Приборы и техника эксперимента, 2021, № 1, стр. 88-92

1. ВВЕДЕНИЕ

Для ряда применений сильноточной наносекундной электроники требуются высоковольтные импульсные генераторы, формирующие импульсы напряжения амплитудой сотни киловольт и с длительностью фронта 100–150 пс. В качестве первичного формирователя импульса напряжения в таких случаях используют генераторы Маркса, схемы с высоковольтным импульсным трансформатором, заряжающим высоковольтную накопительную емкость, коммутируемую разрядником-обострителем, либо индуктивные накопители с полупроводниковыми размыкателями. Длительность фронта импульса напряжения на выходе таких устройств, как правило, достигает единиц наносекунд.

Для дальнейшего обострения фронта импульса напряжения используются линии электромагнитной ударной волны [1, 2]. В коаксиальной линии в качестве нелинейной среды применяются никель-цинковые ферриты, что позволяет обострить фронт импульса напряжения до 300–400 пс. Дальнейшее развитие этого направления связано с использованием передающих линий с насыщенным ферритом [3–5]. В англоязычной литературе нелинейные линии данного типа получили название “гиромагнитных”, поскольку возбуждение высокочастотных колебаний тока происходит за счет возбуждения гиромагнитной прецессии вектора намагниченности насыщенного феррита. В [3] описана нелинейная линия с насыщенным ферритом, в которой фронт импульса напряжения амплитудой 100 кВ обострялся от 1.6 нс до 85 пс при нагрузке 50 Ом. В настоящее время это направление представляется наиболее перспективным при разработке высоковольтных импульсных генераторов субнаносекундного диапазона.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В качестве первичного формирователя использовался высоковольтный импульсный наносекундный генератор NS-140D (рис. 1), предназначенный для формирования импульсов напряжения амплитудой U = 140–150 кВ на нагрузке 50 Ом с длительностью фронта ≤1 нс. Генератор был разработан для системы предыонизации на основе эффекта убегания электронов в плазме наносекундного скользящего разряда для сверхатмосферного СО₂-лазера [6]. В нем использована зарядная схема с высоковольтным импульсным трансформатором на LC-связанных контурах как наиболее простая в изготовлении и обеспечивающая минимальные массогабаритные характеристики. На основе генератора NS-140D был разработан высоковольтный импульсный генератор субнаносекундного диапазона SN-170D.

Генератор SN-170D включает в себя (рис. 2) размещенные в герметичном корпусе (140 × 140 × × 410 мм), заполненном трансформаторным маслом, высоковольтный накопительный конденсатор первичного контура С₁ емкостью 47 нФ, заряжаемый до напряжения 10 кВ импульсным источником электропитания ИП за время ~1 мс; коммутатор Р₁, в качестве которого используется газоразрядный коммутатор РУ-62, управляемый генератором поджигающих импульсов ГПИ; высоковольтный импульсный трансформатор ИТ₁ на LC-связанных контурах; высоковольтную накопительную емкость С₂; высоковольтный разрядник-обостритель Р₂; индуктивность L, задающую начальный потенциал электроду разрядника Р₂.

Конденсатор С₁ образован тремя конденсаторными секциями, соединенными последовательно, что определяет величину индуктивности токоподвода к первичной обмотке импульсного трансформатора, равную L_с ≈ 20 нГн. В качестве разрядника Р₂ используется разрядник-обостритель Р-43 с напряжением срабатывания U = 170 кВ. Величина высоковольтной накопительной емкости с учетом паразитной емкости высоковольтного трансформатора составляет С₂ = 80 пФ при запасаемой энергии W = 1.2 Дж.

Генератор подключен к гиромагнитной коаксиальной передающей линии ГПЛ длиной 13 см, выполненной из немагнитного материала, с внешним диаметром D = 24 мм и внутренним d = 6 мм, заполненной никель-цинковыми ферритовыми кольцами марки М0,7ВТ-1 с размерами ∅10 × ∅6 × 2 мм.

Поверх гиромагнитной передающей линии расположена обмотка подмагничивания из 500 витков, которая питается от генератора подмагничивания ГП. ГПЛ подключена к передающей линии ПЛ с волновым сопротивлением ρ = 50 Ом, нагруженной на согласованное сопротивление R = 50 Ом.

