WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

КЛАДУХИН Владимир Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ КВАЗИПРЯМОУГОЛЬНЫХ СИЛЬНОТОЧНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ

ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СВЧ-ГЕНЕРАТОРОВ

01.04.13 – электрофизика, электрофизические установки

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Екатеринбург - 2008

Работа выполнена в Институте электрофизики УрО РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, академик РАН

Месяц Геннадий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Усов Юрий Петрович

доктор физико-математических наук

Полевин Сергей Декабревич

Ведущая организация: Институт общей физики

им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится «03» июля 2008 в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 003.031.02 при Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический 2/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Автореферат разослан «__» __________ 2008 г.

Учёный секретарь

диссертационного Совета

доктор технических наук Юшков Г.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В диссертации рассматриваются вопросы создания мощных высоковольтных источников наносекундных импульсов, ориентированных на формирование сильноточных релятивистских пучков электронов для СВЧ-генераторов гигаваттного уровня мощности [1*-3*], в которых формирование электронных пучков осуществляется с помощью кромочных взрывоэмиссионных катодов путём подачи на них высоковольтных импульсов напряжения (ускоряющих импульсов) с коротким (наносекундным) фронтом [4*,5*]. При создании СВЧ-генераторов с высокой средней мощностью, достигаемой путём реализации импульсно-периодических режимов формирования импульсов, повышенные требования предъявляются, как к эффективности процессов конвертирования энергии электронных пучков в энергию СВЧ-излучения, так и к эффективности процессов формирования ускоряющих импульсов [6*-10*]. Учитывая, что для эффективной работы релятивистских СВЧ-генераторов необходимо иметь однородные электронные пучки с короткими временами нарастания и спада электронного тока, генераторы ускоряющих импульсов должны обеспечивать эффективное формирование ускоряющих импульсов квазипрямоугольной формы.

Для получения ускоряющих импульсов мультигигаваттного уровня мощности и наносекундной длительности, могут быть использованы различные «механизмы» компрессии потока мощности, получаемого от сравнительно маломощных первичных источников питания [11*-14*]. Однако, импульсы мультигигаваттной мощности и квазипрямоугольной формы - импульсы с малой длительностью фронтов и срезов (спадов импульсов), и относительно высокой частотой их следования, как правило, удаётся получать на основе процессов разряда одинарных или двойных коаксиальных формирующих линий (сокращённо ОФЛ и ДФЛ) и коммутаторов, выполненных в виде управляемых газовых разрядников высокого давления [6*-8*, 15*-20*, 27*, 28*]. При этом большой практический интерес представляют исследования, направленные на улучшение формы импульсов - «прямоугольность» импульсов, их амплитудную стабильность и частоту следования, повышение эффективности процессов их формирования, а также снижение массогабаритов генераторов.

Поэтому, выполненный в работе анализ эффективности процессов формирования импульсов на всех основных стадиях и создание компактных генераторов квазипрямоугольных импульсов, с импульсно-периодическим режимом работы и выходным импедансом, характерным для СВЧ-генераторов, представляется актуальной задачей.

При исследовании эффективности процессов заряда формирующих линий основное внимание уделено широко применяемой резонансной трансформаторной схеме (трансформатор Тесла) [21*-25*] в однополупериодном режиме, а также сравнению эффективности этого процесса с зарядными процессами, реализуемыми другими трансформаторными схемами. С этой целью, в работе рассмотрены зарядные процессы, реализуемые трансформаторами в однополупериодном чопперном и квазигармоническом режимах. Исследованы также свойства бустерной и чопперной бестрансформаторных схем [26*], широко используемых для реализации управляемого заряда первичных емкостных накопителей.

Возможность использования генераторов не только в лабораторных условиях, но и в мобильных установках существенно зависит от их массогабаритов и мощности, потребляемой от источников первичного питания. Для этих целей, представляет интерес, рассмотренная в работе, реализация генераторов квазипрямоугольных наносекундных ускоряющих импульсов, с относительно небольшой массой, предназначенных для формирования сильноточных взрывоэмиссионных электронных пучков с параметрами: длительность фронта -, длительность спада -, длительность импульса -, энергия электронов -, импульсная мощность -, при средней мощности электронных пучков - и частоте следования импульсов -.

