Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники. Техническим результатом является повышение напряжения на выходе генератора при формировании на согласованной резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса напряжения. Генератор высоковольтных импульсов содержит заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных не менее двух отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины Т0. Во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий этот отрезок на две однородные линии. На выходе СЛ подключены соединенные параллельно нагрузка и прерыватель тока. Между высоковольтным и заземленным электродами включен источник напряжения. В разрыв заземленного электрода в любом месте включены соединенные параллельно источник тока и разрядник. Между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии подключен один из концов дополнительной однородной линии, электрическая длина которой равна электрической длине Т0. На другом конце дополнительной линии включен коммутирующий разрядник. В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке формируется прямоугольный импульс напряжения с длительностью, равной удвоенному времени пробега электромагнитной волны по длине отдельного отрезка ступенчатой линии. Амплитуда напряжения превышает зарядное напряжение. 1 ил.
Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в электрофизических установках для получения мощных высоковольтных импульсов, например для генерации пучков заряженных частиц (105-107В, 103-106А, 10-7-10-8с).
Известен генератор высоковольтных импульсов /1, fig. 3c/, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины Т
0, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого и второго отрезков СЛ и разделяющий каждый из них на две однородные линии, источник напряжения и коммутирующий разрядник, включенные между высоковольтным и заземленным электродами, причем коммутирующий разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, резистивную нагрузку, подключенную к выходу СЛ последовательно с предымпульсным разрядником. Под действием источника напряжения четыре отрезка линии вблизи высоковольтного электрода заряжаются до напряжения V
0, и энергия запасается в генераторе в виде электрического поля. При включении коммутирующего разрядника в результате волновых процессов энергия концентрируется на выходе СЛ. С точки зрения достижения максимального КПД оптимальными являются следующие соотношения волновых сопротивлений Z
i = Z
n ![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
2/[(n-i+1)(n-i+2)], где i = 3,4,.....,n - номер отрезка СЛ; n - полное число отрезков линий в СЛ; Z
i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i, волновых сопротивлений отрезков, образованных высоковольтным электродом в первом отрезке СЛ: с разрядником Z
1 = Z
n/[n(n+2)], без разрядника
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357519.gif)
и во втором отрезке СЛ: с разрядником Z
2 = Z
n/[2(n-1)n],
без разрядника
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357520.gif)
В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T
0. Рабочим является второй импульс напряжения. Нагрузка подключается при срабатывании предымпульсного разрядника с задержкой на время (n+1)Т
0 по отношению к моменту включения коммутирующего разрядника, то есть с задержкой на время 2T
0 по отношению к моменту прихода к выходу генератора первой электромагнитной волны. На согласованной нагрузке Z
н = Z
n формируется одиночный импульс напряжения длительностью 2T
0, в течение которого вся энергия передается в нагрузку. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в n раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину V
0.
Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное nV
0 в согласованном режиме и 2nV
0 в режиме холостого хода. Кроме того, недостатком является наличие на выходе генератора предымпульсного напряжения перед подключением нагрузки, равного по амплитуде и длительности, но противоположного по полярности напряжению на согласованной нагрузке. Наличие значительного по величине предымпульсного напряжения, что в данном генераторе является необходимым условием высокого КПД, имеет негативные последствия. Во-первых, на выходе генератора необходимо использовать разрядник, к которому предъявляются весьма высокие требования. Он должен выдерживать без пробоя высокое предымпульсное напряжение, а затем в течение относительно короткого рабочего импульса пропустить всю первоначально запасенную в генераторе энергию. Поэтому в ряде случаев предельные выходные параметры генератора определяются возможностями предымпульсного разрядника. Во-вторых, несмотря на разрядник предымпульсное напряжение из-за наличия паразитных электрических емкостей частично попадает на нагрузку, что в ряде случаев крайне нежелательно. Например, при использовании в качестве нагрузки генератора вакуумного диода для формирования пучков заряженных частиц предымпульсное напряжение приводит к образованию в ускоряющем зазоре плазмы, оказывающей существенное влияние на характеристики диода в течение рабочего импульса и ухудшающей воспроизводимость выходных параметров генератора от импульса к импульсу.
В качестве прототипа выбран генератор /2/, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины
0. На выходе ступенчатой линии подключены параллельно соединенные прерыватель тока и резистивная нагрузка. Во внутреннем объеме первого и второго отрезков ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий каждый из них на две однородные линии. Между высоковольтным и заземленным электродом включены источник напряжения и коммутирующий разрядник, причем разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ. В разрыв заземленного электрода в любом месте включены параллельно соединенные источник тока и разрядник. Волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии как с разрядником Z, так и без разрядника
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357521.gif)
равны соответственно
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357523.gif)
волновые сопротивления отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода выбраны из соотношения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357524.gif)
где i = 3,4,...,n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
- отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и в виде магнитного поля,
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V
0/I
0=Z
1.
