ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 63-66
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.384.6+621.373.1
АВТОЗАПУСК ТИРАТРОНА С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ В ГЕНЕРАТОРЕ ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
© 2015 г. И. С. Егоров, В. С. Есипов, Е. И. Луконин, А. В. Полосков
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт физики высоких технологий, Лаборатория № 1 Россия, 630050, Томск, просп. Ленина, 2а E-mail: egoris@tpu.ru Поступила в редакцию 14.04.2014 г.
Описана схема запуска высоковольтного сильноточного коммутатора типа ТДИ в составе генератора импульсного напряжения для питания вакуумного диода частотного электронного ускорителя "Астра". Ее особенностью является автоматический режим запуска коммутатора, синхронизованный с процессом зарядки высоковольтного емкостного накопителя. Энергия, необходимая для формирования импульса управления (1 Дж), отбирается в процессе заряда высоковольтного емкостного накопителя с помощью импульсного трансформатора тока. Синхронизация процессов осуществляется пик-трансформатором, включенным в цепь зарядки накопителя. Элементная база схемы рассчитана на непрерывный режим работы с частотой повторения до 100 с-1.
DOI: 10.7868/S0032816215010164
Высоковольтные коммутаторы нового поколения — тиратроны с холодным катодом (псевдоискровые разрядники), имеют коммутационные характеристики, по совокупности параметров подходящие для построения генераторов импульсного напряжения (г.и.н.) субмикросекунд-ного диапазона с емкостными накопителями энергии [1, 2]. Наиболее мощные из них — тиратроны с дуговой формой разряда типа ТДИ, представляют собой приборы, не требующие обслуживания и удобно встраиваемые в конструкцию г.и.н. В отличие от импульсных водородных тиратронов [3], содержащих термоэмиссионный катод, тиратроны с холодным катодом потребляют энергию только для питания генератора водорода Я и поглотителя (геттера) О вне зависимости от величины коммутируемого тока.
Основные требования, предъявляемые к поджигающим импульсам: обеспечение амплитуды тока и напряжения, а также крутизны фронта напряжения рекомендованных производителем тиратронов. Последний параметр в значительной мере влияет на статистический разброс задержки включения прибора с момента подачи поджигающего импульса (джиттер). Для тиратрона ТДИ4-100к/75ПД амплитудные значения параметров импульсов поджига составляют: напряжение 3.5— 6 кВ, ток 80—120 А, крутизна фронта импульса напряжения не менее 5 кВ/мкс, при этом джиттер составляет около 3 нс. Суммарная потребляемая мощность питания генератора водорода Я и геттера О не превышает 20 Вт [4].
Генераторы поджигающих импульсов различных модификаций выпускаются предприятием-изготовителем тиратронов (ООО "Импульсные технологии", Рязань) [4]. Например, поджигающий блок ПБ-3Д, предназначенный для управления тиратронами серии ТДИ, обеспечивает все необходимые параметры поджигающих импульсов, а также питание генератора водорода Я. Максимальная частота повторения импульсов в режиме внешней синхронизации составляет 0.5-2.5 Гц.
В статье представлена схема запуска коммутатора (СЗК), которая использует часть энергии (1Дж), запасаемой в коммутируемом высоковольтном емкостном накопителе. Предложенная СЗК применялась при работе г.и.н. импульсного электронного ускорителя "Астра" [4], принципиальная схема которого приведена на рис. 1. Ускоритель позволяет генерировать и инжектировать в атмосферу электронный пучок длительностью 60 нс на полувысоте с частотой до 50 с-1 при максимальной энергии электронов до 370 кэВ. Энергия, переносимая электронным пучком в атмосферу, при этом составляла 4.5 Дж/импульс [4]. Более поздняя версия ускорителя, построенного по аналогичной схеме, позволяла генерировать пучок электронов с энергией до 470 кэВ и длительностью тока 75 нс на полувысоте. За импульс пучком в атмосферу переносилось до 10 Дж энергии с частотой следования до 40 с-1 при продолжительной автоматической работе ускорителя [5].
Сильноточная (силовая) часть г.и.н. ускорителя состоит из сетевого преобразователя П, пер-
64
ЕГОРОВ и др.
Рис. 1. Принципиальная схема генератора импульсов напряжения. П — сетевой преобразователь с функцией стабилизации тока; ГИ — генератор импульсов; К—А — вакуумный диод; ПЭ — поджигающий электрод; VSl — тиристор ТБИ 253-1000-36; VS2 - тиратрон ТДИ4-100к/75ПД; VS3 — импульсный водородный тиратрон ТГИ1-500/16; Дь Д3 -КЦ108Б, Д2 — Д123-200-60; Тр1 — повышающий импульсный трансформатор — 8 витков медной фольги сечением 24 мм2, — 170 витков ПЭТВ-1 сечением 0.75 мм2, сердечник ПЛ40 х 80-160, материал Э320-0.35), Тр2 — пик-трансформатор (^1 — 10 витков ПЭЭВП-1.4, 180 витков ПЭТВ-2 сечением 1 мм2, сердечник К180 х 110 х 20, материал 30ПМ), Тр3 — импульсный трансформатор тока (^ — 4 витка и — 3 витка МГШВ-1.0, сердечник К80 х 50 х 20, материал 50НП), Тр4 — повышающий импульсный трансформатор (^ — 1 виток (организован конструкцией [1]), ^ — 6 секций по 12 витков медной фольги сечением 6 мм2, сердечник К340 х 240 х 75, материал 50НП); С1 — К78-41-20 мкФ-3 кВ (2 параллельно), С2 — К75-74-0.047 мкФ-40 кВ (8 последовательно-параллельно), С3 — К75-74-0.047 мкФ; резисторы — ТВО-2.
