ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 5, с. 98-101
^ ЭЛЕКТРОНИКА ^^^^^^^^^^^^^^
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.319.53
ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДИФФУЗНЫХ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ © 2009 г. Е. Г. Крастелев, С. П. Масленников, Э. Я. Школьников
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 Поступила в редакцию 25.03.2009 г.
Описывается генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности для исследований диффузных разрядов в газах при давлениях, близких или равных атмосферному. На эквивалентной нагрузке (1.3 кОм, 15 пФ) генератор вырабатывает импульсы длительностью (на полувысоте) ~50 нс, амплитудой напряжения >50 кВ, с временем нарастания 10—12 нс и частотой повторения до 1 кГц. Генератор выполнен на доступной и недорогой элементной базе, допускает оперативную регулировку амплитуды (энергии) выходных импульсов и частоты их повторения в широких пределах, помехоустойчив и надежен в работе.
РАСЯ: 84.30.Jc
ВВЕДЕНИЕ
Низкотемпературная неравновесная плазма, получаемая в газовых разрядах, востребована для многих практических применений. В их числе технологические процессы очистки и плазменного травления в микроэлектронике, решение экологических задач плазмохимического преобразования токсичных отходов и выхлопных газов, обеззараживание и стерилизация оборудования и инструментария в биологии и медицине. Эффективное вложение энергии в разряд при атмосферном (что практично) давлении газов достигается при формировании разряда в стримерной форме в условиях, когда в течение короткого времени в межэлектродном промежутке формируется большое число стримерных каналов, которые вместе образуют объемную область неравновесной плазмы ("диффузный" разряд) [1]. Для возбуждения такой формы разряда необходимы генераторы мощных высоковольтных импульсов длительностью в несколько десятков наносекунд — время существования стримерного канала в межэлектродном зазоре сантиметрового диапазона [1—5].
В экспериментальных исследованиях для получения таких импульсов широко используются генераторы с разрядом емкостного накопителя в виде формирующей линии, коммутируемой искровым разрядником [2—5]. Однако наличие в схеме искрового разрядника ограничивает частоту повторения импульсов, а именно повышение частоты рассматривается в настоящее время как один из основных путей увеличения средней мощности и, соответственно, производительности плазмохимических реакторов [5].
Ниже описывается генератор высоковольтных наносекундных импульсов, работающий с частотой повторения до 1 кГц (разработан на кафедре электротехники МИФИ). В качестве коммутатора емкостного накопителя выходного каскада (формирователя наносекундных импульсов) в генераторе использован водородный тиратрон. Генератор обеспечивает возможность оперативного плавного регулирования амплитуды (энергии) импульсов в широких пределах, что необходимо при проведении исследований методов возбуждения, а также характеристик диффузных разрядов в различных электродных системах.
СХЕМА ГЕНЕРАТОРА
Упрощенная принципиальная схема генератора представлена на рис. 1. Генератор содержит выпрямитель напряжения сети с регулирующим автотрансформатором (на рис. 1 не показаны) и три каскада компрессии импульсов, которые представляют собой три функциональных узла: импульсное сетевое зарядное устройство I, высоковольтное зарядное устройство II и формирователь наносекундных импульсов III. Управление работой узлов генератора и его защитное отключение в аварийных режимах осуществляется сигналами блока управления.
Выпрямленное сетевое напряжение подается на конденсатор С1, который выполняет функции фильтрующей емкости и основного накопителя энергии. С помощью автотрансформатора уровень зарядного напряжения регулируется в диапазоне 150-310 В.
+560 В 100 мкс
+20 кВ 10 мкс
-50 кВ 50 нс
+310 В К1 Д1
фс,
•О
I
Запуск У5\
Лз
Блок управления
Запуск У52 | [Запуск УЬ
Эл. защита
Рис. 1. Схема генератора: I — импульсное сетевое зарядное устройство; II — высоковольтное зарядное устройство; III - формирователь наносекундных импульсов. УЬ -ТГИ1-1000/25; УБ1 -ТЧ-40-9, У32 -ТЧИ-100-9; Д1 — 20ETF-12, Д2 — КЦ108В (12 последовательно); С1 — 1540 мкФ (7 параллельно К50-35 220мкФ-350В), С2 — 3.0 мкФ (30 параллельно ШМА FKP 0.1 мкФ-1600В), С3 — 2200 пФ (2 параллельно сборки по 3 последовательно КВИ-3 3300пФ-10 кВ); Я1 —
0.1 Ом (18 параллельно МЛТ-2 1.8 Ом); Ь1 = 37.5, Тр2 — Ктр = 3.4.
100 мкГн, ¿2 — 10 мкГн, ¿3 — насыщающаяся индуктивность; Тр1 — Кт
тр ~
При включении тиристора У51 происходит импульсная зарядка конденсатора С2. Этот конденсатор служит промежуточным накопителем и дозатором энергии импульсов — его емкость определяет долю энергии, отбираемую из основного накопителя С1 и передаваемую в накопитель формирователя наносекундных импульсов С3. Для выбранного соотношения емкостей С1 и С2 амплитуда напряжения импульсной зарядки конденсатора С2 приблизительно в 1.8 раза превышает исходное напряжение на С1 и изменяется от 270 до 560 В при регулировании зарядного напряжения С1 в указанном выше диапазоне. Это соответствует запасаемой в С2 энергии (0.11— 0.47 Дж). Длительность зарядки составляет ~100 мкс и задается индуктивностью Ь1.
