Лекция 12 генераторы мощных наносекундных импульсов

12.1. Области применения

Генераторы мощных наносекундных импульсов (ГНИ) нашли широкое применение в создании мощных импульсных лазеров, в установках быстрого разогрева плазмы, при генерировании мощных электронных пучков и многих других областях физики и технологий. На их основе построены радары ближнего радиуса, применяемые в военной авиации. Перспективы применения ГНИ продолжают расширяться и обусловлены тем, что они могут реализовывать за промежутки времени в единицы или десятки наносекунд огромные мощности (до сотен МВт). Особенно важно их применение в установках термоядерного синтеза, в генераторах жесткого тормозного излучения, для быстрого управления потоками заряженных частиц. Практически все области физики высоких энергий, имеющие отношение с сильными электрическими и магнитными полям и мощными потоками заряженных частиц или электромагнитных волн в той или иной мере требуют разработок и применения ГНИ.

12.2. Методы формирования наносекундных импульсов на основе линий с распределенными параметрами

Для формирования и передачи наносекундных импульсов применяются линии с распределенными параметрами (ЛРП). В основе их использования в технике формирования импульсов в наносекундном диапазоне лежат два свойства:

- импульс распространяется по однородной линии без искажений;

- входное сопротивление длинной линии является чисто активным.

Эти условия соблюдаются в том случае, если линия обладает малыми потерями, не имеет неоднородностей и согласована.

В технике формирования высоковольтных наносекундных импульсов с амплитудами от 1 кВ до .>100 кВ используются коаксиальные и полосковые линии. Их сечения приведены на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Коаксиальная (А) и полосковая (Б) линии с распределенными параметрами:

1 – центральная жила; 2 – наружная металлическая оплетка; 3 – диэлектрик; 4, 5 – обкладки полосковой линии.

При генерировании наносекундных импульсов напряжением выше 10⁶ В используются коаксиальные линии с жидкой изоляцией (трансформаторное масло,  = 2,0 – 2,5; глицерин   5,0; дистилированная вода   80).

При генерировании импульсов большого тока (до 10⁶ А), когда волновое сопротивление должно быть малым, применяют полосковые линии.

Основными параметрами, характеризующими ЛРП, являются скорость распространения по ней электромагнитной волны и волновое сопротивление.

Электромагнитная волна распространяется по ЛРП со скоростью света:

= ,

(12.1)

где - погонные индуктивность и емкость ЛРП (Гн/м, Ф/м);

– скорость света в вакууме;

- относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости диэлектрика.

В любой точке однородной ЛРП волновое сопротивление равно:

.

(12.2)

Через конструктивные параметры  определяется:

- для коаксиальной линии (рис. 1А):

,

(12.3)

где и - диаметры внутренней жилы и внешней оплетки;

- для полосковой ЛРП, состоящей из двух параллельных лент (рис. 1 Б):

,

(12.4)

где - толщина изоляции между лентами, - ширина лент.

Простейшая схема генератора с заряженной ЛРП приведена на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Схема генератора импульсов с накопительной ЛРП.

Если линию длиной зарядить до напряжения через зарядное сопротивление >> , а затем с помощью коммутатора К замкнуть на нагрузку , то на ней будет сформирован прямоугольный импульс. Амплитуды напряжения и тока импульса на нагрузке:

; .

(12.5)

Эти формулы справедливы для согласованного режима разряда ЛРП: .

В несогласованных режимах ( ) импульс напряжения (и соответственно тока) имеет ступенчатую форму, которая зависит от величины рассогласования, определяемого отношением . Форма импульсов напряжения в зависимости от рассогласования имеет ступенчатую форму. Эти формы приведены на рис. 12.3. Выражение для напряжения -й ступени при рассогласовании:

(12.6)

Рис. 12.3. Форма импульса напряжения на нагрузке в зависимости от рассогласования.

Длительность импульса t_и определяется временем двойного пробега тока по линии:

(12.7)

Недостаток такого простейшего генератора в том, что напряжение на нагрузке в согласованном режиме составляет только половину зарядного напряжения ЛРП.

На рис. 12.4 приведена схема генератора с двойной ЛРП, получившей название Блюмлайна (Blumeline).

Рис. 12.4. Схема генератора с двойной ЛРП (генератор Блюмлайна).

В данной схеме создается эффект разряда двух последовательно включенных источников. Две одинаковые линии с одинаковыми и заряжены до напряжения . Через время после коммутации ключа k на сопротивлении (согласованный режим данного генератора) формируется импульс длительностью .

Приведенные схемы используются для генерирования мощных наносекундных импульсов. Их достоинство в том, что в согласованном режиме вся энергия, запасенная в ЛРП, будет передаваться в нагрузку за время двойного пробега волну по линии. Недостаток схем – трудность регулирования длительности импульса и сопротивления нагрузки. В первом случае необходимо изменять длину линии, что технически нецелесообразно, во втором – изменение нагрузки выводит генератор из оптимального режима формирования и энерговыделения в нагрузке (см. рис. 12.3).

Способ ликвидировать отражения при несогласованной нагрузке найден в схеме Введенского (рис. 12.5). Начало оплетки ЛРП здесь соединено с концом, поэтому после коммутации ключа k волновые процессы начинаются на обоих концах линии. Т. к. на одном конце линия согласована (R_C = ), то на нем не возникают отражения и в нагрузке R_н импульс не имеет ступеней. В данной схеме:

(12.8)

Амплитуда напряжения и тока в нагрузке:

; .

(12.9)

Если , то ; , т. е. как в схеме с разомкнутой ЛРД, но - в два раза меньше.

Рисунок 12.5. Схема формирования без отражений при произвольной нагрузке.

В схеме (рис. 12.5) можно также организовать регулирование длительности импульса путем добавления еще одного управляемого коммутатора k₂ (рис. 12.6).

Рисунок 12.6. Схема формирования при произвольной нагрузке с регулируемой длительностью импульса.

Если включение k₁ и k₂ производится одновременно, то схема функционирует подобно схеме на рисунке 12.5. Если включение k₂ будет производиться с регулируемым запаздыванием по отношению к моменту коммутации k₁ , длительность импульса на нагрузке будет:

.

(12.10)