генерация мощных электрических импульсов
advertisement
188 Теоретическая Физика, 8, 2007 г. ГЕНЕРАЦИЯ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ c 2007 В.В. Каштанов, А.В.Сапрыгин1 ° Аннотация Проведен обзор научно-технической литературы по импульсновысоковольтной тематике. Рассмотрены основные вопросы, решаемые физикой и техникой генерации периодических высоковольтных импульсов микро-миллисекундного диапазона длительностей. 1. Введение. Развитие современной радиоэлектроники и прикладной физики привело к расширению применения мощных высоковольтных квазипрямоугольных импульсов микро-миллисекундной длительности. Мощные модулирующие и электрофизические импульсы применяются в установках термоядерного синтеза, ускорителях элементарных частиц и самых разнообразных электрофизических устройствах для получения интенсивных электрических и магнитных полей, генерации ударных волн в жидкостях, исследования электрической прочности диэлектриков и сред и так далее. Специфика высоких напряжений и мощной импульсной техники, резко сужающая границы и номенклатуру применяемой элементной базы и одновременно повышающая технологические требования к узлам и элементам устройств, приводит к трудно преодолимым физическим, технологическим и экономическим препятствиям, часто останавливающим внедрение в практику, казалось бы, работоспособных идей. Эта же специфика практически исключает механическое перенесение современного обширнейшего опыта низковольтной радиоэлектроники в высоковольтную технику. Поэтому экспериментальный опыт в данной области имеет особую цену. Проблемы генерации, формирования и трансформации мощных коротких импульсов регулярно обсуждаются на ежегодных международных симпозиумах в Европе, Азии и США, их актуальность подтверждается многочисленными ежегодными конференциями по ускорителям элементарных частиц с обязательными секциями импульсно-высоковольтной тематики. 2. Обзор. Построение современных мощных импульсных генераторов весьма разнообразно и определяется в первую очередь видами и режимами применяемых накопителей энергии (НЭ) и коммутирующих приборов. Различные сочетания накопителей и коммутаторов при удачном схемном построении дают возможность получать требуемые параметры выходных импульсов. По своей значимости из множества проблем, решаемых физикой и техникой генерации мощных периодических высоковольтных импульсов микро-миллисекундного диапазона длительностей, наряду с созданием экономичных высоковольтных коммутаторов выделяются: – создание эффективных формирующих и формирующе-трансформирующих емкостных, индуктивных и индуктивно-емкостных НЭ, а также устройств и цепей пассивной и активной коррекции формы коротких импульсов; – изыскание путей сокращения габаритов, веса и стоимости генерирующих устройств; 1 Каштанов Виктор Владимирович, Сапрыгин Алексей Владимирович, эл. почта: SapryginAV@info.sgu.ru, кафедра радиотехники и электродинамики, Саратовский государственный университет, Саратов, 410012, Россия. Генерация мощных электрических импульсов 189 – исследование повышающей и понижающей трансформации квазипрямоугольных микро-миллисекундных импульсов прежде всего трансформаторами с ферросердечниками; – создание устройств, генерирующих мощные периодические квазипрямоугольные импульсы прецизионной формы с особенно крутыми фронтом и срезом и весьма малой неравномерностью вершины; – решение комплекса задач, связанных с созданием устройств, генерирующих мощные и сверхмощные по возможности более короткие периодические импульсы при индуктивном накоплении энергии. Индуктивные накопители многократно превосходят емкостные накопители по запасаемой удельной энергии, что резко уменьшает их сравнительные габариты, вес и стоимость. Для получения высоковольтных импульсов с помощью индуктивных НЭ не нужны источники питания высоких напряжений. Однако для их применения необходимы быстродействующие высоковольтные размыкающие коммутаторы периодического действия с малым внутренним сопротивлением, разработка которых для высоких уровней мощности до сих пор является нерешенной проблемой. Описаны лишь некоторые возможные вариации приспособлений известных замыкающих устройств (водородных тиратронов, насыщающихся ферросердечников со встречными обмотками и так далее) для выполнения функции размыкающего ключа [1, 2]. В [3] для разрыва зарядного тока индуктивного НЭ нами используется специальная гасящая линия. Эффект разрыва тока обеспечивается обратной перезарядной волной напряжения этой линии. Длительность фронта выходных импульсов генератора при этом определяется фронтом обратной волны и ограничивается крутизной кривой повторных зажиганий водородного тиратрона. Для получения квазипрямоугольной формы импульсов в простейшем случае может быть использована короткозамкнутая искусственная линия. В 1991 году был открыт SOS-эффект (Semiconductor Opening Switch) высокоскоростного обрыва (единицы наносекунд) больших токов в полупроводниковых структурах [4]. Последующая разработка прерывателей тока периодического действия — SOS-диодов