Приборы и техника эксперимента, 2021, № 2, стр. 139-142

В состав энергетического оборудования установки КИ-1 входят следующие системы: генератор фоновой плазмы (θ-пинч), источник питания соленоида продольного магнитного поля, импульсный СО₂-лазер, электронный инжектор, источники питания магнитных систем мишеней и др. [1, 2]. Стандартной средой передачи сигналов на установке является коаксиальный кабель.

В цикле измерений эти системы запускаются в определенной последовательности, при этом коммутируются мощности до единиц мегаватт. Даже небольшая часть этой мощности, вытекающей за пределы одних систем, вызывает существенные проблемы в работе других. В первую очередь страдает синхронизация измерительных систем, принципиально работающих с малыми сигналами.

Под действием утечек мощности со стороны энергетических систем, в кабеле наводятся токи, которые можно разделить на две группы: токи, наведенные на внешней стороне оплетки кабеля, и токи, наведенные на внутренней поверхности оплетки и поверхности жилы кабеля [3]. Действие токов проявляет себя по-разному: ток, текущий по наружной стороне, стекает на корпус измерительного прибора, изменяя его потенциал относительно измеряемой цепи, и вносит ошибку в измерения, тогда как ток, наведенный на внутренней поверхности, может вызывать ложные запуски, полностью срывая процесс измерения. В данном контексте ток первого типа называется синфазной помехой, а второго – дифференциальной помехой [4].

В настоящее время система передачи импульсов синхронизации измерений (триггера) на установке КИ-1 Института лазерной физики (ИЛФ) СО РАН выполнена на основе коаксиального кабеля, сами импульсы триггера генерируются секвенсором на основе генераторов задержанных импульсов ГЗИ-6, размещенных в защищенном зале. Этот же секвенсор генерирует импульсы зажигания водородных тиратронов силовых цепей установки. Для ограничения уровня наведенного на оплетку кабеля тока используется дополнительное экранирование, а для ограничения области растекания наведенного тока используется развязывающее устройство на основе разделительного импульсного трансформатора. Однако достигнутый уровень надежности запуска измерительной аппаратуры оказался недостаточным, так как заметная часть измерений происходила не по триггеру, а по помехе от срабатывания тиратронов, в связи с чем было необходимо уменьшить проникновение помехи, не ухудшая точность привязки измерений к триггеру.

При анализе ситуации было выявлено, что основной проблемой является неидеальность применяемого развязывающего трансформатора, а именно, паразитная емкость между витками и обмотками [5]. Паразитная емкость позволяет напряжению помехи, наводящемуся на наружной стороне оплетки кабеля, проникать в виде тока на его внутреннюю сторону, т.е. преобразует синфазную помеху в дифференциальную.

При типичной для применяемых на КИ-1 ИЛФ СО РАН тиратронов скорости нарастания напряжения 10¹⁰ В/с и паразитной проходной емкости трансформатора 1 пФ ток дифференциальной помехи составит 10 мА на каждый вольт синфазной помехи, а соответствующее эквивалентное сопротивление проникновения будет составлять около 100 Ом. Для среды с характеристическим волновым сопротивлением 50 Ом это означает, что коэффициент проникновения помехи имеет значение приблизительно –10 дБ, что и объясняет неудовлетворительную работу цепей синхронизации измерительной аппаратуры.

Применение для синхронизации измерительных систем серийно выпускаемых оптронов интегральной компоновки бесперспективно, поскольку их паразитная емкость имеет величину, сравнимую с паразитной емкостью трансформатора – порядка 1 пФ, а следовательно, и проникновение помехи приблизительно –10 дБ. К тому же, если трансформатор передает сигнал триггера с ослаблением 0 дБ, то оптрон передает только 1% сигнала, т.е. –40 дБ. Очевидно, что оптрон существенно проигрывает трансформатору.

Для решения задачи надежной передачи сигнала триггера было использовано развязывающее устройство (фильтр) на основе широкополосного синфазного трансформатора на длинной линии [6, 7]. Устройство переносит сигнал триггера от потенциала кабельной линии, идущей из защищенного зала, к потенциалу экранированного объема на установке, в котором размещена измерительная аппаратура, а затем к потенциалам корпусов самой измерительной аппаратуры.

Соответственно устройство выполнено по двухкаскадной схеме, где первый каскад используется для получения нормализованного относительно местного потенциала экранированного объема квазидифференциального сигнала умеренной амплитуды, а второй каскад – для получения разветвленного сигнала с “мягкой” связью местного потенциала и корпусов регистрирующей аппаратуры. Его принципиальная схема приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Принципиальная схема согласующего устройства.

