Малогабаритные генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе SOS-диодов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ

На правах рукописи

СЛОВИКОВСКИЙ Борис Германович

МАЛОГАБАРИТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ SOS-ДИОДОВ

Специальность : 01.04.13 - Электрофизика, Электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2004

Работа выполнена в Институте электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург.

Научный руководитель: доктор технических наук

С.Н. Рукин

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор технических наук Ю. Н. Вершинин

(ИЭФ УрО РАН, г. Екатеринбург)

доктор физико-математических наук В. И. Афонин

(РФЯЦ-ВНИИТФ, г. Снежинск)

Ведущая организация: Институт сильноточной электроники

СО РАН, г.Томск.

Защита состоится << 2004г. в /3 часов

на заседании диссертационного совета Д.004.024.01 при Институте электрофизики УрО РАН по адресу: г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электрофизики УрО РАН.

Ваши отзывы в одном экземпляре, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106.

Автореферат разослан 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Основой наносекундной импульсной техники является генератор мощных импульсов электрической энергии. Один из аспектов, определяющих успехи развития в этой области, заключается в исследовании и разработке новых принципов сильноточной наносекундной коммутации. В этом направлении перспективны методы коммутации на основе полупроводниковых приборов, которые способны обеспечить высокую стабильность выходных параметров, работать с высокой частотой повторения импульсов и обладают практически неограниченным сроком службы. В частности, для формирования мощных импульсов напряжения наносекундного диапазона с помощью индуктивных накопителей энергии необходима разработка прерывателей, отключающих токи в десятки килоампер за единицы наносекунд и выдерживающих напряжение в сотни киловольт. Создание коммутатора, отвечающего перечисленным требованиям, позволяет выйти на уровень технологических применений в мощной наносекундной импульсной технике. В начале 90-х годов ситуация в этой области характеризовалась относительно невысокими > достигнутыми параметрами по импульсной мощности (десятки МВт), току, (сотни А) и напряжению (десятки кВ). Ситуация изменилась, когда в 1992 году в Институте электрофизики УрО РАН был обнаружен эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках (SOS-эффект, от semiconductor opening switch). В экспериментальных работах было показано, что эффект наблюдается в - структурах и превосходит по мощности все существующие в настоящий момент методы отключения тока в твердом теле. Таким образом, создание высоковольтных полупроводниковых приборов - SOS-диодов, представляющих собой сверхмощные твердотельные наносекундные прерыватели тока высокой плотности с рабочим напряжением в сотни кВ, а также создание на их основе мощных малогабаритных полностью твердотельных, импульсных генераторов наносекунд-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I 3 БИБЛИОТЕКА I

ного диапазона с выходным напряжением от 100 до 450 кВ при импульсной

мощности в сотни МВт и работающих с частотой до единиц кГц, является

актуальной научно-технической задачей.

Целями диссертационной работы явились:

• разработка новых полупроводниковых наносекундных прерывателей тока, работающих на основе SOS-эффекта, для мощных импульсных генераторов частотного режима работы;

• разработка схемного подхода для построения наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии на основе промежуточного индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока;

• создание мощных компактных генераторов наносекундного диапазона с высокой частотой повторения импульсов для научных и практических целей.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Исследовано влияние параметров структуры на процесс обрыва тока в режиме SOS-эффекга. Установлено, что увеличение глубины залегания р-п - перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение возрастает до 6-кратного.

2. Созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса -$0$-диоды, представляющие собой твердотельные наносекундные прерыватели тока. Разработанные $0$-диоды имеют увеличенную глубину залегания р-п — перехода и развитую поверхность охладителей. При • рабочем напряжении более 100 кВ и плотности обрываемого тока до 10 кА/см2 достигнуто время отключения тока в единицы нс. При частоте следования импульсов. 1 - 2 кГц получена удельная средняя мощность, переключаемая SOS-диодом в нагрузку, величиной 10 кВт/кг.

3. Показано, что SOS-диод, содержащий до нескольких сотен последовательно соединенных полупроводниковых структур, на стадии обрыва тока

и генерирования импульса характеризуется равномерным распределением напряжения по последовательным структурам, что позволяет его эксплуатацию без применения дополнительных внешних делителей.