позволила осуществить генерацию экспоненциальных импульсов длительностью до 60 нс с индуктивными НЭ при напряжениях до 1 МВ и разрывной мощности до 6 ГВт. Максимальная частота повторения - до 1-2 кГц. SOS-диоды, однако, требуют для обрыва тока обязательных стадий прямой (0,3-0,6 мкс) и обратной (0,04-0,15 мкс) накачки током. SOS-эффект существует лишь при определенном сочетании плотности тока и времени накачки [5]. Это определяет специфическое схемное построение генераторов с SOS-прерывателями [6, 7], при котором энергия, запасаемая в выходном индуктивном НЭ, предварительно накапливается в нескольких емкостных НЭ высоких напряжений. Отмеченное выше преимущество индуктивных НЭ по плотности энергии в таких устройствах теряется, используется лишь увеличение выходного напряжения импульсов по отношению к напряжению питания. Поэтому широкое применение SOS-прерывателей в микро-миллисекундном диапазоне возможно лишь после нахождения соответствующих схемных решений и разработки SOS-диодов со значительно большими временами прямой и обратной накачки. Широкого применения индуктивных НЭ следует ожидать лишь при внедрении в область генерации мощных периодических импульсов техники сверхпроводников, которые позволят увеличить постоянную времени НЭ, а также при существенном прогрессе в технике разрывных полупроводниковых коммутаторов. Тем не менее параметры современных запираемых тиристоров, полевых транзисторов и биполяр- 190 В.В. Каштанов А.В. Сапрыгин ных транзисторов с изолированном затвором [8] уже сейчас позволяют эффективно использовать индуктивные НЭ для генерации с выходным импульсным трансформатором высоковольтных микросекундных периодических импульсов малой и средней мощности. В отличие от индуктивных широко применяются емкостные НЭ. Используются как полный, так и частичный режимы разряда емкостных накопителей энергии. Для получения электрофизических квазипрямоугольных импульсов прецизионной формы применяются двухключевые генераторы с частичным разрядом емкостных НЭ и мягкими коммутаторами [9, 10]. Простота изменения длительности импульса является одним из важных достоинств таких генераторов. При использовании в качестве НЭ накопительной емкости или корректированной по фронту искусственной линии длительности фронта и среза выходных импульсов определяются временем включения коммутаторов. Для современных мощных водородных тиратронов это время составляет десятки наносекунд. В случае применения в таких генераторах нелинейных ферритовых обострителей длительности фронта и среза могут быть доведены до единиц наносекунд. Неравномерность вершины определяется выбранным видом НЭ. В наиболее совершенном устройстве [10] в качестве накопителя энергии используется корректированная искусственная линия в режиме частичного разряда, что позволяет получить неравномерность вершины менее 0,1%. В качестве элемента, определяющего формирование среза, при включении второго коммутатора используется вторая, перезаряжающаяся в режиме короткого замыкания гасящая корректированная линия. Сочетание двух линий в устройстве позволяет резко повысить коэффициент полезного действия генератора и допустимую частоту повторения его импульсов. Общим недостатком двухключевых генераторов (в том числе и устройства [10]) является недопустимое снижение КПД при повышении частоты повторения импульсов до сотен герц. Пока не найдено пути существенного повышения КПД таких устройств, поэтому единственным вариантом генератора с частичным разрядом НЭ, пригодным для генерации коротких импульсов в доли и единицы микросекунд с высокой частотой повторения, остается жесткий модулятор с мощным электронным управляемым коммутатором [11, 12]. Традиционно из-за технологической простоты в современных мощных и сверхмощных импульсных генераторах в качестве емкостных НЭ по-прежнему широко применяются формирующие искусственные линии (ИЛ) [13]. В сверхмощном модуляторе с напряжением импульсов 500 кВ, током 530 А и длительностью 1,5 мкс линейного ускорителя на 500 ГэВ – 1 ТэВ международной организации ускорителей высокой энергии КЕК [14], применяемом для модуляции двух 75-мегаваттных клистронов [15], используются 11-ячеечные цепочечные ИЛ фиксированных параметров с взаимной магнитной связью между ячейками [16]. В ускоритель входят более двух тысяч таких модуляторов. В модуляторе с напряжением импульсов 350 кВ, током 317 А и длительностью 2,5 мкс, применяемом в электронно-протонном линейном ускорителе для модуляции двух 50-мегаваттных клистронов (4080 клистронов в системе ускорителя), используются 18-ячеечные цепочечные ИЛ без взаимной магнитной связи между ячейками, но с перестраиваемыми параметрами ячеек [17]–[19]. В мощном генераторе питания магнитов ускорительной системы импульсами тока длительностью 9,8 мкс используется 12-ячеечная ИЛ (напряжение заряда - 40 кВ) без взаимоиндукции с перестраиваемыми звеньями [20]. Импульсы указанных генерирующих устройств имеют большие относительные длительности фронта и среза из-за повышенной входной индуктивности ИЛ [21] Генерация