Мегавольтный генератор наносекундных импульсов с полупроводниковым прерывателем тока

• Автор: Пономарев, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 90 с. : ил.

1. МОЩНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРЕРЫВАТЕЛЕМ ТОКА

1.1. Концепция построения генераторов

1.2. Тиристорное зарядное устройство

1.3. Звено магнитной компрессии энергии

1.4. Согласование компрессора с прерывателем тока

1.5. Полупроводниковый прерыватель тока на основе БОБ-диодов

Выводы

2. ГЕНЕРАТОР С ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТЬЮ ДО 2 ГВт

2.1. Блок-схема генератора

2.2. Электрическая схема и принцип работы

2.3. Конструкция генератора

2.4. Средства измерения
2.5. Выходные характеристики генератора
2.6. Испытания в частотном режиме работы
2.7. КПД генератора и пути его увеличения
Выводы
3. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА В ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ
3.1. Стримерный коронный разряд
3.2. Мощные СВЧ-устройства
3.3. Электронный пучок и рентгеновское излучение
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

В генераторах мощных наносекундных импульсов используют два основных типа накопителей энергии: емкостные и индуктивные. Наиболее часто применяются емкостные накопители энергии. В них энергия низкоиндуктивных конденсаторов либо формирующих линий коммутируется в нагрузку через замыкающие устройства - сильноточные на-носекундные коммутаторы [1, 2]. Одной из самых распространенных схем, реализующих данный принцип накопления энергии, является генератор Маркса. В нем несколько конденсаторов ( в общем случае п) емкостью С каждый соединяются параллельно и заряжаются от источника выпрямленного напряжения через зарядные сопротивления до напряжения U. Если замкнуть одновременно все разрядники генератора, то конденсаторы С соединятся последовательно и на сопротивления нагрузки R образуется импульс напряжения с амплитудой, близкой к п ■ U. Длительность импульса определяется величиной емкости С/n и сопротивления нагрузки R.
Индуктивные накопители энергии, в отличие от емкостных, используют прерыватели тока [3]. Этот метод наиболее перспективен для развития мощной импульсной техники, поскольку плотность энергии, запасаемой в индуктивных накопителях, примерно на два порядка выше, чем в емкостных. Принцип работы индуктивного формирователя напряжения состоит в следующем. При протекании тока через замкнутый коммутатор в индуктивности L запасается энергия, которая при размыкании ключа в момент максимума тока переключается в нагрузку R. На нагрузке, в результате броска самоиндукции, возникает импульс напряжения, длительность которого зависит от значений L и R.
Одним из основных элементов этих систем является ключ-прерыватель. Необходимо отметить, что быстрый обрыв тока в сильноточных цепях технически представляет собой более сложную задачу, по сравнению с коммутацией напряжения - разрядом емкости. При формировании мощных импульсов наносекундного диапазона прерыватель должен выдерживать напряжения мегавольтового уровня и обеспечивать обрыв тока в десятки и
сотни килоампер за время единиц и десятков наносекунд. До недавнего времени основными типами прерывателей в этой области являлись взрывающиеся проволочки и эрозионные плазменные ключи. Одними из первых стали применяться в качестве прерывателя тока тонкие электрически взрывающиеся проводники [4]. Известно, что если через тонкий металлический проводник пропустить импульс тока большой величины (плотность тока достигает 105 — 109 А/см2), то произойдет электрический взрыв проводника. При этом из-за инерции жидкого металла он перегревается и испаряется с интенсивностью взрыва. Наибольшая скорость роста сопротивления может быть получена при использовании большого числа параллельно включенных тонких проводников. Однако такие прерыватели не способны работать в частотном режиме.
Плазменные прерыватели тока [5, 6] являются наиболее мощными устройствами в этом ряду. Принцип их действия основан на изменении проводимости плазмы. Они позволяют работать с низкой частотой следования импульсов и имеют ограниченный ресурс из-за эрозии электродов. С их использованием были получены следующие результаты: скорость роста сопротивления 109 Ом/с, ток до 106 А и напряжение до 3 МВ (при исходном 0.8 МВ).
Разработка и исследование новых типов размыкателей тока, свободных от указанных недостатков и способных выйти на уровень технологических применений, выдвигает еще одно требование - длительный срок службы. В этом направлении наиболее перспективными являются схемы с индуктивными накопителями энергии и твердотельными прерывателями тока, на основе которых возможна разработка мощных импульсных устройств с высокими удельными характеристиками и практически неограниченным (твердотельным) ресурсом. Здесь основная проблема заключается в создании мощного твердотельного частотного размыкателя тока.
В 1983 году профессором И.В. Греховым был предложен и реализован наиболее мощный режим работы полупроводниковой р+- п - п* структуры с плотностью обрываеНа рис. 2.20 - 2.24 приведены осциллограммы выходного импульса напряжения модернизированного генератора при различных величинах индуктивного накопителя.
Экспериментальный разброс данных на кривых не приводится, в силу высокой стабильности формы выходных импульсов генератора.
2.6. Испытания генератора в частотном режиме работы.
Испытания генератора в частотном режиме работы проводились с целью определения максимальной частоты следования импульсов в постоянном режиме по условиям теплоотвода, а также в коротких пачках импульсов, когда максимальная частота ограничена конечной длительностью одного цикла работы зарядного устройства, а время работы на этой частоте - адиабатическим нагревом элементов.
В качестве нагрузки генератора использовался отрезок стеклоэпоксидной трубы с внутренним диаметром 130 мм и длиной 470 мм, снабженный двумя торцевыми металлическими электродами. Со стороны заземленного электрода труба соединялась с охлаждаемым резервуаром объемом 0.3 мэ, в котором содержался раствор ЫаС1 в воде. Из резервуара раствор прокачивался через трубу по замкнутому циклу со скоростью 16-20 л/мин. Сопротивление нагрузки при испытаниях устанавливалось в диапазоне от 200 до 400 Ом, при котором выходное напряжение генератора находилось в пределах от 600 до 800 кВ, а импульсная мощность составляла 1.5 - 1.6 ГВт.
Тепловые испытания проводились при фиксированных частотах следования импульсов Р = 200,300,400 и 500 Гц. Генератор работал непрерывно до установления стационарного теплового режима элементов. Масляный бак, обладающий наибольшей теплоемкостью, определял максимальное время непрерывной работы, которое в зависимости от частоты следования импульсов и расхода воды в системе охлаждения лежало в диапазоне от 1 до 2 часов. Температура масла в баке при этом выходила на близкий к стационарному уровень в 60 - 65 °С.