4. На основе SOS-диодов разработана серия малогабаритных наносекунд-ных генераторов с твердотельной системой коммутации. Получены следующие выходные параметры: напряжение - 100 + 450 кВ, ток -0.2 + 1.5 кА, длительность импульса - 20 + 60 не, энергия импульса, -1 +10 Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в пачке импульсов.

5. Проведены эксперименты по формированию с помощью SOS-диода квазипрямоугольного импульса напряжения на низкоомной нагрузке, величиной 4.5 Ом. Получены импульсы длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА.

Практическая ценность работы определена созданием мощных нано-секундных генераторов нового класса с промежуточным индуктивным накопителем и полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов. Разработанные устройства имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии, в связи с чем сочетают высокую частоту следования импульсов и среднюю мощность, компактность, надежность и имеют практически • неограниченный срок службы. Именно эти качества позволяют устройствам данного класса получить широкое практическое применение в различных электрофизических промышленных технологиях.

Положения, выносимые на защиту:

1. В полупроводниковой структуре - типа, работающей в режиме SOS-эффекта, увеличение глубины залегания р-п- перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение возрастает до 6-кратного.

2. Разработанные SOS-диоды с увеличенной глубиной залегания р-п - перехода и развитой поверхностью охладителей при рабочем напряжении бо-

лее 100 кВ способны отключать обратный ток, плотностью до 10 кА/см2 за время единицы не. При частоте следования импульсов 1 - 2 кГц удельная средняя мощность, переключаемая SOS-диодом в нагрузку, достигает величины 10 кВт/кг.

3. Для увеличения импульсной мощности генератора SOS-диоды допускают параллельно-последовательное соединение без применения вспомогательных элементов для выравнивания распределения тока и напряжения. При этом общая сборка прерывателя тока выполняется в виде отдельных параллельных ветвей, каждая из которых содержит равное количество 8С8-диодов.

4. На основе SOS-диодов возможна разработка малогабаритных наносекунд-ных генераторов с твердотельной системой коммутации со следующим диапазоном выходных параметров: напряжение - 100 450 кВ, ток -0.2 -ь 1.5 кА, длительность импульса - 20 60 не, энергия импульса-1 10 Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в пачке импульсов.

5. При работе на низкоомную нагрузку, величиной несколько Ом, SOS-диоды с параллельными корректирующими цепями способны формировать квазипрямоугольные импульсы напряжения, длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА.

Реализация результатов работы Разработанные SOS-диоды и мощные наносекундные генераторы на их основе применялись при проведении прикладных исследований в различных областях электрофизики: для генерирования сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, исследования электрических свойств полупроводников и диэлектриков, накачки газовых лазеров, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей, а также в качестве источников питания широкополосных электромагнитных излучателей. Ниже перечислены российские и зарубежные организа-

ции, использующие результаты диссертационной работы и эксплуатирующие коммерческие образцы разработанных устройств и приборов:

1. Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург

2. Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск

3. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск

4. Всероссийский НИИ технической физики, Снежинск

5. НИИ Машиностроения Федеральное космическое агентство, Н.Салда

6. Компания Britsh Aerospace Defence, Ltd., Бристоль, Великобритания-

7. Ливерморская национальная лаборатория, Ливермор, США

8. Компания Vitronics, Inc., Итентаун, США

9. Исследовательский центр Карлсруэ, Карлсруэ, Германия Ю.Техасский технический университет, Лаббок, США

11 .Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, США

12.Компания LG Industrial Systems, Ltd., Аниянг, Южная Корея

13.Ядерный исследовательский центр SOREQ NRC, Йавне, Израиль Н.Компания Exion Technologies, Ltd, Реховот, Израиль

15.Университет Кумамото, Кумамото, Япония

16.Технологический университет, Нагаока, Ниигата, Япония

17.Северо-западный Институт ядерной техники, Сиань, Китай

18. Институт прикладной электроники, Миньян, Китай.

Апробация работы и публикации. Материалы работы докладывались на следующих Международных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международная конференция по мощной импульсной технике (США - 1995, 1997, 1999, 2001), Международная конференция но мощным пучкам частиц (США - 1994, Чешская Республика - 1996, Япония - 2000), Международный Симпозиум по сильноточной электронике (Томск - 2000), Международная' конференция по мощным импульсным модуляторам (США - 2002), Семинар по мощной импульсной технике (Великобритания - 2003). По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ. Получен патент на полупроводниковый прерыватель тока.