мощных электрических импульсов 191 и сравнительно большую неравномерность вершины (1%). Однако в ряде случаев необходимы значительно меньшая неравномерность вершины (до 0,1–0,2%) и малые относительные длительности фронта и среза [22], требующие сложного технологического исполнения ИЛ с перестраиваемыми вариометрами [23]. Более эффективными и технологически простыми формирующими НЭ являются корректированные искусственные линии (КИЛ) [24, 25]. По сравнению с некорректированными ИЛ корректированные линии имеют целый ряд преимуществ. При активной нагрузке длительность фронта импульсов КИЛ определяется только временем включения коммутатора. Поэтому отпадает необходимость в большом числе ячеек линии для получения крутого фронта. Уменьшение неравномерности вершины достигается в результате сглаживающего действия корректирующей фронт цепи на колебания вершины импульсов искусственной линии. Это сглаживающее действие цепи уменьшает также влияние температуры и старения элементов на неравномерность и облегчает настройку КИЛ. Неравномерность вершины импульсов КИЛ всегда меньше ее величины у импульсов ИЛ, входящей в состав корректированной линии. Это позволяет получить малую неравномерность уже для однородных искусственных линий КИЛ при высокой добротности ячеек. При неоднородной ИЛ без взаимной магнитной связи между ячейками и корректирующей цепи высокого порядка в согласованном режиме полного разряда может быть получена неравномерность вершины в десятые доли процента при повышенном значении первой индуктивности еще меньше. В отличие от некорректированной линии КИЛ может использоваться в режиме частичного разряда. При ее частичном разряде растянутый срез и послеимпульсы отсекаются выключением коммутирующей лампы или включением шунтирующего коммутатора, а значительное рассогласование позволяет резко уменьшить получаемую неравномерность вершины импульсов. Коэффициент использования зарядного напряжения двойных формирующих линий (ДФЛ) приближается к единице, что выгодно отличает их от одинарных искусственных линий (ИЛ) и позволяет почти вдвое уменьшить требуемое зарядное напряжение накопителя энергии. Технологически ДФЛ (линии Блюмляйна) относительно просты, поэтому они также широко применяются в качестве формирующих емкостных НЭ. В серии модуляторов с мощностью 280 МВт, напряжением 560 кВ и длительностью импульсов 0,8-2,4 мкс, питающих клистроны линейных коллайдеров международной организации КЕК [26, 27] применены однородные ДФЛ с повышенной входной индуктивностью и числом ячеек 13-20. Экспериментально достигнутая неравномерность вершины составляет 2%, относительные длительности фронта и среза доходят до 30-40%. Исследования формы импульсов ДФЛ, проводившиеся в Лаборатории плазмы Корнелльского университета США [28], показали, что однородная ДФЛ формирует импульсы с неприемлемо высокой неравномерностью вершины. Вследствие этого для формирования сверхмощных импульсов использована комбинация одинарных ИЛ с несколькими синхронными коммутаторами и сложной зарядной системой. Однако такого усложнения генерирующего устройства можно избежать, оптимизируя параметры ДФЛ. Проведенные нами исследования возможностей различных формирующих цепей позволили построить новую полезную модификацию цепочечной ИЛ - замкнутую искусственную линию (ЗИЛ). Длительность импульсов ЗИЛ определяется временем пробега волны в одну сторону, так как ее разряд производится двумя встречными разрядными волнами. Согласованный разряд ЗИЛ достигается при ее волновом сопротивлении, вдвое 192 В.В. Каштанов А.В. Сапрыгин превышающем сопротивление нагрузки. ЗИЛ проще реализовать в случае короткой длительности импульсов в десятые доли микросекунды и низкого волнового сопротивления, когда распределенная формирующая линия еще имеет недопустимо большие габариты, а реализация малых сосредоточенных индуктивностей ячеек ИЛ становится затруднительной. Малое волновое сопротивление линии требуется, например, в случае ее использования для генерации мощных импульсов вместе с повышающим импульсным трансформатором высокого коэффициента трансформации. Применение ЗИЛ позволяет легко осуществлять двукратное изменение длительности импульсов и сопротивления нагрузки без каких-либо существенных изменений в линии. Расчеты формы импульсов ЗИЛ показали возможность получения при согласованном разряде качественной формы с неравномерностью вершины в десятые доли процента введением малой неоднородности ячеек. Одновременно при этом достигается максимальная протяженность плоской части вершины. Реализация и настройка такого формирующего НЭ значительно проще, чем ИЛ с магнитной связью между ячейками, описанной в [23]. Исследования таких сложных электрических цепей, как ИЛ, КИЛ, ДФЛ, ЗИЛ, напрямую связаны с возможностями методов, применяемых для расчета и оптимизации формы их импульсов. Сложность цепей и высокий порядок уравнений, описывающих происходящие в них процессы, практически исключают возможность их исследования без применения ЭВМ. Хотя происходящие при формировании импульсов