Цели и задачи исследования

При выполнении данной работы ставились следующие цели:

Во-первых, оценить влияние параметров коммутаторов на форму наносекундных импульсов, получаемых путём разряда отрезков длинных линий, а также влияние различных вариантов форсирования тока через коммутатор на энергопотери и фронт формируемых импульсов.

Во-вторых, оценить влияние различных факторов на эффективность трансформаторных и бестрансформаторных процессов зарядки емкостных накопителей.

В-третьих, создать генераторы квазипрямоугольных импульсов с высокой частотой следования импульсов с использованием многозазорных разрядников и коаксиальных формирующих линий с различной изоляцией.

Положения, выносимые на защиту

1. Получено аналитическое описание динамики тока через нагрузку при разряде ОФЛ и ДФЛ через коммутаторы LR-типа, позволяющее, в частности, оценить влияние индуктивности коммутатора на затягивание спада формируемого импульса, а также величину и форму постимпульсов.

2. Основным фактором, ограничивающим передаточные свойства повышающих зарядных трансформаторов, является ограниченная добротность их первичных контуров, величина которой для трансформаторов Тесла, встраиваемых в коаксиальные формирующие линии, как правило, не превышает 10. При этом, в однополупериодном зарядном режиме, коэффициент передачи энергии из первичного контура во вторичный не превышает 0.6 и достигается при коэффициенте связи контуров 0.95 и коэффициенте расстройки собственных частот контуров 1.05.

3. Использование двухзазорного адаптивного элегазового разрядника с оптимизированными электродной системой и режимом коммутации позволило создать компактный генератор наносекундных импульсов, обеспечивающий получение квазипрямоугольных импульсов 6-ти наносекундной длительности, мощностью 2.5 ГВт, амплитудой 350 кВ со стабильностью ~1%, с длительностями фронта и спада не превышающими 1 нс, со временем непрерывной работы более 5 мин., при частоте следования импульсов 100 Гц.

Научная новизна

1. Дано аналитическое описание процессов формирования наносекундных импульсов, получаемых путём разряда формирующих линий через коммутаторы RL-типа, позволяющее оценить влияние индуктивности на формирование спада импульса, величину и форму постимпульсов. Показано влияние на форму фронта импульса и энергопотери в разряднике нескольких вариантов форсирования скорости нарастания тока через коммутирующий искровой разрядник.

2. Для практически значимого диапазона параметров получены:

- значения и характер зависимости оптимального коэффициента передачи энергии для трансформатора Тесла, работающего в однополупериодном зарядном режиме,

- значения и характер зависимости оптимального коэффициента передачи энергии для трансформатора, работающего в чопперном зарядном режиме,

- характеристики управляемого зарядного процесса, реализуемого с помощью трансформатора, работающего в квазигармоническом режиме,

- характеристики бестрансформаторных зарядных процессов, реализуемых с помощью бустерной и чопперной зарядных схем.

3. На основе коаксиальных формирующих линий с комбинированной, газовой, масляной изоляцией и многозазорных газовых разрядников, созданы экспериментальные образцы малогабаритных высоковольтных источников квазипрямоугольных импульсов со средней мощностью электронного пучка до 100 кВт, ориентированные на обеспечение импульсно-периодического режима работы наносекундных релятивистских СВЧ-генераторов сантиметрового и дециметрового диапазона длин волн.

Практическая значимость

Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были использованы при создании нескольких вариантов генераторов наносекундных импульсов, ориентированных на формирование трубчатых взрывоэмиссионных электронных пучков для релятивистских ЛОВ. На основе генератора №1, совместно с ИПФ РАН, был создан СВЧ-генератор типа ЛОВ 10 ГГц диапазона длин волн с частотой следования импульсов до 500 Гц. Генератор №2, разработанный по заказу фирмы ВАе (Великобритания), совместно с ИСЭ СО РАН, был использован для создания СВЧ-генератора типа ЛОВ 10-ти ГГц диапазона длин волн, работающего в режиме сверхизлучения с частотой следования импульсов до 100 Гц. На основе генератора №3, работающего с частотой следования импульсов до 700 Гц, совместно с ИПФ РАН созданы СВЧ-генераторы типа ЛОВ 3 и 10 ГГц диапазона длин волн с низким (50-ти Омным) входным сопротивлением.

