авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Исследование процессов формирования квазипрямоугольных сильноточных наносекундных импульсов для релятивистских свч-генераторов

-- [ Страница 1 ] --

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.

 Формирующие линии Рассмотрены-8

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) Эквивалентные схемы-9

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.

 Электрическая схема трансформатора-12

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.

 Максимальный (оптимальный)-17

Рис. 5. Максимальный (оптимальный) коэффициент передачи энергии

 Оптимальный коэффициент связи-19

Рис. 6. Оптимальный коэффициент связи контуров

 Оптимальный коэффициент расстройки-21

Рис. 7. Оптимальный коэффициент расстройки собственных

частот контуров

В разделе 2.2 рассмотрены передаточные свойства зарядного трансформатора, работающего в чопперном режиме, который позволяет реализовать передачу энергии в формирующую линию без использования промежуточного емкостного накопителя, как это делается в трансформаторе Тесла. Схема трансформатора, реализующего чопперный режим заряда формирующей линии, представлена общей схемой, приведенной на рисунке 8, при этом ключ S1, который должен обеспечивать, как управляемое замыкание, так и управляемое размыкание цепи, может быть реализован с помощью IGBT - транзисторов или запираемых тиристоров.

 Схема трансформатора, реализующая -23

Рис. 8. Схема трансформатора, реализующая

чопперный зарядный режим

Заряд ёмкостного накопителя вторичного контура состоит из двух фаз - первая, из которых связана с разгоном тока в первичном контуре трансформатора и начинается с момента замыкания ключа S1, а вторая, связанная с высвобождением энергии магнитного поля, запасённой в трансформаторе, возникает после размыкания этого ключа в момент t=toff. Как и в предыдущем случае, предполагается, что время передачи энергии в нагрузку, инициируемое замыканием ключа S2, в момент t=t*, существенно меньше времени передачи энергии между контурами трансформатора.

Передаточные свойства этой схемы можно оценить коэффициентом передачи , который зависит от добротности контуров, коэффициента связи и продолжительности первой фазы зарядного процесса (Е - э.д.с. источника, -момента размыкания ключа первичного контура). На основе соотношений для динамики токов и напряжений в контурах трансформатора была исследована зависимость коэффициента передачи энергии и к.п.д., в зависимости от добротности первичного контура в диапазоне значений - , при оптимальных коэффициенте связи контуров, определяемом из диапазона - , продолжительности начальной фазы заряда (время открытого состояния ключа первичного контура) в диапазоне , добротности вторичного контура .

Добротность первичного RL - контура определена на собственной частоте вторичного контура, т.е. . Рассматриваемый диапазон значений параметров выбран, исходя из их реализуемости в мощных зарядных трансформаторах с высоким коэффициентом трансформации. Иллюстрация этих зависимостей приведена на рисунках 9-11.

 аксимальный коэффициент передачи-31

Рис. 9 Максимальный коэффициент передачи энергии

 Оптимальный коэффициент связи-33

Рис. 10. Оптимальный коэффициент связи контуров

Рис. 11. Эффективность передачи энергии

В разделе 2.3 приведён анализ процесса заряда ёмкостного накопителя с помощью трансформатора, работающего в квазигармоническом режиме. Так как для повышающего трансформатора характерна большая индуктивность вторичного контура, то, для упрощения анализа, добротность вторичного контура принята неограниченно большой. В этом случае зарядное устройство может быть представлено общей схемой, приведенной на рисунке 12.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.