переходные процессы в сложных цепях могут рассчитываться и другими методами (например, с помощью теоремы Хевисайда, рекуррентными формулами, полученными на основе интегралов наложения, и так далее), наиболее широко для этой цели применяются именно численные методы решения систем дифференциальных уравнений цепей, так как они в наилучшей степени сопрягаются с требованиями и возможностями ЭВМ и исключают необходимость точного расчета корней характеристических уравнений высоких порядков [29]–[31]. Эффективность современных численных методов применительно к задачам теории цепей широко исследуется, имеется соответствующая обширная библиография. Тем не менее нельзя считать, что такие основные вопросы расчета, как получение достоверной точности и надежной расчетной устойчивости, решены даже для таких давно и широко применяемых методов, как методы Рунге-Кутта. Это в особенности касается жестких систем дифференциальных уравнений, характеризующихся большим различием в величинах собственных значений спектра матрицы А (корней характеристического уравнения). В фундаментальных монографиях [32]–[35], рассматривающих теоретические вопросы возможностей и применения вычислительных методов, прямо указывается на недостаточность приведенного в литературе анализа полной ошибки расчета и отсутствие корректных и достоверных формул ее оценки. В целом вопрос о том, какова тенденция накопления погрешностей при использовании данного метода (разностной схемы), то есть вопрос об адекватности полученного численного решения истинному решению уравнения, остается открытым [29]. При выборе метода вычисления вопросы точности должны быть согласованы с вопросами устойчивости [29, 34]. В связи с тем, что возникновение числовой неустойчивости связано с непредсказуемым нарастанием погрешности при большом числе шагов на интервале наблюдения, оно может быть существенно ослаблено или устранено сокращением числа шагов в тех частях интервала, где крутизна расчетной кривой невелика. Это может быть осуществлено автоматическим изменением шага в ходе решения в результате оценки и сравнения локальных погрешностей на каждом Генерация мощных электрических импульсов 193 шаге. Явные методы с автоматическим изменением шага Рунге-Кутта-Меерсона и Рунге-Кутта-Фельберга обеспечивают погрешность интегрирования того же порядка, что и методы Рунге-Кутта, но повышают устойчивость решения. Анализируя возможности методов расчета на современном уровне [29, 30], следует сделать вывод, что интегрирование нежестких систем дифференциальных уравнений, а также систем малой жесткости можно проводить явными методами с изменяющейся сеткой шага (прежде всего традиционными методами Рунге-Кутта и особенно методом Рунге-Кутта-Фельберга с автоматическим изменением шага), а в случае затруднений с устойчивостью решений - неявными методами и прежде всего методом трапеций. При этом допустимо оценивать возможную расчетную погрешность (все же не глобальную) по погрешности метода. Для методов Рунге-Кутта и Рунге-Кутта-Фельберга погрешность метода имеет порядок hm+1 , где m – порядок метода. Учитывая возможность непредсказуемого возрастания накопленной ошибки, следует вводить запас по погрешности метода. Методами Рунге-Кутта и Рунге-Кутта-Фельберга проводились расчеты импульсов КИЛ, ЗИЛ и ДФЛ. Расчет импульсов методом Рунге-Кутта 4 порядка с шагом 0,1 для согласованного разряда ДФЛ показал, что относительная неравномерность вершины импульсов однородной ДФЛ велика и в отличие от ИЛ существенно возрастает с увеличением числа ячеек n [36]. Несмотря на то что приводящие к скосу вершины [37] активные потери энергии в звеньях линии все же уменьшают значения девиаций, большая неравномерность вершины резко ограничивает применение однородных ДФЛ. Плоская вершина может быть получена у импульсов неоднородной линии [38, 39]. При n = 6-100 неравномерность вершины формируемого импульса можно резко снижать до уровня 1-2%, изменяя индуктивности ячеек только левой линии ДФЛ и оставляя правую линию однородной. Изменения индуктивностей левой линии оказывают более сильное влияние на форму импульсов, чем изменения правой. Можно получить относительную неравномерность вершины 0,5% без нежелательного понижения нормированной амплитуды импульса менее единицы. Малая неравномерность вершины достигается ценой некоторого растяжения фронта и среза по сравнению с импульсом однородной ДФЛ. Однако относительные длительности фронта и среза уменьшаются с ростом n, что позволяет достигать хорошей квазипрямоугольной формы импульсов неоднородной ДФЛ при увеличении числа ее ячеек. Исследования возможностей несогласованного режима ДФЛ показали, что положительное рассогласование линии с нагрузкой повышает коэффициент использования зарядного напряжения более единицы [40]. Анализ неоднородных ДФЛ с 7-8-кратным положительным рассогласованием показал, что и при коэффициенте использования зарядного напряжения 1,8 неравномерность вершины можно снижать до 0,5%, достигая высокого качества формы. Генерация мощных импульсов современных параметров невозможна без применения высоковольтных импульсных трансформаторов (ИТ). Мощные ИТ с ферросердечником широко применяются в качестве выходных устройств в мягких генераторах или используются для межкаскадной связи. Получаемая форма выходных импульсов во многом определяется свойствами ИТ, особенно при большом коэффициенте трансформации. Применение выходных повышающих ИТ позволяет резко сократить габариты, вес и стоимость генерирующих устройств [41], хотя и негативно влияет на форму квазипрямоугольных импульсов, увеличивая относительные длительности фронта, среза и неравномерность вершины. В связи с этим величина коэффициента трансформации Кт современных выходных ИТ при длительности 194 В.