научная статья по теме ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ГИН-1200 Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ГИН-1200»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 3, с. 76-80

_ ЭЛЕКТРОНИКА _

- И РАДИОТЕХНИКА -

УДК 621.373

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ГИН-1200

© 2008 г. Д. И. Зенков, С. Г. Козлов, Ю. П. Куропаткин, В. Д. Мироненко, В. И. Нижегородцев, И. Н. Романов, А. А. Ткачук, Е. В. Урлин, О. А. Шамро

ФГУП РФЯЦ-ВНИИ экспериментальной физики Россия, 607188, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 Поступила в редакцию 15.08.2007 г.

Описаны электрическая схема, конструкция, электрические и пусковые характеристики малогабаритного 12-каскадного генератора импульсного напряжения ГИН-1200, используемого для зарядки двойной формирующей линии до 1 MB за 300 нс. Генератор смонтирован в металлическом корпусе с изоляцией трансформаторным маслом. Накопителями в каскадах генератора являются конденсаторы KMK 100-0.017 (100 кВ, 0.017 мкФ) с общей запасаемой энергией 1 кДж. Коммутаторами являются разрядники тригатронного типа, наполненные газовой смесью 20% SFg + 80% N2. Корпусы разрядников собраны в одну линейку. Проходящий осевой канал обеспечивает искровую подсветку соседних промежутков, что позволяет улучшить пусковые характеристики генератора. Разброс по времени срабатывания ГИН-1200 при зарядном напряжении 85 кВ и запасе электропрочности 65% составил <10 нс, время задержки срабатывания ~100 нс. Проведено около 2000 включений, ГИН-1200 показал надежную устойчивую работу.

PACS: 29.17.+W, 29.20.Fj

введение

Генератор высоковольтных импульсов напряжения ГИН-1200 (г.и.н.) является составной частью инжектора электронов на 1.5 МэВ импульсного безжелезного бетатрона [1]. Электронный пучок инжектора формируется путем коммутации двойной формирующей линии (д.ф.л.), предварительно заряженной от ГИН-1200, на автоэмиссионный диод, причем для эффективной работы ускорителя точность синхронизации инжектора с импульсом магнитного поля бетатрона должна быть не хуже ±10 нс, а вероятность самозапуска г.и.н. должна быть меньше 0.5%. Принцип действия инжектора с наносекундным генератором напряжений мегавольтного диапазона и автоэмиссионным катодом описан в [2]. Для эффективной работы формирователя выходных импульсов напряжения инжектора длительность зарядки д.ф.л. не должна быть меньше 300 нс, поэтому в конструкцию ГИН-1200 включена дополнительная индуктивность.

Генератор собран по схеме Аркадьева-Маркса с подачей пускового импульса напряжения на 4 первых каскада. Общие требования, предъявляемые к таким г.и.н., изложены в [3]. При проектировании генератора решалась задача создания компактного, стабильно работающего в условиях экспериментальных площадок устройства со следующими техническими характеристиками: зарядное напряжение 80-90 кВ, число каскадов 12, емкость в "ударе" 1.4 нФ, время передачи энергии в нагрузку (д.ф.л.) ~300 нс.

электрическая схема гин-1200

Электрическая схема ГИН-1200 представлена на рис. 1. Генератор содержит 12 каскадов (ступеней) умножения напряжения по методу Аркадьева-Маркса. В качестве его коммутаторов используются газонаполненные разрядники тригатронного типа управляемые возмущением поля. Разрядники первых каскадов f1-f4 имеют управляющий электрод, остальные - без него. Особенностью схемы является включение разрядников не только возмущением электрического поля [4], но и искровой подсветкой, для чего корпусы разрядников соединены последовательно, и через осевой канал в сборке осуществляется подсветка соседних искровых промежутков.

Зарядка 12 конденсаторов (сх-с12) емкостью 17 нФ каждый до напряжения 65-85 кВ осуществляется постоянным током отрицательной полярности через цепочки зарядных резисторов Я2-Я25 сопротивлением 1 кОм.

После окончания зарядки на управляющие электроды первых четырех разрядников f1-f4 от импульсного генератора БИНГ-4 [5] приходит импульс напряжения положительной полярности амплитудой 60 кВ, длительностью 40 нс и фронтом ~10 нс. Резисторы в цепи управляющих электродов f1-f4 служат для развязки по высокому напряжению первых каскадов г.и.н. после срабатывания коммутаторов. Конденсаторы г.и.н. расположены между выравнивающими потенциал экранирующими электродами, которые образуют конструктивные емкости с1к-с12к с металли-

Рис. 1. Электрическая схема ГИН-1200. С1-С12 - КМК-100-17 нФ; Я1 - ТВО-1 кОм-5 Вт, Я2-Я25 - ТВО-1 к0м-20 Вт, остальные - ТВ0-10 Вт.

ческим корпусом генератора, что обеспечивает возникновение перенапряжения на разрядных промежутках и быстрое срабатывание коммутаторов [3]. Однако в данной конструкции величина этих емкостей относительно невелика, и требуются дополнительные средства для обеспечения стабильного срабатывания г.и.н., для чего предназначена междукаскадная подсветка разрядных промежутков и подача управляющего импульса не на один-два, а на четыре каскада.