Под действием источника напряжения осуществляется импульсная зарядка до напряжения V
0 электрической емкости четырех отрезков с волновыми сопротивлениями
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357525.gif)
Энергия запасается в указанных отрезках в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока в первоначально замкнутом контуре, образованном заземленным электродом и прерывателем тока, создается ток I
0 и энергия запасается дополнительно во всем объеме СЛ в виде магнитного поля. Схема генератора, волновые сопротивления, зарядное напряжение и начальный ток подобраны таким образом, что при включении коммутирующего разрядника вся первоначально запасенная энергия концентрируется на выходе генератора. При срабатывании прерывателя тока в момент прихода к нему первой электромагнитной волны от коммутирующего разрядника на согласованной нагрузке формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения длительностью 2T
0, в течение которого энергия полностью передается в нагрузку. Предымпульсное напряжение на нагрузке отсутствует. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
+n-1)/
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
раз.
Недостатком прототипа является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное (
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
+n-1)V
0/
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
в согласованном режиме и 2(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
+n-1)V
0/
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
в режиме холостого хода.
Техническим результатом является повышение напряжения на выходе генератора при формировании на согласованной резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса напряжения.
Технический результат достигается тем, что в генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных не менее двух отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины Т
0, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме двух первых отрезков СЛ и разделяющий каждый из них на две однородные линии, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, подключенные параллельно на выходе СЛ нагрузку и прерыватель тока, включенные в любом месте в разрыв заземленного электрода, соединенные параллельно источник тока и разрядник, снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине T
0, один из концов дополнительной линии подключен между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357530.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357531.gif)
волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линиям с волновыми сопротивлениями Z
1 и Z
2;
Z
1 - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3,4,.....n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
- отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля,
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V
0/I
0=Z
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/2.
Включение в состав генератора дополнительной линии, изменение положения коммутирующего разрядника, а также указанный оптимальный выбор волновых сопротивлений и отношения величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе в совокупности обеспечивают полную передачу запасенной в генераторе энергии в согласованную нагрузку при формировании на ней прямоугольного импульса напряжения повышенной амплитуды.
На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого генератора высоковольтных импульсов, где 1 - заземленный электрод; 2 - прерыватель тока; 3 - нагрузка; 4 - высоковольтный электрод; 5, 6 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 4 в первом отрезке ступенчатой линии; 7 - источник напряжения; 8 - дополнительная однородная линия; 9 - коммутирующий разрядник; 10 - источник тока; 11 - разрядник для отключения источника тока; 12, 13 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 4 во втором отрезке ступенчатой линии; 14 - третий отрезок ступенчатой линии.
Генератор содержит заземленный электрод 1, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных не менее двух отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T
0. На выходе ступенчатой линии подключены параллельно соединенные прерыватель тока 2 и резистивная нагрузка 3. Во внутреннем объеме двух первых отрезков ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 4, делящий каждый из них на две однородные линии 5, 6 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357532.gif)
и 12, 13 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357533.gif)
Между высоковольтным 4 и заземленным 1 электродами включены источник напряжения 7, а также, в месте соединения первого и второго отрезков СЛ со стороны линий 5 и 12, один из концов дополнительной однородной линии 8, электрическая длина которой равна T
0. На другом конце дополнительной линии 8 включен коммутирующий разрядник 9. В разрыв заземленного электрода 1 в любом месте включены параллельно соединенные источник тока 10 и разрядник 11. Волновые сопротивления линий выбраны из соотношений
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357538.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357539.gif)
волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линиям с волновыми сопротивлениями Z
1 и Z
2;
Z
i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3,4,....,n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии,
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
- отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля,
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V
0/I
0 = Z
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/2.
Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 7 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V
0 электрической емкости отрезков 5, 6, 12, 13 и дополнительной линии 8, в которых энергия запасается в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока 10 в первоначально замкнутом контуре, образованном заземленным электродом 1 и прерывателем тока 2, создается ток I
0 и энергия запасается дополнительно во всем объеме ступенчатой линии в виде магнитного поля. Соотношение величин V
0 и I
0 выбраны в соответствии с указанным выше уравнением. (Полярность напряжения V
0 и направление тока I
0 выбираются таким образом, чтобы после прихода электромагнитной волны от коммутирующего разрядника 9 в линии 5 происходило уменьшение тока). Величины V
0 и I
0 определяются и фиксируются до начала зарядки генератора путем выбора соответствующих источников напряжения или тока либо путем предварительного регулирования выходных параметров этих источников. При достижении максимального тока I
0 и максимального зарядного напряжения V
0 включается коммутирующий разрядник 9. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t = 0. (Разрядник 11, отсоединяющий источник тока 10 от ступенчатой линии, включается после достижения максимального тока I
0 до прихода к нему первой электромагнитной волны от коммутирующего разрядника 9, например в момент времени t = 0). При включении коммутирующего разрядника 9 по дополнительной линии 8 будет распространяться волна разрядки - V
0, после прохождения которой напряжение в дополнительной линии становится равным нулю. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом чертеже направлен в СЛ снизу вверх, а в дополнительной линии справа налево. В момент времени t = Т
0 эта волна приходит к месту соединения дополнительной линии с линиями 5 и 12. В результате в дополнительную линию 8 отразится волна напряжения - V
0/2, а по линиям 5 и 12 будут распространяться волны напряжения одинаковой амплитуды - 3V
0/2.
В момент времени t = 2T
0 происходит следующее. Волна напряжения - V
0/2, распространяющаяся по дополнительной линии 8, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 9 и отражается от него без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. К месту соединения линий 5 и 6 приходит волна -3V
0/2. В результате в линию 5 в сторону дополнительной линии 8 отразится волна V
0/2, а в линию 6 пройдет волна V
0. Легко показать, что после прохождения данных волн напряжение в каждой из этих линий становится равным нулю. Кроме того, в каждой из линий в результате прохождения волн возникает ток, равный по величине, но противоположный по полярности начальному току I
0, созданному источником 10. То есть суммарный ток в обеих линиях становится равным нулю. Таким образом, после прохождения волн из линий 5 и 6 отбирается полностью не только электрическая, но и магнитная энергия. В этот же момент времени волна напряжения - 3V
0/2 приходит к месту соединения линий 12, 13 и третьего отрезка СЛ 14. В результате в линию 12 отразится волна -V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)], в линию 13 пойдет волна V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-3)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)], а в третий отрезок СЛ волна -V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)].
В момент времени t = 3T
0 к месту соединения линий 5, 8 и 12 приходят три волны: по линии 5 - волна V
0/2, по линии 8 - волна V
0/2 и по линии 12 - волна -V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)]. В результате суперпозиции суммарная амплитуда волн напряжения, отраженных и прошедших в линии 5 и 8, равны нулю. Кроме того, напряжение и полный ток в каждой из указанных линий также становятся равными нулю. То есть к моменту времени t = 3T
0 завершается процесс полного отбора энергии из линий 5 и 8. В линию 12 в результате суперпозиции пойдет волна напряжения V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2), обнуляющая в ней как напряжение, так и полный ток. То есть начинается процесс полного отбора энергии из этой линий. К месту соединения линий 6 и 13 приходят две волны: по линии 6 - волна V
0, а по линии 13 - волна V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-3)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)]. В результате суперпозиции суммарная амплитуда волн напряжения, отраженных и прошедших в линию 6, равна нулю. К моменту времени t = 3T
0 завершается процесс полного отбора энергии из линии 6. В линию 13 пойдет волна напряжения V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)], обнуляющая в ней как напряжение, так и полный ток. То есть начинается процесс полного отбора энергии из этой линий. В этот же момент времени волна -V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)], распространяющаяся по третьему отрезку СЛ, достигает места ее соединения с четвертым отрезком СЛ. В результате в третий отрезок СЛ отразится волна напряжения -V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-3)], а в четвертый отрезок СЛ пройдет волна -V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-3)].
