and the short storage line 6 is used by introducing a conductive membrane 3 and sections of toroids 4 and 5 between them not in a strong electric field. Due to such a delay in the discharge of the storage line 6, the generated picosecond voltage pulse will have a maximum amplitude and a minimum front (duration). Next, a picosecond voltage pulse propagates along a long line 8 and acts on the load 11, where the conversion of electrical energy to electromagnetic radiation occurs. The effectiveness of the spatial separation of the spark gap 10 and the storage line 6 is confirmed by experimental verification. The picosecond pulse generated by the prototype, in which there is no such separation, and where the spark gap and the storage line are combined, is shown in Fig.2. The pulse front and, in this case, half the width are approximately equal and amount to ~ 0.3 ns, i.e. ~ 300 ps. The pulse generated by the proposed generator with a spatial separation of the spark gap 10 and the storage line 6 is shown in Fig.3. The pulse front is 1.5 times smaller and does not exceed 210 ps.

Таким образом, предлагаемый генератор высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности в сравнении с прототипом формирует импульс, длительность которого в 1,5 раза меньше, чем в прототипе, и, соответственно, мощность в 1,5 раза больше. Кроме того, в предлагаемом генераторе отпадает необходимость в сложной предварительной ступени формирования, имеющей место в прототипе и ограничивающей мощность выходного импульса.Thus, the proposed generator of high voltage voltage pulses of picosecond duration in comparison with the prototype generates a pulse whose duration is 1.5 times less than in the prototype, and, accordingly, the power is 1.5 times more. In addition, the proposed generator eliminates the need for a complex preliminary stage of formation, which takes place in the prototype and limits the power of the output pulse.

Claims

A generator of high voltage voltage pulses of picosecond duration, containing a high voltage source, an inductor connected to its output, a storage line, a coaxial transmission line and a load, characterized in that it further comprises a conductive membrane, the storage line is made in the form of two toroids - high voltage and low voltage, located symmetrically to the axis of the generator parallel to each other, the low-voltage toroid is connected to the external conductor of the coaxial transmission line and, the conductive membrane is located inside the high-voltage toroid in its central plane, the center of the membrane is connected on one side to the output of the inductor, on the other hand, to the inner conductor of the transmission line, along the perimeter the membrane is connected to the inner surface of the high-voltage toroid, the inner conductor of the transmission line is equipped with a spark a gap located near the center of the conductive membrane.