В. Каштанов А.В. Сапрыгин импульсов в единицы и десятки микросекунд возрастает до 10-20 и более [42]. В [43, 44] разработан ИТ с коэффициентом трансформации Кт = 14, в [17, 19] ИТ имеет Кт = 15. В сверхмощном модуляторе с напряжением импульсов 700 кВ [28] используют два ИТ с общим коэффициентом трансформации Кт = 20. Повышение Кт приводит, однако, к росту динамических паразитных параметров ИТ [45] и требует более строгого анализа их влияния на форму трансформируемых импульсов, прежде всего на фронт и наложенные колебания вершины, определяющие ее неравномерность. При строгом анализе фронта необходимо учитывать распределенный характер паразитной емкости между обмотками, а также индуктивностей рассеяния и емкостей обмоток трансформатора. Общий анализ ИТ как распределенной системы пока отсутствует. В [45, 46] фронт анализируется на основе предельно упрощенной эквивалентной схемы второго порядка с сосредоточенными емкостью и индуктивностью, определяемыми из энергетических соображений. При этом считается, что большая часть электрической энергии паразитной емкости запасается в обмотке высшего напряжения. Между тем использование такой схемы недопустимо при соизмеримости приведенных емкостей первичной и вторичной цепей, включающих в себя паразитные емкости обмоток, нагрузки и генератора, так как нельзя отдать предпочтение ни одной из них. Кроме того, при резком различии приведенных емкостей, когда, казалось бы, можно ограничиться одной из них, возможно формирование фронта с паразитными колебаниями, наложенными на самом фронте, а не на вершине. Такие колебания должны быть исключены, например, при импульсной модуляции мощных магнетронных генераторов. Но схема второго порядка не только не позволяет определить условия их появления, но и исключает само их существование. В [45, 46] такой вид искажения фронта прямоугольного импульса отсутствует. Поэтому необходимо учитывать как минимум разделение емкостей обмоток индуктивностью рассеяния, то есть использовать эквивалентную схему ИТ третьего порядка. Строгий анализ такой цепи проведен в [47]. Как и всякий модельный расчет сложных физических явлений, он, естественно, обеспечивает лишь приближения к реальным процессам в ИТ. Однако его результаты могут быть использованы с допустимой точностью для множества практических применений ИТ, когда приведенные емкости соизмеримы и большая их часть имеет сосредоточенный характер. При повышении коэффициента трансформации динамическая паразитная емкость между обмотками возрастает и становится соизмеримой с входной и выходной емкостями. Ее влиянием нельзя пренебрегать, и для расчета фронта и наложенных колебаний вершины необходимо использовать эквивалентную схему ИТ четвертого порядка, включающую в себя все основные паразитные емкости. Анализ передачи фронта прямоугольного импульса на основе схемы четвертого порядка позволил построить общую диаграмму возможных режимов формирования фронта в зависимости от обобщенных параметров X и Y. В отличие от диаграммы Вышнеградского И.А. [47], построенная диаграмма имеет области колебательных режимов с двумя составляющими. Существование таких режимов необходимо учитывать при разработке ИТ с высоким коэффициентом трансформации, так как суперпозиция двух разночастотных затухающих колебаний может привести к недопустимым и трудноустранимым искажениям фронта и вершины выходных импульсов. Одним из важнейших вопросов проектирования высоковольтных короткоимпульсных ИТ является выбор вида и соединения их обмоток. Конструкция и изоляция обмоток, их размещение на сердечнике ИТ определяют значения эквивалентных паразитных параметров, от соотношения которых зависит режим формирования Генерация мощных электрических импульсов 195 фронта, среза и начальной части вершины трансформируемых импульсов. Начиная с ранних публикаций конструкция ИТ строится на основе критического режима его переходной характеристики. Критический режим обеспечивает наиболее крутой фронт при отсутствии наложенных колебаний вершины, увеличивающих ее неравномерность. Такой критерий при принятой простейшей модели — эквивалентной схеме второго порядка — резко упрощает задачу расчета и позволяет найти тривиальные расчетные формулы, которые, однако, дают лишь нулевое, часто резко отличное приближение к реальным процессам в высоковольтном ИТ. Необходимо