Полупроводниковые генераторы с импульсной мощностью 108-109 вт на основе субнаносекундных коммутаторов тока

• Автор: Любутин, Сергей Константинович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 127 с. : ил.

1. СУБНАНОСЕКУНДНЫЙ ОБРЫВ ТОКА В ЗОБ-ДИОДАХ

1.1. Обнаружение эффекта субнаносекундного обрыва тока в

БОБ-диодах

1.2. Принцип работы субнаносекундного БОБ-диода

1.3. Характеристики субнаносекундных БОЗ-диодов

Выводы

2. ГЕНЕРАТОРЫ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ БОБ-ДИОДОВ

2.1. Схемы генераторов

2.2. Генераторы с пиковой мощностью 50-100 МВт

2.3. Генератор с пиковой мощностью до 500 МВт

Выводы
3. ГЕНЕРАТОРЫ С ДИОДНЫМИ ОБОСТРИТЕЛЯМИ
3.1. Принцип работы генераторов с диодными обострителями на основе задержанной ударно-ионизационной волны
3.2. Генератор с длительностью импульса 1 не и
пиковой мощностью 50 МВт
3.3. Генератор с пиковой мощностью до 1 ГВт
3.4. Устранение предимпульсов на нагрузке в генераторах с БОБ-диодами
3.5. Генератор с обострителем на основе туннельно-ударного
ионизационного фронта
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

С момента своего становления, а фактически с открытия взрывной электронной эмиссии в 60-е годы [1-4], и до середины 80-х годов развитие мощной наносекундной импульсной техники шло в основном по пути создания установок с максимально возможньми величинами импульсного тока и напряжения. Это было обусловлено крупномасштабными экспериментами и проектами, выполняемыми в рамках национальных оборонных программ. Такие задачи, как исследования в области управляемого термоядерного синтеза, генерации сверхмощных импульсов электромагнитного, лазерного, рентгеновского и нейтронного излучения для различных целей стимулировали разработку и создание сверхмощных импульсных систем с энергозапасом более 106 Дж и импульсной мощностью в единицы и десятки ТВт [5-6]. Такие установки представляют собой уникальные экспериментальные комплексы, и такие требования к импульсным устройствам, как высокая средняя мощность, частота следования импульсов, срок службы здесь не являются определяющими [7, 8].
На рубеже 80-90 годов в связи с изменением общей обстановки в мире, все больше внимания стало уделяться применению мощной импульсной техники для создания новых технологий в промышленности. Основой наносекундной сильноточной импульсной техники являются генераторы мощных импульсов напряжения и тока, энергия которых используется либо непосредственно, либо переводится в энергию необходимых видов излучения. Поэтому для большинства промышленных технологий определяющими характеристиками импульсных генераторов становятся высокая частота повторения импульсов, достаточно большая средняя мощность, стабильность параметров импульса, надежность, компактность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет [9].
Увеличение импульсной мощности генератора возможно либо за счет увеличения энергии импульса при сохранении его длительности, либо за счет укорочения длительности импульса с той же самой энергией. Поскольку габариты и масса генератора возрастают с

увеличением энергии импульса, то второй путь наиболее перспективен для создания компактных мощных генераторов [10, 11].
Однако при снижении длительности выходного импульса все более жесткие требования предъявляются к выходному коммутатору энергии, время коммутации которого для эффективной передачи энергии в нагрузку должно лежать в субнаносекундном диапазоне при формировании импульсов длительностью в единицы наносекунд. Для формирования мощных высоковольтных импульсов длительностью в единицы наносекунд наиболее широко применяются три типа коммутаторов, способных работать с высокой частотой следования' импульсов: магнитный ключ, полупроводниковый коммутатор и искровой разрядник.
Достаточно хорошо известны генераторы на магнитных ключах [12, 13]. В таких генераторах в качестве выходного коммутатора используются те или иные комбинации отрезка линейной линии передачи и ударной формирующей линии с ферритом. После насыщения формирующей линии формирование импульса напряжения на нагрузке определяется в основном разрядом отрезка линейной линии передачи. Подобный тип генераторов позволяет формировать импульсы длительностью около 3 не с напряжением 50 кВ и мощностью 50 МВт при частоте следования до 2.5 кГц [14].
В качестве быстрых полупроводниковых коммутаторов в основном применяются дрейфовые диоды с резким восстановлением (ДДРВ) и диодные обострители (ДО) на основе задержанной ударно-ионизационной волны [15, 17-20]. Дрейфовый диод с резким восстановлением представляет собой прерыватель тока на основе р -п-п+ кремниевой структуры с плотностью обрываемого тока до 200 А/см2, временем обрыва тока около 2 не и рабочим напряжением 1 кВ. Принцип работы ДДРВ состоит в следующем. За счет короткой длительности импульса прямого тока (сотни не) в базе возле р-п перехода создается тонкий слой инжектированной плазмы, в котором сосредоточена основная часть накопленного заряда. При протекании тока обратной накачки происходит рассасывание плазменного слоя у р-п перехо-

срабатывает 8081 при максимальном значение обратного тока -1.5 кА. После этого происходит усиление обратного тока во втором диоде 8082 с 500 А до 1.2 кА. В этот момент времени происходит субнаносекундный обрыве тока в прерывателе 8082 за время около 600 пс и индуктивный накопитель Ь подключается к внешней нагрузке Км, формируя на ней короткий выходной импульс напряжения.
На рис. 2.14 приведена фотография общего вида генератора, а на рис. 2.15 вид сверху. Внутри корпуса в воздушной его части расположены элементы ТЗУ, а также вспомогательные элементы схем управления, сигнализации и контроля параметров. Магнитный компрессор и элементы оконечного усилителя мощности расположены в металлическом баке, заполненном трансформаторным маслом. К торцевой части бака крепится проходной изолятор, который через отверстие в лицевой панели корпуса выходит наружу. Выходная электродная система, образованная заземленным фланцем бака и высоковольтным электродом, служит для присоединения к генератору коаксиальных нагрузок.
На рис. 2.16 показан внешний вид прерывателя тока 8082, который имеет длину 110 мм и содержит 2 параллельных ветви по 160 последовательно соединенных полупроводниковых структур в каждой. Каждые 4 последовательные структуры имеют один общий медный охладитель. Структуры выполнены из кремния п-типа с удельным сопротивлением 50 Ом-см, имеют толщину 320 мкм и пролегированы алюминием на глубину 200 мкм. Высоколегированные р+ и п+ области созданы диффузией бора и фосфора соответственно. Площадь структуры -0.25 см2. Прерыватель 8082 размещен непосредственно внутри полого проходного изолятора параллельно центральному токоведущему стержню и максимально приближен к высоковольтному выходному электроду генератора для получения минимально возможного времени нарастания тока в нагрузке. Катушка индуктивности Ь , обеспечивающая разбаланс токов, также размещена внутри изолятора. Первый прерыватель 8081 размещен у торца бака между выходным заземленньм фланцем и центральным токоведущим стержнем. Прерыватель 8081 содержит два параллельных диода,