В момент срабатывания разрядников цепочка параллельно включенных во время зарядки конденсаторов перестраивается в цепочку последовательно включенных конденсаторов с емкостью в "ударе" 1.4 нФ. Напряжение холостого хода генератора могло бы достигать 0.8-1 МВ, однако он предназначен для зарядки емкостного накопителя д.ф.л. снагр через индуктивность развязки 5.5 мкГн при собственной индуктивности генератора 8.8 мкГн с учетом встроенной дополнительной индуктивности Ь1 = 5.3 мкГн. Поэтому напряжение на проходном изоляторе, соединяющем г.и.н. и д.ф.л., не превышает 0.6 напряжения холостого хода.

конструкция гин-1200

Конструкция генератора показана на рис. 2а, а линия разрядников - на рис. 26. Генератор содержит 12 каскадов, разделенных на две параллельные ветви по 6 конденсаторов КМК 100-0.017 (1) в каждой.

В качестве коммутаторов используются разрядники тригатронного типа (2), заполненные смесью 20% БЕ6 + 80% N под давлением ~ 0.7 МПа. Разрядники жестко собраны в одну линейку и размещены над конденсаторами вдоль центральной оси г.и.н. (рис. 26). Внутренние полости разрядников образуют единый объем, что, во-первых,

упрощает газовое наполнение разрядников, а во-вторых, при каскадном срабатывании разрядников позволяет осуществлять искровую подсветку соседних разрядных промежутков. Электроды 5 разрядников расположены перпендикулярно оси сборки, при этом разрядные промежутки расположены на оси сборки и не затеняются электродами. Корпусы разрядников 3 изготовлены из полиамида (капролона). Для предотвращения межкаскадного пробоя по внутренней поверхности сборки разрядников длина разрядного промежутка выбирается <1/20 длины внутренней поверхности изолятора между каскадами. Давление газовой смеси оптимизируется так, чтобы при сохранении электропрочности не потерять управляемость генератора.

Первые испытания генератора проводились при межэлектродных зазорах в разрядниках 8 мм, рабочем давлении 0.2 МПа и зарядном напряжении 85 кВ. Наблюдался существенный недобор выходного напряжения, связанный с межкаскадным пробоем по внутренней поверхности изолятора. После разборки линии разрядников были видны следы пробоев между основными электродами (4) соседних разрядников в нескольких каскадах. Повышение давления газовой смеси вплоть до потери управления не приводило к прекращению пробоев по поверхности. В конструкцию разрядников были внесены изменения. Были изготовлены новые электроды, которые обеспечивали межэлектродные зазоры 5.5 мм. Соответственно увеличилось рабочее давление в разрядниках. После этих доработок выходное напряжение г.и.н. выросло, а последующие разборки показали отсутствие вышеуказанных следов пробоев.

Подвод газа к разрядникам осуществляется через отверстие в торцевой стенке корпуса разрядников от буферного баллона объемом 15 л, где

78

ЗЕНКОВ и др.

Рис. 2. Конструкция ГИН-1200 (а) и линии разрядников (б). 1 - конденсаторы генератора; 2 - разрядники; 3 - корпусы разрядников; 4, 5 - основные электроды (4 - без управления: в центре основного электрода отсутствует управляющий электрод, 5 - с управлением); 6 - зарядные резисторы; 7 - корпус генератора; 8 - металлические электроды; 9 - диэлектрическая подставка; 10 - соленоид; 11 - цанговое соединение; 12 - расширительный бачок; 13 - переходный узел.

происходит предварительное смешивание газов (8Б6 + К2), поступающих от общего газового пульта.

В качестве зарядных сопротивлений в генераторе используются твердотельные резисторы ТВ0-20 Вт-1 кОм (6).

Генератор собран в прямоугольном металлическом герметизированном корпусе 7. Каждый конденсатор жестко зажат между двумя металлическими электродами 8, скрепленными друг с другом стяжками из капролона. К электродам крепятся зарядные резисторы и линия разрядни-

ков. Конденсаторные блоки стянуты друг с другом по 6 штук в две параллельные линейки (четные и нечетные каскады) стяжками. Конденсаторные блоки расположены на диэлектрической подставке 9 из органического стекла, прикрепленной к дну корпуса генератора.

Последний каскад генератора соединен с нагрузкой (д.ф.л.) соленоидом 10 через разъемное цанговое соединение 11. Соленоид представляет собой 8-витковую спираль 0100 и шагом 20 мм, изготовленную из медной трубки 010 мм.

Отн. ед. 10-

-5

-10

-15

90 нс

200

400

600 г, нс

Рис. 3. Типичные осциллограммы разряда ГИН-1200 (изар = 85 кВ): 1 - управляющий импульс напряжения с БИНГ-4; 2 - импульс тока, регистрируемый с коаксиальной резистивной нагрузки.

Объем корпуса генератора заполняется трансформаторным маслом с электропрочностью не менее 40 кВ/мм. На крышке располагается расширительный бачок 12, позволяющий визуально контролировать уровень масла в генераторе. В нижней части корпуса г.и.н. находится вентиль для слива (заполнения) объема генератора трансформаторным маслом.

Все уплотняющие прокладки генератора изготовлены из резины марки МБС.

ГИН-1200 снабжен механическими приспособлениями для юстировки генератора по трем координатам при стыковке его с д.ф.л.

Для контроля выходного напряжения генератора в пазу 13 переходного узла размещается пояс Роговского. Переходный узел заполняется трансформаторным маслом автономно, для чего в верхней его части предусмотрен расширительный бачок из органического стекла с отверстием для заливки масла. В нижней части переходного узла предусмотрен вентиль для слива масла.

Конструктивные па

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