более точное приближение к реальным процессам в ИТ, всегда требующее последующей экспериментально-итерационной корректировки. Применяемые импульсы всегда имеют фронт конечной крутизны из-за неидеальности ключа (например, конечности времени ионизации водородного тиратрона, ртутного игнитрона, времени коммутации импульсных транзисторов и тиристоров и так далее) и неизбежного влияния паразитных параметров самого коммутатора. Поэтому уже в первом приближении необходим учет влияния конечного по крутизне входного фронта ИТ на выходной. Исследование влияния крутизны линейного фронта на наложенные колебания вершины показало, что амплитуда колебаний переходной характеристики ИТ резко уменьшается при длительности фронта, кратной периоду колебаний, причем сглаживание растет с уменьшением затухания колебаний. Поэтому выбор конструкции ИТ и вида его обмоток на основе только критического режима формирования фронта не обоснован. При трансформации квазитрапецеидальных импульсов вполне допустимо и более эффективно использование колебательного режима переходной характеристики. В случае высокого коэффициента трансформации необходимо исключить режимы с двумя гармоническими составляющими, так как в этом случае сглаживание наложенных колебаний ослабляется. Сглаживание колебаний проявляется и при экпоненциальном фронте, хотя и с меньшей эффективностью, чем при линейном и особенно ступенчатом (с дополнительной прямоугольной ступенькой) фронте. В последнем случае может достигаться полное устранение колебаний вершины импульса [48, 49]. В целом модельные исследования трансформации квазипрямоугольных импульсов при близком к единице коэффициенте связи обмоток показали, что существенное повышение точности расчета мощных высоковольтных ИТ может быть получено только при учете формы и длительности фронта входных импульсов ИТ. Одновременно при этом резко упрощается выбор типа применяемых обмоток. Проектирование ИТ на основе критического или околокритического режимов формирования фронта переходной характеристики рационально лишь при диапазонной трансформации импульсов с разными длительностями фронтов. При фиксированной длительности входного фронта (это значительно чаще встречается на практике) и его форме, приближающейся к линейной, с резким скачком производной напряжения в начале вершины, следует использовать колебательный режим, так как это может обеспечить меньшие искажения выходного фронта. Нередко возникает необходимость в ИТ с повышенным расстоянием между обмотками, обеспечивающим их высокую взаимную изоляцию. Коэффициент магнитной связи между обмотками при этом много меньше единицы, индуктивности рассеяния соизмеримы с индуктивностью намагничивания. Проведенный анализ передачи прямоугольных импульсов ИТ со слабой связью [50, 51] показал, что при оптимальных соотношениях конструктивных параметров ИТ возможно получение качественной формы выходных импульсов. Габариты, вес, а часто и стоимость модуляторов СВЧ-генераторов ускорителей 196 В.В. Каштанов А.В. Сапрыгин элементарных частиц значительно превосходят эти показатели у самих модулируемых СВЧ-приборов, поэтому поиск путей их резкого снижения всегда являлся и остается одним из основных вопросов разработки ускорителей. Существенный прогресс в его решении может быть достигнут, если использовать совмещение функций в элементах генератора импульсов [52] и достижения современной техники силовых полупроводниковых коммутаторов. Сравнение генераторов (модуляторов) жесткого и мягкого типов при длительностях импульсов микро-миллисекундного диапазона показывает, что мягкие модуляторы всегда имеют меньшие массу и габариты. По существу из всех крупногабаритных узлов традиционного мягкого модулятора только накопитель энергии и коммутатор неизбежны. Остальные узлы и элементы так или иначе могут быть исключены или заменены. В то же время размеры и вес модулятора определяются в основном не указанными необходимыми узлами, а всей остальной его частью и изоляционными расстояниями между высоковольтными элементами. Поэтому габариты модулятора могут быть существенно сокращены прежде всего изменением схемного построения “неосновной” части и понижением потенциалов высоковольтных точек устройства. Из “неосновных” узлов наибольшие размеры и вес имеют высоковольтные выпрямители питания и преобразователи частоты, хотя и повышающий ИТ, и системы заряда также имеют размеры, соизмеримые с коммутатором, а иногда и с накопителем энергии. Как показано в [41], даже многократное понижение напряжения не всегда может обеспечить резкое сокращение размеров накопительных батарей. Тем не менее можно ориентироваться на тенденцию понижения размеров НЭ при уменьшении их рабочего напряжения, так как при этом обычно возрастает их удельная энергия. Поскольку понижение напряжения уменьшает также изоляционные расстояния (что ведет еще и к уменьшению габаритов индуктивностей ячеек НЭ), в целом желательно понижение зарядного напряжения. Анализ показывает, что при современной элементной базе и питании модулятора от промышленной