ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 3, с. 86-90
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
УДК 549.73
ФОРМИРОВАНИЕ СУБНАНОСЕКУНДНОГО ФРОНТА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ В КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ
С НЕНАСЫЩЕННЫМ ФЕРРИТОМ
© 2008 г. К. В. Афанасьев, О. Б. Ковальчук, В. О. Кутенков, И. В. Романченко, В. В. Ростов
Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 Поступила в редакцию 11.07.2007 г.
Исследовано высоковольтное формирующее устройство с использованием отрезка коаксиальной передающей линии, заполненной ферритом, для укорочения фронта наносекундных импульсов. Показано, что для укорочения фронта импульсов субмегавольтного уровня подходят никель-цинковые ферриты с низкой проводимостью. Проведены эксперименты для двух вариантов ферритовой линии, а также различных длин отрезков, заполненных ферритом. Результаты исследований указывают на возможность сокращения длительности фронта импульса с амплитудой падающей волны 110-360 кВ вплоть до 0.7 нс при частоте следования импульсов до 100 Гц.
PACS: 75.50.Dd, 85.80.Jm
ВВЕДЕНИЕ
Сокращение длительности фронта высоковольтного импульса напряжения амплитудой в сотни киловольт, распространяющегося по коаксиальной линии передачи, как правило, решается применением обостряющих разрядников различных конструкций. Эти устройства, требующие тщательного расчета и моделирования, позволяют обеспечить на нагрузке (участке передающей коаксиальной линии) скорости нарастания напряжения до 1 МВ/нс [1]. Однако для обостряющих разрядников характерны ограничения по частоте повторения импульсов, ресурсу работы и другие недостатки.
Одним из способов укорочения фронта высоковольтного наносекундного импульса может быть использование обостряющей линии, заполненной ферритом [2, 3]. Высокие уровни напряжения (сотни киловольт) и тока (единицы кило-ампер) в передающих участках линии позволяют на ферритовых кольцах стандартного ряда реализовать нелинейное формирующее устройство, в котором сокращение длительности фронта импульса осуществляется благодаря формированию ударной электромагнитной волны в феррите. Подобный подход описан в некоторых ранних публикациях [3-5]. Однако уровень рабочих напряжений для этих устройств не превышал 250 кВ, а скорость нарастания напряжения -100 кВ/нс.
В данной работе исследовалась возможность формирования высоковольтного импульса с как можно более короткой длительностью фронта,
проходящего участок коаксиальной линии, частично заполненной ненасыщенным ферритом.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Обострение фронта импульса в линии с ферритом обычно связывают с диссипацией энергии на фронте [6]. При этом нелинейность магнитной проницаемости и дисперсию не рассматривают отдельно, а только в связи с диссипацией на пере-магничивание феррита.
Для расчета обострения фронта импульса напряжения применима модель стационарной ударной электромагнитной волны в линии с ненасыщенным ферритом [6, 7]. В основе этой модели лежит теория некогерентного перемагничивания феррита в магнитном поле, существенно превышающем коэрцитивную силу [6]. Согласно [7], длительность фронта по уровню 0.1-0.9 равна
тф =
1 2 1 + а
2ау H
f ( Wq ),
(1)
f
где т0 = Ин/М, Ин - начальная намагниченность, И, - намагниченность насыщения феррита, а -коэффициент диссипации, зависящий от физических свойств феррита, у - гиромагнитное отношение для электрона.
Феноменологический параметр а представляет собой коэффициент затухания колебаний, возбуждаемых в феррите при перемагничивании. Типичные значения а лежат в диапазоне 0.0010.5 [8]. В проведенных экспериментах начальная намагниченность соответствует остаточной намагниченности феррита. Напряженность магнит-
7
Рис. 1. Схема высоковольтного наносекундного генератора с линией, заполненной ферритом. 1 - генератор импульсов, 2,4 - линия 50 Ом, 3 - линия с ферритом, 5 - нагрузка 68 Ом, 6, 8 - делители напряжения, 7 - осциллограф ТБ87404.
ного поля И/ есть напряженность, развиваемая в феррите за фронтом импульса. Она связана с волновым сопротивлением р / и амплитудой напряжения и/ в линии, заполненной ферритом, соотношениями
Р/ = р/ТЁ/ = +
П (1 - т0) М* И
И/ =
и/
(2)
п Бър/
/ =
1ф1
И
4ьС0 П М*(1- т0)'
(3)
Хф, не 3.2 на
2.8
2.4
2.0
1.6
1.2
0.8
Линия 2
Линия 4
А ж
где р I - сопротивление линии с ферритом, рассчитанное при ц = 1; коэффициент заполнения линии П и параметр определяются геометрией линии [9]. Таким образом, величины И/ и р/ устанавливаются за фронтом импульса самосогласованно.
Минимальная длина линии с ферритом, на которой формируется стационарный фронт, определяется выражением [10]:
где Тф1 - длительность линейно нарастающего фронта падающего импульса; Ь0 и С0 - погонные индуктивность и емкость линии.