В момент времени t = 4T
0 к месту соединения линий 12, 13 и третьего отрезка СЛ 14 приходят три волны: V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)] по линии 12, V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)] по линии 13 и -V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-3)] по третьему отрезку СЛ. Суммарная амплитуда волн напряжения, отраженных и прошедших в линии 12 и 13, равна нулю, а в третий отрезок СЛ пойдет волна V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-3)]. К этому моменту времени завершается процесс полного отбора энергии из линий 12 и 13. Отбор энергии из остальных отрезков СЛ осуществляется аналогичным образом - первая электромагнитная волна начинает отбор энергии, а завершает этот процесс волна, приходящая со стороны разрядника 9 с задержкой на время 2T
0. В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии только первой электромагнитной волны. В момент времени t = 2T
0 в линию 14 с волновым сопротивлением Z
3 побежит волна напряжения -V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/[2(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-2)]. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии с разными волновыми сопротивлениями волна будет изменять свою амплитуду. В интервале времени iT
0-(i+1)T
0 волна будет распространяться по отрезку СЛ с номером i и ее амплитуда V
1i будет равна
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357540.gif)
В момент времени t = nT
0, когда первая волна напряжения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357541.gif)
приходит к выходу генератора, включается прерыватель тока 2, подключающий резистивную нагрузку 3 с импедансом Z
н. В результате прихода волны на нагрузке 3 формируется импульс напряжения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357542.gif)
а в результате размыкания прерывателя тока - импульс напряжения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357543.gif)
Суммарная амплитуда импульса напряжения, возникающего на нагрузке 3 в момент времени t = nT
0, равна
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357544.gif)
и остается постоянной в интервале времени nT
0-(n+2)T
0. В дальнейшем в общем случае на нагрузке формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2T
0. Генератор имеет наибольший КПД в согласованном режиме, когда Z
н = Z
n. В этом случае на нагрузке 3 формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения амплитудой V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/(2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
) и длительностью 2T
0. Энергия, переданная в течение импульса в согласованную нагрузку 3
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357545.gif)
равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357546.gif)
где E
C и E
L - энергия, запасаемая в генераторе в электрическом и магнитном поле соответственно;
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357547.gif)
электрическая емкость и индуктивность линий с соответствующими волновыми сопротивлениями.
Следовательно, к моменту времени t = (n+2)T
0 запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 3, и напряжение и ток в любом сечении генератора становятся равными нулю.
В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке формируется импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/(2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
), что превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа, равное V
0![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
(n+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
-1)/
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
, в 1,5 раза. Оптимальный выбор числа отрезков СЛ и величины
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
должен проводиться отдельно для каждого конкретного применения.
Правильность метода анализа волновых процессов в высоковольтных генераторах на ступенчатых линиях, подобного проведенному выше, была неоднократно подтверждена при создании ряда сильноточных импульсных ускорителей электронов с системами формирования импульсов ускоряющего напряжения на ступенчатых линиях /3-7/.
Генератор может быть выполнен в вариантах, использующих полосковые, коаксиальные и радиальные линии с распределенными параметрами.
Источники информации
1. Bossamykin V.S., Gordeev V. S., Pavlovskii A.I. New schemes for high-voltage pulsed generators based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V.1. PP. 511-516 (аналог - стр. 513, fig. 3с).
2. Патент на изобретение N 2121217. Генератор высоковольтных импульсов/ Гордеев B. C., Босамыкин B.C. - N 96112922; заявлено 20.06.96; опубликовано 27.10.98. Бюл. N 30.
3. Bossamykin V. S., Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et al. Pulsed power electron accelerator with the forming systems based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V.1. PP. 505-510.
4. Bossamykin V. S. , Gordeev V. S., Pavlovskii A.I. et al. STRAUS-2 electron pulsed accelerator// 9
th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP. 910-912.
5. Bossamykin V.S., Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et al. Linear induction accelerator LIA-10M// 9
th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP. 905-907.
6. B.C.Босамыкин, B.C.Гордеев, В.Ф.Басманов, В.О.Филиппов, Г.А.Мысков и др. Линейный индукционный ускоритель электронов ЛИУ-10М с индукторами на ступенчатых линиях //ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. -1997. - Вып. 4,5 (31, 32). С. 117-119.
7. B.C.Босамыкин, B.C.Гордеев, В.Ф.Басманов, В.О.Филиппов, Г.А.Мысков и др. Инжектор ускорителя ЛИУ-10М // ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. -1997. -Вып. 4,5 (31, 32). С. 120-122.
Формула изобретения
Генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных не менее двух отрезков однородных линий с распределенными параметрами с одинаковым временем задержки Т
0, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первых двух отрезков ступенчатой линии и разделяющий каждый из них на две однородные линии с волновыми сопротивлениями
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357548.gif)
соответственно, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, подключенные параллельно на выходе ступенчатой линии нагрузку и прерыватель тока, включенные в любом месте в разрыв заземленного электрода соединенные параллельно источник тока и разрядник, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной однородной линией с временем задержки Т
0, один из концов дополнительной однородной линии подключен между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения однородных линий с волновыми сопротивлениями Z
1 и Z
2, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной однородной линии, волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/35/357553.gif)
где Z
1 - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3, 4,..., n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной однородной линии,
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
- отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля,
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным V
0/I
0 = Z
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
3(n +
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
- 1)/2.
РИСУНКИ
Рисунок 1