сети весьма эффективно использование систем импульсного заряда емкостных НЭ, исключающих наиболее крупные и тяжеловесные узлы традиционного мягкого модулятора - преобразователь частоты, высоковольтные силовой трансформатор и фильтр и так далее. В отдельных случаях, когда рационально применение высоковольтных формирующих линий, использование импульсного заряда накопителя делает ненужным выходной ИТ. Зависимость зарядного напряжения НЭ от времени его заряда позволяет с помощью соответствующей обратной связи осуществлять стабилизацию и регулировку амплитуды модулирующих импульсов. При импульсном заряде могут быть значительно увеличены быстродействие и эффективность защиты от пробоев модулируемого СВЧ-генератора. Наиболее эффективными способами импульсного заряда при генерации мощных микро-миллисекундных импульсов относительно высокой частоты повторения являются заряды с помощью трансформатора напряжения (ЗТН) и с применением индуктивного трансформаторного накопителя энергии (зарядного трансформатора тока – ЗТТ). Как показано в [53], ЗТН работает в своеобразном режиме, при котором длительность входного квазипрямоугольного напряжения равна “фронту” выходного напряжения. Использование ЗТТ позволяет регулировать и стабилизировать зарядное напряжение НЭ изменением времени его токового заряда. Габариты ЗТН и ЗТТ оказываются соизмеримыми с габаритами зарядного дросселя традиционного мягкого модулятора. Представляется оптимальным сочетание в модулирующем устройстве импульсного заряда НЭ с применением выходного ИТ повышенного коэффициента трансформации, когда дальнейшее увеличение Кт ограничивается Генерация мощных электрических импульсов 197 недопустимыми искажениями формы импульсов. Для устранения негативного влияния малой индуктивности намагничивания ИТ с высоким коэффициентом трансформации на вершину импульсов в качестве НЭ необходимо использовать неоднородный формирователь. 3. Заключение. По каждому из затронутых в предлагаемой работе аспектов генерации мощных высоковольтных микро-миллисекундных импульсов к настоящему времени опубликовано множество других неуказанных статей и монографий. По разным причинам невозможно охватить в данной статье хотя бы большую их часть. Многие работы имеют закрытый характер. Все же представляется возможным сделать общий вывод, что до сих пор широко используются лишь традиционные построения генерирующих устройств, несмотря на повышение требований к их параметрам, но при этом растут масштабы их использования и, соответственно, стоимость. Поэтому следует ожидать значительного расширения научного поиска принципиально новых видов генераторов мощных периодических импульсов, как с емкостным, так и особенно с индуктивным накоплением энергии. Список литературы [1] Коренев, С.А. / С.А. Коренев, И.Б. Енчевич, М.К. Михов // ПТЭ. – 1987. – № 2. – С. 13-14. [2] А.С. 387508 СССР. / А.В. Ивлев // Опубл. 05.10.73. Бюл. № 27. [3] А.С. 1212288 СССР. / В.В. Каштанов // Опубл. 30.09.83. [4] Любутин, С.К. / С.К. Любутин, С.Н. Рукин, С.П. Тимошенков // IX Cимпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Россия. – 1992. – С. 218-219. [5] Дарзнек, С.А. / С.А. Дарзнек, С.К. Любутин [и др.] // Электротехника. – 1999. – № 4. – С. 20-28. [6] Рукин, С.Н. / С.Н. Рукин // ПТЭ. – 1999. – № 4. – С. 5-36. [7] Загулов, Ф.Я. / Ф.Я. Загулов, В.В. Кладухин [и др.] // ПТЭ. – 2000. – № 5. – С. 71-76. [8] Флоренцев, С.Н. / С.Н. Флоренцев // Электротехника. – 1999. – № 4. – С. 2-10. [9] Кощеев, Л.Г. / Л.Г. Кощеев // ПТЭ. – 1976. – № 4. – С. 120-122. [10] А.С. 947944 СССР / Каштанов В.В // Опубл. 1982. Бюл. № 27. [11] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов, А.В. Сапрыгин [и др.] // ПТЭ. – 1999. – № 4. – С. 109-112. [12] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов, А.В. Сапрыгин [и др.] // Саратов: Труды 8 международного совещания: “Динамика и оптимизация пучков”, 2001. – С. 139-144. [13] Кучинский, Г.С. / Г.С. Кучинский, О.В. Шилин [и др.] // Электричество. – 1999. – № 8. – C. 24-32. 198 В.В. Каштанов А.В. Сапрыгин [14] Shintake, T. / T. Shintake [et al.] // Particle Accelerator Conference (PAC-97). – Vancouver, Canada. 1997. http://www.triumf.ca/pac97/papers/vol1.html, 3W007, P.533. [15] Kootz, R. / R. Kootz [et al.] // Klystron Modulator Workshop, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), USA. 1998. http://www.slac.stanford.edu/grp/kly/mkw/nlc.htm [16] Akemoto, M. / M. Akemoto [et. al.] // Asian Particle Accelerator Conference (APAC-98), Tsukuba, Japan. 1998. http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/a98/APAC98/4D038.PDF [17] Baba, H. / H. Baba [et al.] // Asian Particle Accelerator Conference (APAC-98). – Tsukuba, Japan. 1998. http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/a98/APAC98/4D031.PDF [18] Matsumoto, H. / H. Matsumoto [et al.] // Asian Particle Accelerator Conference (APAC-98), Tsukuba, Japan. 1998. http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/a98/APAC98/4D030.PDF [19] Oh, J.S. / J.S. Oh [et al.] // Asian Particle Accelerator Conference (APAC-98). – Tsukuba, Japan. 