Вклад автора в представленную работу состоит в проведении расчетов, моделировании, разработке конструкций и проектировании экспериментальной техники, непосредственном проведении экспериментов и анализе полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Диссертация изложена на 126 страницах и включает в себя 48 рисунков и список литературы из 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан обзор известных принципов формирования мощных наносекундных импульсов электрической энергии, обозначены тенденции развития мощной импульсной техники в свете технологических применений, обосновывается актуальность выбранной темы, изложены цель и содержание поставленных задач, сформулирована научная новизна работы и приводятся защищаемые положения.

В первой главе дается описание 808-эффекта, и приводятся результаты разработки 808-диодов - новых высоковольтных полупроводниковых приборов для наносекундного обрыва тока высокой плотности.

В разделе 1.1 приводятся результаты экспериментов, подтверждающие факт существования эффекта наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниковом диоде при реализации определенных параметров по плотности тока и времени его протекания на стадии прямой и обратной накачки. Идеоло1-ия схемного решения экспериментов представлена на рис. 1. 2 оказано, что в условиях 808-эффекта для полупроводниковых структур р'-р-п-п- тина исследуемых серийных диодов время обрыва тока находится в пределах нескольких десятков наносекунд, а плотность обрываемого тока достигает нескольких десятков кА/см2. С помощью физико-математической модели дано краткое описание процессов динамики электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре при плотностях тока и длительностях импульсов накачки, характерных для 808-эффекта и

показано качественное отличие SOS-эффекга от других принципов коммутации тока в полупроводниковых приборах. Развитие процесса обрыва тока1 происходит в узких высоколегированных областях структуры, свободных от избыточной плазмы, а удаление всей избыточной плазмы из структуры не является необходимым условием для резкого обрыва обратного тока. К моменту начала обрыва тока в центральной части базы остается электронно-дырочная плазма, концентрация которой примерно на два порядка превышает уровень легирования базы По этой причине существование р-п - перехода не сказывается на процесс обрыва тока. Кроме того, момент, начала обрыва тока не связан с выполнением принципа равенства заряда, внесенного в структуру на стадии прямой накачки, и удаленного из нее во время обратной. Распределение электрического поля и концентрации плазмы на стадиях прямой и обратной накачки представлено на рис.2.

В разделе 1.2 приведены результаты работы по созданию SOS-диодов. Эксперименты проводились с диодами, отличающимися друг от друга исходным профилем легирующих примесей, глубиной залегания р-п — перехода, длиной базы и величиной удельного сопротивления исходного п-кремния. В процессе исследования влияния различных параметров полупроводниковой структуры на явление обрыва тока в режиме SOS-эффекта были разработаны и изготовлены прерыватели тока - $0$-диоды, отличающиеся от серийных выпрямительных диодов. Полупроводниковая р*-р- п~ п*. структура таких прерывателей, как и силовых диодах, выполняется по обычной диффузионной технологии. Сильнолегированные области образова-

ны диффузией бора и фосфора соответственно. В качестве п-базы используется электронно-легированный кремний. Диффузия алюминия с анодной стороны образует р-область. Экспериментально было установлено, что наилучшие характеристики SOS-диодов достигаются при использовании исходного кремния с удельным сопротивлением 50 Ом см и глубине залегания р-п -перехода Хр ~ 160-5- 200 мкм (толщина пластинки кремния примерно 320 мкм). Максимальное значение перенапряжения, полученное в схемах с про-

межуточным индуктивным накопителем при использовании в качестве прерывателей тока SOS-диодов, достигает 6. При этом эффективность переключения энергии в нагрузку достигает 80 %. Анализ процессов динамики электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре при различных значениях Хр показал, что увеличение глубины диффузии алюминия обуславливает возрастание скорости концентрационного фронта избыточной плазмы вдоль р-области на стадии обратной накачки. Это приводит к сокращению времени обрыва тока до единиц наносекунд и улучшению коммутационной характеристики SOS-диода.

