Безруков М. Ю., Горбачов К. В., Михайлов В. М., Нестеров О. В., Петров В. Ю., Плаксина С. Д., Рощупкин С. А., Строганов В. А. Інститут теплофізики екстремальних станів Об’єднаного інституту високих температур РАН Ижорская 13/19, Москва 125412 Тел.: (095) 484-18-77, E-mail: nst@ihed.ras.ru

Рис. 1. Принципова схема джерела високої напруги

теля постійної напруги на 10 кВ. Первинним джерелом енергії є батарея з 24 NiMH пальчикових акумуляторів.

Анотація У доповіді описаний компактний генератор електромагнітних імпульсів на основі джерела повторюваних імпульсів високої напруги (> 150 кВ) з енергією ~ 200 мДж на навантаженні С = 13 пФ, що представляє собою модифікований диполь Герца з батарей для коаксіальної лінією.

I. Вступ

Дослідження зі створення компактних імпульсних високовольтних пристроїв мають багато додатків. Для дослідження електромагнітної сумісності електронних та електротехнічних систем потрібні компактні джерела електромагнітного випромінювання, здатні працювати в частотноперіодіческом режимі. В даній статті представлена ​​розробка малогабаритного джерела, заснованого на дипольному випромінювачі типу вібратора Герца і іскровому газонаповненим комутаторі.

II. Опис генератора

Перш за все, вирішувалося завдання розробки компактного джерела високої напруги з наступними параметрами: вихідна напруга> 150 кВ, що передається в навантаження енергія -200 мДж (ємність -20 пФ), можливість роботи в частотноперіодіческом режимі.

При проектуванні джерела високої напруги були розглянуті два можливі варіанти побудови щаблі імпульсної зарядки: імпульсний трансформатор і генератор Маркса. Кожен з варіантів має свої переваги і недоліки. Попередній аналіз показав, що генератор Маркса на необхідну напругу і енергію в навантаженні матиме істотно більші розміри, ніж трансформатор через велику кількість додаткової арматури (зарядні резистори, розрядники та ошиновка). До недоліків генератора Маркса можна також віднести складність конструкції і меншу надійність.

Імпульсний трансформатор має більш просту конструкцію і дозволяє досить вільно варіювати розміри. Низький ККД, який є основним недоліком трансформатора без феромагнітного сердечника, в даному випадку не є вирішальним.

У результаті був обраний такий варіант побудови джерела високої напруги:

1. Транзисторний перетворювач постійної напруги на 10н-20 кВ.

2. Ємнісний накопичувач на основі малоіндуктівного конденсатора.

3. Газовий розрядник.

4. Імпульсний трансформатор з коефіцієнтом трансформації ks 15.

Для отримання високої напруги на навантаженні використовується імпульсний трансформатор з проміжним ємнісним накопичувачем. Ємнісний накопичувач заряджається від транзисторного преобразова

Fig.1. Circuit diagram of high-voltage source

Електрична схема джерела високої напруги наведена на рис. 1. Імпульсний трансформатор має дві обмотки: первинна Чотирьохвиткова, четирехзаходная. Вторинна намотана мідним дротом П1 мм і має 60 витків. Обидві котушки намотані на капролоновом циліндрі. Висновки вторинної обмотки розташовані на торцях цього циліндра. Для вирівнювання потенціалів на краях трансформатора висновки вторинної обмотки з’єднані резистивної ланцюжком загальним опором 20 МОм. Середня точка цього ланцюжка з’єднана з корпусом ємнісного накопичувача, тобто з точкою підключення одного з висновків первинної обмотки трансформатора. Висновки вторинної обмотки трансформатора через 60-омні резистори підключені до електродів навантаження.

Ємнісний накопичувач являє собою металевий циліндр, усередині якого розміщені паперово-масляний конденсатор ємністю 25 нФ і мініатюрний розрядник, заповнений азотом під тиском 4 атм. Один з електродів розрядника виконаний рухливим, що дозволяє плавно регулювати напругу пробою. Висновок для підключення трансформатора виконаний в противоположенном від розрядника торці накопичувача, таким чином накопичувач має повністю коаксіальну конструкцію. Вільний простір усередині накопичувача заповнено трансформаторним маслом.