вичного емкостного накопителя Сь тиристора VS1, повышающего импульсного трансформатора Тр1, высоковольтного емкостного накопителя С2, повышающего импульсного трансформатора Тр4 и нагрузки, представляющей ускоряющий промежуток К—А вакуумного электронного диода ускорителя "Астра". Передача энергии в нагрузку происходит при включении тиратрона VS2. Трансформаторы Тр2 и Тр3, первичные обмотки которых замыкают "земляную" цепь зарядки С2, представляют собой пик-трансформатор и импульсный трансформатор тока соответственно.
Энергия, необходимая для формирования поджигающего импульса, поступает в конденсатор С3 через понижающий трансформатор тока Тр3 (полярность указана на схеме). Высоковольтный емкостный накопитель С2 и конденсатор С3 заряжаются одновременно и синфазно. Преобразователь позволяет заряжать С! постоянным током. Напряжение на Сх изменяется по линейному закону, к.п.д. зарядки достигает 85% [6]. Характерные осциллограммы процессов зарядки С2, а также импульсы управления представлены на рис. 2.
Схема запуска коммутатора состоит из быстродействующего ключа VS3, конденсатора С3 с зарядной цепью (Тр3, Д2) и пик-трансформатора Тр2 с цепью выделения положительного импульса, соответствующего окончанию зарядки С2 и С3.
Работа г.и.н. происходит следующим образом: сигналом с генератора импульсов ГИ открывается тиристор VS1, и энергия, запасенная Сх в паузе между импульсами ускоряющего напряжения, передается в С2 через повышающий импульсный трансформатор Тр1. Зарядный ток С2 имеет синусоидальную форму (рис. 2а) и для выходного трансформатора Тр4 (рис. 1) является размагничивающим. Одновременно через трансформатор тока Тр3 заряжается формирующий конденсатор С3 с полярностью, указанной на схеме. При отпирании VS3 сигналом с пик-трансформатора Тр2 в момент окончания зарядки С2 конденсатор С3 разряжается через токоограничивающее сопротивление Ях = 10 Ом на поджигающий электрод ПЭ тиратрона VS2, осуществляя таким образом жесткую синхронизацию моментов накопления и вывода энергии из С2 в нагрузку.
Конструктивно СЗК выполнена на диэлектрической плате и расположена в непосредственной близости от выводов тиратрона VS2 для минимизации длины кабеля поджига. Источники питания Я и С могут располагаться в любом месте, однако защитные помехоподавляющие конденсаторы (на схеме не показаны) необходимо закрепить непосредственно на выводах запускаемого прибора.
Генератор импульсов напряжения, собранный по описанной выше схеме, успешно эксплуатировался в течение трех лет в качестве источника
АВТОЗАПУСК ТИРАТРОНА С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ
65
300 200 100 0
-100
600 500 400 300 200 100 0 100
30
20
10
10 15 20 25 30 35
10
В
м
о
Я
о *
«
л с
се Я о о Я
ч «
л
се
З
(б)
К
-4ч«
В
М яТ
1-е
Я *
§ я
о Я Я
о *
«
л я
се
150
Й 100 *
ч о Я м о
Т
50
5 10 15 20 25 30 35 Т, мкс
500
1000 Т, нс
1500 2000
Рис. 2. Осциллограммы: а — зарядного тока и напряжения емкостного накопителя С^, б — напряжения с пик-трансформатора; в, г — соответственно напряжения и тока поджига тиратрона РЗ^.
0
0
ускоряющего напряжения и показал надежную и безаварийную работу.
Разработанная схема автозапуска псевдоискрового разрядника ТДИ4-100к/75ПД полностью удовлетворяет техническим условиям на поджигающие импульсы [4]. Из осциллограмм следует, что амплитудное значение напряжения составляет 5 кВ. Максимальный ток (>120 А) ограничивается резистором Я4 в цепи поджигающего электрода. Крутизна фронта импульса напряжения намного превосходит рекомендованную величину и составляет 180 кВ/мкс. При необходимости напряжение и ток можно изменять, корректируя число витков вторичной обмотки Тр3, а также номиналы конденсатора С3 и резистора Я1.
Гальваническая развязка зарядной цепи С3 позволяет получать импульсы без ухудшения параметров в случае, когда катод тиратрона должен находиться под высоким потенциалом относительно земли. При этом схемы питания накалов тиратронов УБ2 и также должны быть развязаны, что с учетом сравнительно небольшой потребляемой мощности - выполнимая задача.
Исходя из описанного выше, можно выделить следующие достоинства представленной схемы запуска коммутатора: отсутствуют дополнительные источники энергии для формирования поджигающего импульса; не требуется блок задержки
и синхронизации; поджигающий импульс передается непосредственно на поджигающий электрод тиратрона, обеспечивая максимальную крутизну импульсов. Кроме того, управление г.и.н. сводится к формированию всего одного импульса, включающего тиристор, что значительно упрощает эксплуатацию г.и.н.
Высокая надежность обусловлена минимальным количеством элементов устройства поджига. Временная нестабильность поджигающих импульсов, в данном случае, принципиального значения не имеет, поскольку скорость изменения напряжения на высоковольтном накопителе С2 в момент поступления импульса поджига близка к нулю. Измеренная величина нестабильности амплитуды зарядн
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.