В разделе 1.3 приведены характеристики SOS-диодов. Конструктивно SOS-диод состоит из последовательно собранных элементарных диодов, расположенных между металлическими фланцами, соединенными диэлектрическими стойками. Каждый элементарный диод состоит из четырех полупроводниковых структур, последовательно напаянных на медную пластинку, являющуюся охладителем (рис 3). Диапазон площади сечения структур обычно лежит в пределах от 25 мм2 до 2,5 см2. Один из фланцев-электродов SOS-диода содержит механизм для регулирования прижимного усилия между элементарными диодами для обеспечения надежного электрического и теплового контакта при изменяющихся температурных режимах. Приборы с различным количеством элементарных диодов в сборке имеют рабочее напряжение от 60 до 250 кВ из расчета около 800 вольт в среде трансформаторного масла на одну полупроводниковую структуру. Соответственно SOS-диод может содержать от 20 до 80 элементарных диодов. Параметры разработанных SOS-диодов представлены в табл.1. Различные варианты исполнения SOS-диодов изображены на рис. 4.

Исследования и эксплуатация SOS-диодов в составе различных импульсных генераторов выявили их- интересную особенность, которая заключается в улучшении характеристик отключения тока при нагреве полупроводниковой структуры. В экспериментах по перегреву SOS-диода было установлено, что при увеличении температуры структур в процессе работы на

стадии обрыва тока и генерации импульса напряжения, когда база структуры остается заполненной плотной избыточной плазмой, происходит увеличение количества выведенного заряда на стадии обратной накачки в пределах 10 -15 %. Возрастание выводимого заряда увеличивает амплитуду тока перед обрывом и снижает время обрыва тока. Этот эффект объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается время жизни неосновных носителей в-полупроводнике и, следовательно, происходит снижение потерь заряда за счет процесса рекомбинации.

Таблица 1.

Параметр Значение

Рабочее напряжение 60 - 250 кВ

Количество последовательных структур 80 + 320

Площадь структуры 0.25 + 4 см2

Плотность прямого тока 0.4-ь2 кА/см2

Плотность обрываемого тока 2 -МО кА/см2

Время прямой накачки 300 *600 не

Время обратной накачки 40 -5-150 не

Время обрыва тока 5-5-10 не.

Рассеиваемая мощность в среде трансформаторного масла (продолжительный режим работы) 50- 500 Вт

Длина 80 -5- 220 мм

Масса 100-5-600 г

При последовательном соединении полупроводниковых приборов для надежной и безаварийной работы импульсных устройств необходимо равномерное распределение напряжения по структурам. Эксплуатация SOS-диодов показала, что они надежно работают без применения каких-либо дополнительных мер по выравниванию напряжения по структурам при любых уровнях используемого нами диапазона напряжения формируемых импульсов. Было установлено, что в SOS-диодах существует внутренний • механизм, обеспечивающий равномерное распределение напряжения по большому числу последовательно соединенных полупроводниковых структур.

SOS-диоды в ходе исследования и эксплуатации в составе различных импульсных генераторов показали свою крайне высокую надежность и способность выдерживать многократные перегрузки по току и напряжению. Было показано, что в условиях работы с повышенным уровнем плотности тока и с сокращением времени ввода этого тока происходит снижение эффективности процесса обрыва тока. Это связано с тем, что полупроводниковые структуры работают как активное сопротивление, ограничивающее ток накачки, т.к. процесс модуляции базы сопровождается возникновением больших прямых напряжений. А в условиях работы с повышенным уровнем рабочего напряжения при обрыве тока SOS-диод работает как ограничитель напряжения, потребляя энергию из конденсатора обратной накачки. Это происходит в результате снижения сопротивления полупроводниковой структуры на стадии обрыва тока из-за резкого увеличения интенсивности процессов лавинного размножения носителей в области сильного электрического поля.

Во второй главе приводятся результаты по разработке и исследованию высоковольтных малогабаритных частотных генераторов наносекунд-ных импульсов на основе SOS-диодов.

В разделе 2.1 приводится схемное решение построения сильноточных наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации, в котором SOS-диод выполняет функцию оконечного усилителя мощности. Особенность работы полупроводникового прерывателя тока, созданного на основе SOS-диода, с одной стороны, позволяет реализовать режим обострения мощности емкостного накопителя энергии, с использованием промежуточного емкостного накопителя. SOS-диод выполняет функцию размыкающего ключа. Обострение или увеличение мощности в нагрузке обеспечивается за счет переключения тока разряда емкостного накопителя из цепи прерывателя в цепь нагрузки, установленной параллельно прерывателю, в тот момент времени, когда величина этого достигает своего максимального значения. В этом случае длительность импульса и время его фронта определяются индуктивностью элементов контура и сопротивлением нагрузки

