научная статья по теме ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДИФФУЗНЫХ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДИФФУЗНЫХ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ»

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.

Показать целиком