Малогабаритные генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе SOS-диодов

• Автор: Словиковский, Борис Германович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 126 с. : ил.

1. вОв-ДИОДЫ: МОЩНЫЕ НАНОСЕКУНДНЫЕ ПРЕРЫВАТЕЛИ
ТОКА
1.1. БОБ-эффект и его характеристики
1.2. Принцип работы 808-диода
1.3. Характеристики 808-диодов
Выводы
2. ГЕНЕРАТОРЫ НА 808-ДИОДАХ
2.1. Схемный подход
2.2. Конструкция генераторов
2.3. Характеристики разработанных генераторов
Выводы
3. ГЕНЕРАТОР КВАЗИПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ НИЗКООМНОЙ НАГРУЗКИ
3.1. Экспериментальная схема
3.2. Формирование квазипрямоугольного импульса
3.3. Результаты исследований
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Мощная наносекундная импульсная техника на сегодняшний день имеет две основные тенденции своего развития. Одна из них заключается в проведении различных исследовательских программ в таких областях, как ускорительная техника, лазерная техника, мощная СВЧ-электроника, управляемый термоядерный синтез и т.д. Здесь основные усилия сосредоточены на получении рекордно высоких параметров по выходной мощности, и это приводит к разработке и созданию импульсных источников энергии с максимально высокими величинами напряжения и тока. Это установки, представляющие собой уникальные сооружения, как правило, не особо критичны к таким требованиям, как высокая средняя мощность, частота следования импульсов, компактность и срок службы.
Другая тенденция, получившая наиболее интенсивное развитие в последние 10-15 лет, связана с технологическим применением мощных наносекундных импульсов. Разрабатываются новые перспективные технологии для решения экологических задач по очистке выбросов электрических и тепловых станций, удалению токсичных примесей из воздуха, обработке отходов медицины и вредных производств, очистке питьевой воды, стерилизации различной продукции, в том числе и продуктов питания. Также активно идет создание новых радиационных и радиолокационных технологий. Для разработки такого рода технологических устройств также требуются импульсные источники энергии, наиболее важными характеристиками которых являются высокая частота повторения импульсов и средняя мощность, компактность и надежность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет.
Основой наносекундной импульсной техники в обоих направлениях являются генераторы мощных импульсов тока и напряжения, энергия которых используется либо непосредственно, либо переводится в энергию соответствующих видов излучения. Наиболее распространенные принципы генерирования мощных наносекундных импульсов электрической энергии подразделяются на два основных направления, отличающиеся друг от дру-

га видом запасаемой энергии и способом передачи энергии в нагрузку. В первом случае происходит накопление энергии электрического поля в высоковольтных емкостных накопителях, таких как низкоиндуктивные конденсаторы и формирующие линии, а затем передача энергии в нагрузку через замыкающие устройства - сильноточные наносекундные коммутаторы [1,2]. Во втором случае происходит накопление энергии в магнитном поле индуктивного контура с током. Последующая передача энергии в нагрузку происходит посредством размыкающих устройств - прерывателей тока [3,4].
В емкостных накопителях предельная плотность запасаемой энергии определяется электрической прочностью диэлектрика и его диэлектрической проницаемостью. В современных импульсных конденсаторах электрическое поле, длительно выдерживаемое диэлектриком, достигает значений порядка 106 В/см. При этом плотность энергии составляет около 102 Дж/дм3. Повышение электрической прочности диэлектриков при импульсной зарядке конденсаторов позволяет примерно на порядок увеличить это значение. Плотность запасаемой энергии в индуктивных накопителях определяется предельно допустимыми магнитными полями, которые ограничены механической прочностью материалов индуктивных накопителей. При этом плотность магнитной энергии может достигать величины 105 Дж/дм3. В отношении запасаемой энергии очевидно преимущество индуктивных накопителей энергии по сравнению с емкостньми. Но на пути практического использования индуктивных накопителей в мощных импульсных устройствах возникают два серьезных препятствия. Одно из них заключается в том, что постоянная времени саморазряда в системах индуктивного накопления энергии намного меньше этого параметра для емкостного накопителей. Это означает, что индуктивные накопители должны заряжаться гораздо быстрее, откуда вытекает необходимость в более мощных зарядных источниках энергии. Другое препятствие заключается в решении еще более трудной технической проблемы - создании быстродействующего сильноточного размыкателя.

вышает его к.п.д. за счет уменьшения общего количества накопителей и коммутаторов в схеме. Идеология построения генераторов такого типа представлена на рис. 2.2.
Первый блок представляет собой тиристорное зарядное устройство ТЗУ, осуществляющее дозированный отбор энергии из питающей сети и передачу ее в следующий блок, обозначенный на схеме как магнитный компрессор МК. Здесь происходит сжатие энергии во времени и повышение напряжения до таких параметров, которые необходимы для работы полупроводникового прерывателя тока, обозначенного на схеме как 808. Этот блок работает как оконечный усилитель мощности, в котором происходит дальнейшее сжатие энергии во времени и формирование на нагрузке Ян, расположенной в следующем блоке, импульсов высокого напряжения в сотни киловольт и длительностью в десятки наносекунд.
На рис. 2.3 представлена принципиальная электрическая схема частотного генератора высоковольтных импульсов напряжения наносекундного диапазона с полностью твердотельной системой коммутации на основе 808-диодов, построенного по вышеизложенной идеологии. Тиристорное зарядное устройство содержит первичный емкостной накопитель энергии С], тиристорный коммутатор Vк и схемы, обеспечивающие зарядку первичного емкостного накопителя (Сф, Ьз, Уз) и рекуперацию остаточной энергии в нем (Ьр, Ур). ТЗУ работает по принципу дозированного отбора энергии от сети, когда единичной порции энергии достаточно для формирования одного импульса заданных параметров в на выходе генератора [36, 37, 38]. Таким образом, в тиристорном зарядном устройстве происходит первичное преобразование переменного напряжения в постоянное, накопление энергии и формирование микросекундного импульса. Для согласования параметров импульса энергии с выхода ТЗУ с параметрами импульса накачки полупроводникового прерывателя тока необходимо введение в схему генератора звена компрессии энергии. Оно обеспечивает повышение напряжения при одновременном сжатии формируемых импульсов. Эта часть схемы состоит из импульсного повышающего трансформатора ИТ1,