Ємнісний накопичувач заряджається від напівпровідникового перетворювача напруги (30 В/10 кВ). Основним елементом перетворювача є підвищувальний трансформатор, намотаний на феритових кільцях. Низьковольтна ланцюг перетворювача містить транзисторний ключ, керуючий струмом через первинну обмотку трансформатора. На початку кожного циклу роботи перетворювача на емітер транзистора подається отпирающий імпульс тривалістю t-i. Протягом цього часу струм у первинній обмотці трансформатора зростає від 0 до величини

Рис. 3. Осцилограма сигналу з щілинним антени Fig. 3. Waveform of signal in slot antenna

Випромінювання приймалося щілинної антеною, розташованої на лінії, перпендикулярній осі випромінюючої антени на відстані ~ 1м (ближня зона). Прийнятий сигнал через екранований 50-омний кабель надходив на 20 дБ ослабителя і, далі, на осцилограф. При розміщенні приймальні і випромінюючої антен були забезпечені необхідні відстані до оточуючих металевих предметів, щоб відбитий сигнал не впливав на точність вимірювань. Осцилограма отриманого з щілинним антени сигналу наведена на рис. 3. Тривалість випромінювання становить 1-1.5 періоду на частоті -500 МГц.

IV. Висновок

Розроблено компактний генератор електромагнітних імпульсів на основі джерела повторюваних імпульсів високої напруги (> 150 кВ) з енергією ~ 200 мДж на навантаженні С = 13 пФ, що представляє собою модифікований диполь Герца з батарей для коаксіальної лінією. Перші експерименти підтвердили обгрунтованість закладених припущень і розрахунків і продемонстрували можливість роботи пристрою в частотно-періодичному режимі.

ELECTROMAGNETIC PULSE GENERATOR

Bezrukov M. J., Gorbachev К. V., Mikhailov V. М., Nesterov E. V., Petrov V. Yu., Plaksina S. D., Roschoupkin S. A., Stroganov V. A.

Institute for High-Energy Densities (IHED) RAS Izhorskaya St. 13/19, Moscow 125412, Russia Tel.: (095)-484-18-77, E-mail: nstfcbihed.ras.ru

Abstract The compact electromagnetic pulse generator based on a high-voltage (above 150 kV) repetitive pulse source capable to deliver ~ 200 mJ energy to the capacitive load of 13 nF capacitance is described. The generator is a modified Hertz dipole combined with a chargeable forming line.

I.  Introduction

Compact high-voltage pulse devices are successfully used for solution of a wide range of problems. One of that number is study of electromagnetic interference problem for different electronic and electrical engineering systems, which requires compact electromagnetic radiation sources capable to operate in a frequency-repetitive mode. Development of a small-sized source based on dipole antenna and a spark-gap gas-filled switch is presented in the report.

II.  Main part

After comparative analysis of different high-voltage supply systems, the following design of high-voltage source was chosen for the device under development including the following:

1.    Transistor-based converter of constant voltage for 10-20

kV.

2.    Capacitive storage based on a low-inductance capacitor.

3.    Gas spark-gap switch.

4.    Pulse transformer with transformation ratio k«15.

A primary energy source for semiconductor converter supply is a battery of finger-size storage cells with total capacity of 1.6 Ah. Circuit diagram of high voltage source is given in Fig.1.

A load for high-voltage supply is a unit capable to produce a short pulse and radiate it into open space. For this purpose, a spark gap discharger built into a radiating antenna was used.

A radiating antenna is a cut of a coaxial line. Spark gap with a movable electrode is placed in one end of the line covered with a metal cap. The opposite face of the line is open, so that the inner electrode substantially extends above the outer one,, shaping an antenna close to a half-wave dipole (together with outer electrode). A vacant space between electrodes is filled with nitrogen under the pressure of 6-10 atm. The radiated power is defined by operation voltage of antenna spark gap, which depends on both electrodes gap duration and gas pressure. In our experiments, the breakdown voltage was varied from 100 to 180 kV.

Radiation had been detected with help of oscilloscope and a slot antenna. Oscilloscope was placed into a shielded room. The device under study was erected outside the room on the dielectric support of ~ 1.5 m high,.

A slot antenna was aligned perpendicular to the radiating antenna axis at the distance about 1 m. A received signal was directed first to 20 dB attenuator through the shielded 50-0hm cable and, then, to the oscilloscope. Waveform of the signal induced in the slot antenna is given in Fig.3. One can see pulse duration equal about 1-1.5 period of oscillations at the frequency of ~ 500 MHz.

III.  Conclusion

Compact generator of electromagnetic pulses was created on the ground of a high-voltage repetitive pulse source (>150 kV) with energy of ~ 200 mJ in the load, which is a modified Hertz dipole with a chargeable forming line of 13 nF total capacitance. First experiments confirmed principles and calculations put down into the basis of this device and indicated feasibility of operation in a frequency repetitive mode.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.