В цепь зарядки конденсатора С2 включена первичная обмотка трансформатора Тр1. Протекающий по ней импульс зарядного тока перемагни-чивает сердечник, подготавливая его к циклу разряда С2. Для предотвращения спада напряжения на С2 обратной полуволной тока до запирания тиристора У81 последовательно с ним включен диод Д1 с малым временем восстановления.
После завершения процесса зарядки конденсатора С2 из блока управления поступает сигнал, отпирающий тиристор УS2. Через открытый тиристор и повышающий импульсный трансформатор Тр1 происходит перекачка энергии из конденсатора С2 в конденсатор С3 в следующей ступени генератора — формирователе наносекундных импульсов (емкости конденсаторов согласованы условием максимальной передачи энергии С3 ~ « С2/(Кгр)2, где Ктр — коэффициент трансформации Тр1). Время зарядки конденсатора С3 состав-
ляет ~10 мкс, максимальное напряжение на нем <20 кВ, эффективность передачи энергии ~93%. Сборка высоковольтных диодов Д2 во вторичной цепи импульсного трансформатора предотвращает обратный разряд конденсатора С3, закрываясь после достижения максимума напряжения.
Для обеспечения устойчивой и надежной работы генератора в условиях воздействия мощных электромагнитных помех и импульсных перегрузок в его схеме предусмотрены защитные цепи ключевых элементов и система автоматического отключения питания. При одновременном открытии тиристоров У51 и и протекании сквозного тока в блоке управления срабатывает электронная защита, входной сигнал которой снимается с рези-стивного шунта Я1. Тиристоры защищены от коммутационных перенапряжений резистивно-ем-костными цепочками и варисторами.
Выходной каскад генератора обеспечивает дальнейшее сжатие импульса и увеличение его амплитуды до >50 кВ. С этой целью разряд конденсатора С3 на нагрузку осуществляется через импульсный высоковольтный автотрансформатор Тр2 с коэффициентом трансформации Ктр = = 3.4. В качестве коммутатора в этом каскаде используется импульсный водородный тиратрон ТГИ1-1000/25. Для быстрого и стабильного включения на его сетку подается импульс управления с амплитудой напряжения 800 В и током 5 А, генерируемый формирователем запускающих импульсов на основе тиратрона ТГИ1-3/1 в блоке управления.
Наличие автотрансформатора в цепи разряда емкости С3 приводит к появлению на аноде тиратрона напряжения обратной полярности. В рабочих режимах его амплитуда составляет 2—3 кВ,
100
КРАСТЕЛЕВ и др.
Рис. 2. Конструкция формирователя наносекундных импульсов. 1 — тиратрон ТГИ1-1000/25; 2 — заземленная шина обратного токопровода; 3 — конденсаторы емкостного накопителя; 4 — проходные изоляторы; 5 — корпус автотрансформатора Тр2; 6 — сердечник автотрансформатора; 7 — обмотка.
что не превышает допустимые значения для используемого тиратрона. При работе генератора на нагрузку с малым сопротивлением (например, в случае пробоя) величина обратного напряжения может выйти за допустимые пределы. Чтобы избежать повреждения тиратрона, параллельно ему включена защитная диодно-резистивная цепочка (на рис. 1 не показана).
КОНСТРУКЦИЯ УЗЛОВ ГЕНЕРАТОРА
Импульсный трансформатор Тр1 выполнен на кольцевом сердечнике из аморфного материала марки 30КСР типоразмером К100 х 60 х 20. Первичная обмотка трансформатора содержит 8 витков и выполнена жгутом из 26 проводов марки ПЭВ-2
Рис. 3. Внешний вид блока формирователя наносекундных импульсов. 1 — тиратрон ТГИ1-1000/25; 2 — конденсаторы емкостного накопителя; 3 — проходные изоляторы; 4 — корпус автотрансформатора.
0.51 мм. Вторичная обмотка с числом витков, равным 300, намотана проводом ПЭВ-2 0.38 мм. Коэффициент трансформации Ктр = 37.5. Трансформатор помещен в герметичный корпус из алюминия, заполненный трансформаторным маслом.
Формирователь наносекундных импульсов генератора, включающий в себя высоковольтный автотрансформатор Тр2, импульсный тиратрон VL и емкостный накопитель энергии C3, с целью минимизации индуктивности разрядной цепи выполнен в виде единого блока квазикоаксиальной конструкции (рис. 2), что способствует уменьшению паразитной индуктивности разрядного контура.
Автотрансформатор Тр2 выполнен на сердечнике из трех ферритовых колец К100 х 60 х 15 марки М100НН. Его обмотка намотана проводом МГТФ 0.35 мм в виде трех параллельно включенных секций. Она содержит 17 витков, отвод для подключения первичной цепи выполнен на пятом витке. Коэффициент трансформации Ктр = 3.4. Трансформатор размещен в герметичном масло-наполненном корпусе в виде отрезка полиэтиленовой трубы с фланцами из оргстекла.
Внешний вид блока выходного каскада генератора наносекундных импульсов показан на рис. 3.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА
На рис. 4а, б представлены осциллограммы выходных импульсов напряжения на резистивно-емкостной нагрузке с сопротивлением 1.3 кОм и емкостью 15 пФ. Осциллограмм
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.