12.5. Коммутация генераторов наносекундных импульсов

При разряде ЛРП, формирующей импульсы тока и напряжения в наносекундном диапазоне следует учитывать два фактора, влияющие на параметры импульса, в особенности его фронта, а именно:

- параметры контура подключения нагрузки;

- время коммутации.

Контур подключения нагрузки должен быть практически безиндуктивным. Это достигается тем, что нагрузка должна быть так подключена к ЛРП, чтобы стать элементом или продолжением самой линии, хотя и с другими параметрами. Это достигается конструкцией подключения, приведенной на рис. 12.9. В этом случае узел подключения отвечает приведенным требованиям.

К коммутаторам ГНИ предъявляются особые требования. При их соответствии коммутируемым значениям напряжения (до 10⁶ В) и тока (до 10⁶ А) они должны:

- иметь минимальную индуктивность;

- иметь малое время коммутации, определяемое требуемой длительностью фронта импульса; для коммутаторов ГНИ это время лежит в пределах 10^-10 – 10^-8 с.

Рисунок 12.9. Схема безиндуктивного подключения нагрузки к ЛРП.

Процесс перехода искрового промежутка из непроводящего состояния в проводящее определяется характером зависимости падения напряжения на искровом промежутке или сопротивления разрядного промежутка от времени. Кривую называют характеристикой коммутации. Длительность коммутации определяется временем между двумя фиксированными значениями напряжения на искровом промежутке, обычно между и (рис. 12.10).

Рис. 12.10. Характеристика коммутации искрового разрядника.

Сопротивление искры в газе во времени определяется зависимостью Ромпе-Вайцеля:

,

(12.14)

при этом ток разряда и напряжение электрического поля связаны соотношением:

,

(12.15)

где - концентрация и подвижность электронов, d – длина искрового промежутка, - радиус канала, - давление газа, - коэффициент. Показано, что проводимость единицы длины канала пропорциональна концентрации .

Требование малой индуктивности коммутаторов ГНИ достигается, в частности, высокой предпробойной напряженностью разрядника. Напомним, что прочность промежутка определяется законом Пашена: . При заданном промежутке зависимость имеет вид, приведенный на рис. 12.11, из которого видно, что прочность промежутка высока при высоких давлениях или весьма малых (близких к вакуумным). При этом достигаются малые расстояния между электродами при больших напряженностях поля и, соответственно, сокращается индуктивность разрядника.

Устройства коммутации в технике формирования наносекундных импульсов выполняются на основе вакуумных коммутаторов или разрядников под высоким давлением, чем решается задача минимизации размера коммутатора и его индуктивности.

Механизм пробоя вакуумного промежутка основан на автоэлектронной эмиссии с катода в сильном электрическом поле и формировании взрывного катодного факела. При длительности импульсов в диапазоне десятков наносекунд выполняются специальные меры ускорения путем применения систем поджига коммутатора или обострения фронта.

Рис. 12.11. Качественная зависимость пробивного промежутка то давления газа и длины промежутка. (Закон Пашена).

Длительность коммутации между двумя фиксированными напряжениями для разрядника в сжатом газе определяется приближенной зависимостью:

.

(12.16)

По закону Пашена при = const const, и из данной формулы получим, что ~ , т. е. с ростом давления время будет уменьшаться, что показано на рис. 12.12.

Рисунок 12.12. Зависимость времени t_м от давления воздуха для промежутка 2,5 мм.

Таким образом, у коммутаторов в сжатом газе формирование фронтов длительностью в единицы наносекунд может быть достигнуто без специальных мер.

Конструкции разрядников наносекундного диапазона адаптируются к конструкции формирующей линии, уровня коммутируемого напряжения, необходимости управления временем коммутации, поэтому их разработка проводится в зависимости от условий решаемой задачи и их работы.