1998. http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/a98/APAC98/4D032.PDF [20] Jensen, C.C. / C.C. Jensen // Particle Accelerator Conference (PAC-97). – Vancouver, Canada. 1997. http://www.triumf.ca/pac97/papers/vol1.html, P.1284, 7P084. [21] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов // Известия вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. – 1976. – Т. 19. – № 7. – С. 51-58. [22] Гладких, М.А. / М.А. Гладких, А.М. Долгов [и др.] // ПТЭ. – 1985. – № 3. – С. 119-121. [23] Аристархов, С.П. / С.П. Аристархов, А.В. Муратов [и др.] // ПТЭ. – 1992. – № 2. – С. 147-149. [24] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов // ПТЭ. – 1998. – № 1. – С. 92-95. [25] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов, А.В. Сапрыгин, В.П. Степанчук [и др.] // ПТЭ. – 1992. – № 5. – С. 40-43. [26] Akemoto, M. / M. Akemoto [et al.] // Klystron Modulator Workshop, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). USA. 1998. http://www.slac.stanford.edu/grp/kly/mkw /mitsuo_k.htm [27] Akemoto, M. / M. Akemoto [et al.] // XIX International Liner Accelerator Conference (LINAC-98), Chicago, USA. – 1998. http://www.aps.anl.gov/conferences/linac98 /papers/th4069.pdf Генерация мощных электрических импульсов 199 [28] Ivers, J.D. / J.D. Ivers [et al.] // Particle Accelerator Conference (PAC-95), USA. – 1995. – IEEE. http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/p95/articles/tae/tae12.pdf [29] Демирчян, К.С. Моделирование и машинный расчет электрических цепей / К.С. Демирчян, П.А. Бутырин. – М., 1988. [30] Ракитский, Ю.В. Численные методы решения жестких систем / Ю.В. Ракитский, С.М. Устинов, И.Г. Черноруцкий. – М., 1979. [31] Демирчян, К.С. / К.С. Демирчян, Ю.В. Ракитский [и др.] // Известия АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. – 1982. – № 2. – С. 94-114. [32] Бахвалов, Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов. – М., 1973. [33] Чуа, Л. Машинный анализ электронных схем: алгоритмы и вычислительные методы / Л. Чуа, Пен Мин Лин. – М., 1980. [34] Ильин, В.Н. Машинное проектирование электронных схем / В.Н. Ильин. – М., 1972. [35] Ильин, В.Н. Основы автоматизации схемотехнического проектирования / В.Н. Ильин. – М., 1979. [36] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов, А.В. Сапрыгин, А.Ю. Цаплин // Вопросы прикладной физики. Саратов. – 1998. – № 4. – С. 73-74. [37] Сапрыгин, А.В. / А.В. Сапрыгин, В.В. Каштанов // Труды 8 международного совещания: “Динамика и оптимизация пучков” . Саратов. – 2001. – С. 145-149. [38] Сапрыгин, А.В. / А.В. Сапрыгин, В.В. Каштанов // Труды 6 международного совещания: “Динамика и оптимизация пуч-ков” . Саратов. – 1999. – С. 159-164. [39] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов, А.В. Сапрыгин // Электротехника. – 2001. – № 8. – С. 16-20. [40] Сапрыгин, А.В. / А.В. Сапрыгин // Вопросы прикладной физики. – Саратов, 2001. – № 7. – С. 44-45. [41] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов, А.В. Сапрыгин // Вопросы прикладной физики.– Саратов, 1997. – № 3. – С. 75-78. [42] Gamp, A. / A. Gamp // Particle Accelerator Conference (PAC-97), Vancouver, Canada. – 1997. http://www.triumf.ca/pac97/papers/index.html [43] Akemoto, M. / M. Akemoto [et al.] // Particle Accelerator Conference (PAC-97), Vancouver, Canada. – 1997. http://www.triumf.ca/pac97/papers/vol1.html, P.1322, 7P098. [44] Akemoto, M. / M. Akemoto [et al.] // Particle Accelerator Conference (PAC-97), Vancouver, Canada. – 1997. http://www.triumf.ca/pac97/papers/index.html 200 В.В. Каштанов А.В. Сапрыгин [45] Вдовин, С.С. Проектирование импульсных трансформаторов / С.С. Вдовин. – Л., 1991. [46] Матханов, П.Н. Расчет импульсных трансформаторов / П.Н. Матханов, Л.З. Гоголицын. – Л., 1980. [47] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов // Радиотехника. – 1995. – № 12. – С. 38-40. [48] А.C. №725206 СССР / В.В. Каштанов, В.А. Климов. // Опубл. Бюл. № 12. – 1980. [49] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов, В.А. Климов // ПТЭ. – 1982. – № 4. – С. 114-115. [50] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов // Электричество. – 1998. – № 8. – С. 71-73. [51] А.С. 1627189 СССР. / Каштанов В.В. // Опубл. 1991. Бюл. № 6. [52] Сидоров, А.И. / А.И. Сидоров // Труды 13 совещания по ускорителям заряженных частиц. – Дубна, 1993. – Т. 2. – С. 177-182. [53] Каштанов, В.В. / В.В. Каштанов, А.В. Сапрыгин // Вопросы прикладной физики. – Саратов, 1997. – № 3. – С. 79-82. GENERATION OF POWERFUL ELECTRICAL PULSES c 2007 V.V. Kashtanov, A.V. Saprygin1 ° Abstract An observation of scientific and technical literature on the high-voltage pulsed thematic was held. Basic questions which were deciding by physics and technique of generation of high-voltage periodical pulses micro- and millisecond range were considered. 1 Kashtanov Victor Vladimirovich, Saprygin Alexey Vladimirovich, e-mail: SapryginAV@info.sgu.ru, Saratov State University, Saratov, 410012, Russia.