Разъем входного кабеля РК-50, приходящего из защищенного зала от секвенсора цикла измерений, на рис. 1 обозначен XS₁. Основную энергию импульса зажигания поглощает объемный угольный резистор R₁ (ТВО-2-56 Ом). Далее сигнал ослабляется делителем R₂, R₃ до ~60 В относительно оплетки входного кабеля, а перемычка (джампер) J₁, позволяет замыкать оплетку входного кабеля либо напрямую на корпус экранированного объема (Box Ground), либо через резистор R₄. Джампер J₁ необходим для быстрого определения природы наводки: проводя эксперимент по проникновению наводки в режимах короткого замыкания (к.з.) и холостого хода (х.х.), можно определить оптимальное сопротивление терминирующего резистора для синфазной моды. Обычно эта величина составляет десятки ом, и резистор R₄ = 47 Ом может оказаться если не оптимальным, то приемлемым. Если довлеющий источник энергии наводки – разность потенциалов концов кабеля, то предпочтительным окажется режим х.х. (снятый джампер), а в случае наводки по емкости на оплетку кабеля предпочтительной будет работа в режиме к.з. При комбинированной наводке оптимальным будет подключение резистора R₄.

Ослабленный до умеренной амплитуды сигнал подается на вход синфазного трансформатора Tр1, который выполнен двадцатью двумя витками бифилярно свитого провода МГТФ-0.05 с волновым сопротивлением искусственной линии ~100 Ом на четырех кольцах К10 × 7 × 6 из феррита М2000НМ-5. Симметричная структура выхода позволяет замкнуть остаточные токи синфазной моды на местную землю, независимо от токов сигнала триггера. Трансформатор пропускает сигнал дифференциальной моды без изменений, а для сигнала синфазной моды представляет собой индуктивность.

Резисторами R₅–R₈ образован делитель с большим коэффициентом ослабления. Ослабление синфазной моды существенно выше, чем для дифференциального сигнала. Структура выбрана так, что на выходе каскада присутствует парафазный относительно местного потенциала корпуса экранированного объема сигнал размахом ±12 В. На рис. 2 приведены осциллограммы для выхода развязывающего устройства на основе широкополосного импульсного трансформатора. Луч C1 – выходной сигнал первого каскада развязывающего устройства, луч C2 – контрольный сигнал с выхода генератора, эквивалент 300 В, скорость развертки 500 нс/деление.

Рис. 2.

Выходной сигнал развязывающего устройства на основе широкополосного импульсного трансформатора: а – дифференциальная мода, б – синфазная мода. Масштаб по вертикали: C1 –5 В/деление, C2 – 150 В/деление, по горизонтали – 500 нс/деление.

Второй каскад так же построен на основе синфазного трансформатора Tр2, идентичного по исполнению. Он принимает парафазный сигнал триггера и переносит его без изменения на потенциал корпусов измерительной аппаратуры, где с помощью резистивного делителя R₁₀, R₁₁ амплитуда ослабляется до желательного уровня около 1–5 В, а затем через резисторы последовательного согласования R₁₂–R₁₅ разветвляется на измерители. Так же, как и на входе, имеется перемычка J₂, позволяющая оптимизировать поведение уравнивающих токов, приходящих на корпуса измерителей по сигнальным кабелям со стороны датчиков. На рис. 3 представлены осциллограммы сигналов с выхода одного из четырех идентичных друг другу кабелей. Луч C1 – выходной сигнал второго каскада устройства, луч C2 – контрольный сигнал с выхода генератора, эквивалент 300 В, скорость развертки 200 нс/деление, длительность фронта 20 нс.

Рис. 3.

Выходной сигнал второго каскада: а – дифференциальная мода, б – синфазная мода. Масштаб по вертикали: C1 – 5 В/деление, C2 – 150 В/деление, по горизонтали – 200 нс/деление.

Выводы. Спроектировано и изготовлено развязывающее устройство цепи передачи сигнала триггера для синхронизации системы регистрации установки КИ-1 ИЛФ СО РАН. Фронт дифференциального сигнала триггера по сравнению с исходным устройством улучшен на порядок – с 300 до 30 нс. Измеренное проникновение синфазной помехи с фронтом 20 нс в цепь сигнала не превышает –80 дБ, что существенно лучше –26 дБ для исходного устройства. Устройство испытано с синфазными импульсами амплитудой до 600 В. Продемонстрирована работоспособность устройств на основе синфазного трансформатора в условиях высоковольтных высокочастотных помех и существенно улучшены оба основных параметра. Достигнута надежная синхронизация системы регистрации установки КИ-1 в реальных условиях экспериментов.