Апробация и достоверность результатов работы

Материалы диссертации докладывались на семинарах в СКБ НП УрО РАН, ИПФ РАН и ИЭФ РАН, IX симпозиуме по сильноточной электронике, 1992 г., международной конференции NATO Advanced Research Workshop, 2004, международной конференции 2007 IEEE Pulse Power and Plasma Science Conference, 2007.

Достоверность результатов приводимых в работе подтверждается систематическим характером выполненных исследований, применением современных методов исследования и приборов, практическим использованием результатов.

Личный вклад автора

Результаты, представленные в работе, получены автором самостоятельно, либо при его определяющем участии. Разработка наносекундных генераторов выполнена под руководством и при непосредственном участии автора.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 работ: 2 статьи в научных журналах, 1 статья в межвузовском сборнике, 7 патентов на изобретения, 5 публикаций в материалах конференций, 1 публикация в виде отчёта по НИР.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 117 страниц, включая 80 рисунков и список литературы из 46 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется её цель, перечисляются результаты, представляющие научную и практическую ценность, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены формирующие свойства одинарной и двойной двухпроводных линий с коммутаторами RL-типа.

Рис. 1. Формирующие линии

Рассмотрены общие решения, определяющие динамику тока через активную нагрузку при разряде отрезков одинарной и двойной регулярных формирующих линий, варианты описания динамики токов, при скачкообразном и многоступенчатом изменении сопротивления коммутаторов. Показано, что индуктивно-резистивный импеданс ключа ведёт к затягиванию спада формируемых импульсов и возникновению периодических постимпульсов. При этом, в режиме согласованной нагрузки, динамика спада импульса отличается от динамики фронта импульса наличием дополнительного экспоненциального члена с линейно растущим коэффициентом.

Рассмотрена динамика токов и потерь в искре и на активной нагрузке при разряде формирующих линий через газовые разрядники, содержащие элементы форсирования скорости нарастания тока в искровых зазорах, эквивалентные электрические схемы которых приведены на рисунке 2.

a) б) в)

Рис. 2. Эквивалентные схемы однозазорных проходных

разрядников, с элементами форсирования скорости нарастания тока

а- неоднородная линия, б- межэлектродная ёмкость, в- межэлектродная линия

Сравнительная динамика токов при разряде формирующей линии (1=30) на нагрузку (R=30), через разрядник (LS =35нГн), при использовании различных приёмов форсирования тока искры: межэлектродной форсирующей ёмкости (СS=50Ф), межэлектродной форсирующей линии (S =30, lS =1.5 нс), низкоимпедансного участка линии (S =20, lS =3.5 нс) приведены на рисунке 3. При этом предполагалось, что сопротивление искры изменяется по закону Теплера, а значение зарядного напряжения линии составляло 1000 кВ.

Рис. 3. Динамика тока в разряднике и на нагрузке, при различных

способах форсирования

Во второй главе приводятся результаты анализа трансформаторных схем заряда емкостных накопителей.

В разделе 2.1 рассмотрены передаточные свойства трансформатора Тесла, широко используемого для заряда формирующих линий, и представляющего собой систему двух связанных RLC - контуров, в которой начало процесса передачи энергии из ёмкостного накопителя первичного контура в емкостной накопитель вторичного контура инициируется замыканием ключа S1, а передача в нагрузку - замыканием ключа S2. При этом предполагается, что время передачи энергии в нагрузку (наносекундный разряд формирующей линии) существенно меньше времени передачи энергии между контурами трансформатора.

Электрическая схема заряда формирующей линии с помощью трансформатора Тесла приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Электрическая схема трансформатора Тесла

Исследованы передаточные свойства трансформатора Тесла в режиме однополупериодного зарядного процесса, которому соответствует реализация ключа S1 с помощью тиристора. Исследуемый диапазон значений параметров схемы выбран исходя из практической применимости.

Получены оптимальные передаточные характеристики трансформатора в диапазоне параметров: добротность контуров -, коэффициент связи контуров -, расстройка контуров -. Графики 5-7 иллюстрируют зависимость оптимальных коэффициентов передачи энергии, связи и расстройки контуров от их добротности.

Рис. 5. Максимальный (оптимальный) коэффициент передачи энергии

Рис. 6. Оптимальный коэффициент связи контуров

Рис. 7. Оптимальный коэффициент расстройки собственных

частот контуров

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»