При этом наращивание длины ферритовой линии сверх величины (3) не должно приводить к дальнейшему укорочению фронта импульса, а сопровождается сокращением длительности импульса. Величина Тф1//, не зависящая от длительности фронта исходного импульса, а определяемая только параметрами линии, будет сравниваться с экспериментальными результатами.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема подключения элементов устройства представлена на рис. 1. Генератор исходных импульсов 1 на основе трансформатора Тесла в формирующей линии позволяет получать на нагрузке сопротивлением 50 Ом импульс напряжения амплитудой 110-360 кВ, длительностью на полувы-
120 160 200 240 280 320 360
и, кВ
Рис. 2. Длительности фронта импульса Тф в линии 2 и в линии 4 при различных напряжениях генератора падающих импульсов; сплошная линия - теоретическая кривая.
соте 9 нс и фронтом (на уровне 0.1-0.9) 3.2-1.7 нс с частотой повторения импульсов до 100 Гц. Внутреннее сопротивление генератора ~30 Ом. Формирующее устройство размещено в металлической трубе 0125 мм, заполненной трансформаторным маслом, и состоит из двух участков линии передачи 2 и 4 с волновым сопротивлением р0 ~ ~ 50 Ом и линии 3, заполненной ферритом. На центральный проводник линии 3 диаметром 50 мм плотно посажены кольца стандартного типоразмера К80 х 50 х 7.5 из феррита 200 ВНП-3. Феррит этой марки выбран из-за его высокочастотных качеств [11], а также электропрочности, которая известна из опыта. Количество колец варьировалось от 38 до нуля. Между поверхностью ферритовых колец и наружным проводником линии достаточно масляного зазора для внутренней изоляции линии на рабочем уровне напряжения. Резистивная нагрузка 5 имела сопротивление Ян = = 68 Ом.
Измерение импульсного напряжения в линии 2 проводилось с помощью емкостного делителя напряжения 6, в линии 4 - делителя напряжения 8. Сигналы регистрировались осциллографом 7 (ГО87404) с полосой пропускания 4 ГГц и частотой дискретизации 20 ГГц.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Зависимость длительности фронта импульса в линиях 2 и 4 от напряжения падающей волны показана на рис. 2.
Напряжение на выходе генератора регулировалось подбором давления газа в разряднике. С ростом напряжения в линии 2 фронт импульса укорачивался. Влияние длительности фронта импульса перед ферритовой линией на длительность фронта
t, не
Рис. 3. Оециллограммы импульеа, еовмещенные по заднему фронту, на выходе ферритовой линии 3 в линии 4 при одинаковом иеходном импульее амплитудой ~280 кВ для 26, 20, 14 и 8 колец.
после нее сказывалось при количестве колец меньше 20. При увеличении числа колец от 20 до 38 при фиксированном напряжении происходило только сокращение длительности выходного импульса, а его фронт не изменялся во всем диапазоне напряжений. Погрешность измерений длительности фронта лежит в пределах погрешности осциллографа.
Для расчета теоретической кривой выбраны следующие параметры феррита: Ы5 = 320 кА/м, т0 = 0.63 [11]. Наилучшее согласие теоретической зависимости (1) с экспериментальной кривой достигнуто при параметре а = 0.4. Относительная диэлектрическая проницаемость феррита при длительности импульса —10 нс принималась равной 7 [9]. Видно хорошее согласие с экспериментальными данными при амплитуде напряжения в падающем импульсе >200 кВ. Расхождение с экспериментом при меньшем напряжении, по-видимому, может состоять в разном характере потерь на пе-ремагничивание: при меньшем напряжении магнитные потери обратимы, при большем необратимы.
На рис. 3 приведена характерная осциллограмма, иллюстрирующая диссипативный механизм формирования фронта импульса в ферритовой линии.
После отметки 20 нс от начала импульса на осциллограммах формируется длинный послеим-пульс, плавно спадающий от —(50-70) кВ до нуля. При увеличении числа колец послеимпульс становится длиннее и при 38 кольцах достигает —20 нс. Форма и амплитуда послеимпульса почти не изменяются при различных напряжениях, а определяются, в основном, длиной ферритовой
Дж/ем
и, кВ
Рис. 4. Потери на фронте импульса, отнесенные к
единице длины ферритовой линии.
линии. То есть энергия, выделяемая в послеим-пульсе, почти не зависит от напряжения. При амплитуде напряжения в падающем импульсе —110 кВ она примерно равна энергии, поглощенной на фронте импульса. Магнитные потери при этом носят обратимый характер. При увеличении напряжения энергия, диссипируемая на фронте, возрастает. И при увеличении амплитуды импульса до —360 кВ необратимые потери становятся преобладающими.
Зависимость магнитных потерь на фронте импульса на единицу длины линии от амплитуды исходного импульса приведена на рис. 4. Она вычислялась по разнице площадей импульсов для разного количества колец. Как следует из рис. 3, эта разница соответствует энергии, диссипируемой на фронте.
В частности, при максимальной длине линии 32 см и максимальной амплитуде напряжения в ферритовой линии поглощалась энергия 3 Дж. Разброс данных по потерям связан с нестабильностью сокращения длительности импульса в ферритовой линии, а также с возбуждением делителя коротким фронтом, которое видно на рис. 3.
Изменение длительности импульса мощности по полувысоте, отнесенное к изменению длины ферритовой линии, приведено на рис. 5.
Несмотря на то, что потери на единицу длины с увеличением напряжения возрастают, сокращение длительности импульса происходит менее эффективно. Это связ
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.