В диссертации рассматриваются вопросы создания мощных высоковольтных источников наносекундных импульсов, ориентированных на формирование сильноточных релятивистских пучков электронов, для СВЧ-генераторов гигаватгного 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 мультигигаватгного уровня мощности и наносекундной длительности, могут быть использованы различные «механизмы» компрессии потока мощности, получаемого от сравнительно маломощных первичных источников питания [11*-14*]. Однако импульсы мультигигаватгной 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 используемые 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 М = 150-И 000/сг, предназначенных для формирования сильноточных взрывоэмиссионных электронных пучков с параметрами: длительность фронта — + 5нс, длительность спада — 1-нЮнс, длительность импульса — 6 ч- 30нс, энергия электронов — 03 + 0.7МэВ, импульсная мощность.
2−5-5ГВт, при средней мощности электронных пучков — 2-П00кВт и частоте следования импульсов — 100-^700/г/.
§ 2. Цель работы.
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.
§ 3. Научная новизна.
1. Дано аналитическое описания процессов формирования наносекундных импульсов, получаемых путём разряда формирующих линий через коммутаторы ЯЬ-типа, позволяющее оценить влияние индуктивности на формирование спада импульса, величину и форму постимпульсов. Показано влияние на форму фронта импульса и энергопотери 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 чоппернои 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.
Выводы.
При создании вышеописанных генераторов высоковольтных наносекундных импульсов были апробированы следующие новые технические решения:
1. Комбинированная плёночно-глицериновая изоляция, с диэлектрической проницаемостью е=4.2, позволившая, при диаметре формирующей линии 280 мм, получить погонную энергоёмкость линии около 70 Дж/м и выходную импульсную мощность более 5 ГВт.
2. Управляемый двухзазорный разрядник с кольцевой формой электродов, запускаемый путём импульсного искажения электрического поля на кольцевой кромке катодного электрода. При этом генератор искажающего импульса встроен в центральный электрод коаксиальной формирующей линии и работает за счёт отбора части энергии магнитного поля первичного витка зарядного трансформатора Тесла.
3. Формирующая линия с газовой изоляцией, позволила сочетать высокий коэффициент связи (к=0.95), для встроенного в линию зарядного трансформатора, высокий импеданс линии (50 Ом) и высокое зарядное напряжение линии (до 700 кВ) при небольшом диаметре формирующей линии (170 мм). Использованный в генераторе двухзазорный газовый разрядник с механизмом регулирования коммутационного напряжения за счёт изменения межэлектродных зазоров, позволяет варьировать коммутационное напряжение разрядника при неизменном газовом давлении. Генератор обеспечивает формирование импульсов с короткими фронтами (менее 1 не) при высокой выходной мощности (2.5 ГВт).
4. Двойная формирующая линия с управляемым многозазорным разрядником, позволила получать высокоэнергетичные (до 150 Дж) импульсы с высокой частотой следования (до 700 Гц) и наносекундной синхронизацией (джиггер ±1 не) относительно управляющих импульсов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты работы.
1. Дано описание динамики тока через нагрузку при разряде одинарной (ОФЛ) и двойной (ДФЛ) формирующих линий через коммутаторы ЯЬ-типа, позволяющее, в частности, оценить величину наблюдаемого в эксперименте удлинения заднего фронта (среза) импульса, а также величину и форму постимпульсов.
2. Показано влияние различных вариантов форсирования скорости нарастания тока в искровых газовых разрядниках на энергопотери и форму фронта импульса.
3. Получены оптимальные передаточные характеристики трансформатора Тесла с ограниченной добротностью контуров в однополупериодном режиме заряда.
4. Получены оптимальные передаточные характеристики зарядного трансформатора, работающего в чопперном режиме, при ограниченной добротности первичного контура. Показано наличие оптимального коэффициента связи и оптимальной порции передаваемой энергии.
5. Получено приближенное описание динамики зарядного процесса, выполняемого с помощью трансформатора, работающего в квазигармоническом режиме.
6. Получена формула вычисления момента запирания ключа в чопперной схеме, обеспечивающая управление зарядным процессом в реальном времени.
7. Создан генератор квазипрямоугольных импульсов с выходным импедансом 80 Ом, мощностью импульсов до 5 ГВт, длительностью импульсов 20 не, длительностью фронта 4 не, частотой следования импульсов до 500 Гц и режимом непрерывной работы до 5 сек, на основе коаксиальной ОФЛ с плёночно-глицериновой изоляцией и двухзазорного управляемого разрядника с кольцевой формой электродов с системой запуска, встроенной в центральный электрод формирующей линии.
8. Создан компактный генератор квазипрямоугольных импульсов с выходным импедансом 50 Ом, мощностью импульсов до 2.5 ГВт, длительностью импульсов 6 не, длительностью фронта 1 не, частотой следования импульсов до 100 Гц и режимом непрерывной работы 5 мин. на основе коаксиальной ОФЛ с газовой изоляцией и адаптивного двухзазорного разрядника с кольцевой формой электродов.
9. Создан генератор квазипрямоугольных импульсов с выходным импедансом 50 Ом, мощностью импульсов до 4 ГВт, длительностью импульсов 30 не, длительностью фронта 5 не, частотой следования импульсов до 700 Гц, джиттером 1 не и режимом непрерывной работы до 3 сек. на основе коаксиальной ДФЛ с масляной изоляцией и управляемого многозазорного разрядника с кольцевой формой электродов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Получено аналитическое описание динамики тока на нагрузке при разряде ОФЛ и ДФЛ через коммутаторы Ц?-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 не, со временем непрерывной работы более 5 мин, при частоте следования импульсов 100 Гц.