Напряжение в передающей линии измерялось емкостным делителем напряжения, ток – малоиндуктивным шунтом, набранным из SMD-резисторов типоразмера 1206 с суммарным сопротивлением R_ш = 55 мОм. Емкостный делитель напряжения калибровался шунтом. Регистрация сигналов осуществлялась осциллографом Teledyne LeCroy WR 640 Zi. Внешний вид генератора SN-170D приведен на рис. 3.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

При срабатывании газоразрядного коммутатора Р₁ на высоковольтной накопительной емкости С₂ начинает нарастать напряжение. Особенностью трансформаторов на LC-связанных контурах (трансформатор Тесла) является возможность получения малых времен нарастания напряжения. Действительно, в случае резонансных частот высокочастотная и низкочастотная составляющие колебаний напряжения на емкости С₂ определяются следующими выражениями [7]:

где ${{\omega }_{0}} = 1{\text{/}}\sqrt {{{L}_{1}}{{C}_{1}}} = 1{\text{/}}\sqrt {{{L}_{2}}{{C}_{2}}} $ – частота свободных колебаний первичного и вторичного контуров трансформатора; ω₁, ω₂ – частоты соответственно высокочастотной и низкочастотной составляющих колебаний; $K$ – коэффициент связи первичной и вторичной обмоток; L₁, L₂ – индуктивность первичной и вторичной обмоток соответственно.

Это обстоятельство учитывалось при разработке высоковольтного импульсного трансформатора. Расчетное значение коэффициента связи между обмотками составляло K ≈ 0.8, что обеспечивало время нарастания напряжения на высоковольтной емкости С₂, равное t ≈ 200–250 нс.

На рис. 4 приведена осциллограмма зарядного напряжения на высоковольтной накопительной емкости С₂ в режиме холостого хода. По осциллограмме можно определить коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками как:

где Т₁ и Т₂ – периоды колебаний высокочастотной и низкочастотной составляющих.

На рис. 5 приведена осциллограмма импульса напряжения на накопительной емкости С₂ при срабатывании разрядника-обострителя Р-43. Напряжение срабатывания разрядника составляло 170 кВ при длительности фронта импульса зарядного напряжения 200 нс. Это позволило работать при средней напряженности электрического поля в трансформаторном масле ~35 кВ/мм, что, в свою очередь, обеспечило значения импеданса высоковольтного разрядного контура на уровне ~4 Ом.

Осциллограмма импульса напряжения на выходе высоковольтного импульсного генератора и соответственно на входе ГПЛ приведена на рис. 6. Амплитуда импульса напряжения U₁ = 140 кВ, длительность фронта t₁ = 0.8 нс.

На рис. 7 приведена осциллограмма импульса напряжения после прохождения импульса через ГПЛ при напряженности поля подмагничивания Н = 25.5 кА/м. В этом случае амплитуда импульса напряжения U₂ = 170 кВ и длительность фронта импульса по уровню (0.1–0.9)U₂ составила ~170 пс. Следует отметить, что при отсутствии подмагничивания фронт импульса напряжения был равен t₂ = 350 пс.

В силу конечных размеров электрода емкостного делителя напряжения (D = 3 мм) измеренное значение фронта импульса напряжения может на ∆t₁ ~ 15 пс превышать реальное. Помимо этого, неидеальность конструкции емкостного делителя напряжения и затухания высокочастотных гармоник в измерительном кабеле приводят к увеличению измеренного значение фронта импульса напряжения на ∆t₂ ~ 15–20 пс. Таким образом, можно с большой долей уверенности утверждать, что реальная длительность фронта импульса напряжения составит t₃ = 135–140 пс при амплитуде импульса напряжения U₂ = 170 кВ и частоте следования импульсов  f = 300 Гц. Возможность работы с такой частотой следования импульсов, по всей видимости, обеспечивается достаточной для деионизации разрядного промежутка газоразрядных коммутаторов временной паузой между импульсами (∆t₃ ~ 2 мс).

4. ВЫВОДЫ

1. Экспериментально показана возможность обострения фронта высоковольтного импульса напряжения в гиромагнитной линии за счет возбуждения гиромагнитной прецессии вектора намагниченности насыщенного феррита при напряженности поля подмагничивания Н = 25.5 кА/м.

2. При прохождении импульса напряжения по гиромагнитной линии с насыщенным ферритом происходит увеличение его амплитуды от 140 до 170 кВ и сокращение длительности фронта от 350 до 135–140 пс.

3. Длительность ~200 нс фронта импульса зарядного напряжения на высоковольтной емкости позволила работать при средней напряженности электрического поля в трансформаторном масле ~35 кВ/мм, что, в свою очередь, дало возможность получить импеданс высоковольтного разрядного контура на уровне ~4 Ом.

4. Обеспечение паузы ≈2 мс при подаче зарядного напряжения на высоковольтный конденсатор первичного контура С₁ позволило получить рабочую частоту следования импульсов 300 Гц.