(рис. 1). С другой стороны, необходимо реализовать схему двухконтурной накачки полупроводникового прерывателя для создания режима усиления обратного тока через прерыватель для получения наибольшей эффективности работы схемы. Такой подход требует применения звена предварительной компрессии энергии. Идеология схемного решения построения генераторов такого типа представлена на рис. 5. Тиристорное зарядное устройство ТЗУ осуществляет дозированный отбор энергии из питающей сети и передачу ее в магнитный компрессор МК. ТЗУ содержит первичный емкостной накопитель энергии Ci с цепью зарядки (Сф, L3, Vj) и цепью рекуперации остаточной, энергии и тиристорный коммутатор Согласование параметров

импульса энергии на выходе ТЗУ с параметрами импульса накачки полупроводникового прерывателя тока SOS обеспечивает магнитный компрессор МК, в котором происходит повышение напряжения при одновременном сжатии формируемых импульсов. Эта часть схемы состоит из импульсного повышающего трансформатора ИТ1, промежуточного емкостного накопителя состоящего из двух одинаковых блоков конденсаторов, магнитного ключа AiS* прямой накачки и магнитного ключа MS"обратной накачки полупроводникового прерывателя тока SOS, а также емкостного накопителя накачки прерывателя который вместе с обеспечивает согласование магнитного компрессора с формирующим узлом генератора SOS, состоящий из индуктивного накопителя LT и полупроводникового прерывателя тока SOS. Достаточно большое время перемагничивания сердечников магнитных ключей на основе пермаллоя (от десятков микросекунд до сотен наносекунд) позволяет получить в них относительно низкий уровень удельных потерь от вихревых токов. Кроме этого не требуется дополнительных цепей для перемагничива-ния сердечников магнитных элементов, поскольку в схеме этот процесс происходит автоматически из-за разного направления протекания зарядного и разрядного токов накопителей по обмоткам каждого магнитного элемента.

В разделе 2.2 приводится описание конструкции а также принципы электрического и теплового расчета элементов генератора. Разработанный

новый схемный подход для построения мощных наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии был реализован в создании серии компактных генераторов импульсов напряжения вплоть до 450 кВ, характеризующихся высокой степенью стабильности. Диапазон по выходной средней мощности лежит от единиц до десятков кВт при частоте следования импульсов от однократных до единиц кГц. Они предназначались для проведения экспериментов в различных областях электрофизики. Следует отметить, что при этом формировался целый комплекс испытательного оборудования и для самих S0S-диодов в различных эксплуатационных режимах. Соответственно, поставленные различные требования к выходным параметрам генераторов определяли необходимость создания нескольких моделей. Одна из них представлена на рис. 6. Конструктивно генераторы выполнены в настольном горизонтальном исполнении. Элементы внутри прибора разделены на два основных блока, условно разделяемых по принципу выполнения основной электрической изоляции. В воздушной части располагаются элементы ТЗУ, цепи защиты, контроля, сигнализации и вспомогательных схем. Практически вся элементная база ТЗУ строится на стандартных электротехнических элементах. Управление тиристорным коммутатором У/с и всем генератором в целом осуществляется от практически любого лабораторного генератора импульсов. В высоковольтной части генератора (рис. 7), расположенной в металлическом баке с трансформаторным маслом, расположены элементы магнитного компрессора МК и оконечного усилителя мощности с промежуточным индуктивным накопителем и полупроводниковым прерывателем тока на основе S0S-диодов. Трансформаторное масло выполняет роль основной электрической изоляции высокого напряжения. Также в масло отводится.тепло от элементов магнитного компрессора и S0S-диодов. Если теплоемкости бака не достаточно для обеспечения полноценного теплоотвода, используется принудительное водяное охлаждение. Полупроводниковый прерыватель тока собирается из необходимого числа S0S-диодов, конструкция которых разрабатывается с учетом нескольких факто-

ров. По токовому режиму определяется сечение полупроводниковой структуры, а размер радиатора каждого элементарного диода - по тепловому режиму, во многом определяемому типом и параметрами нагрузки, которая оказывает влияние на характер обрыва тока. Основная часть потерь энергии в 808-диоде происходит именно на стадии обрыва тока (рис. 8). Уровень напряжения, формируемого на нагрузке импульса, задает необходимое число установленных последовательно элементарных диодов для всего полупроводникового прерывателя из расчета ~ 3,2 кВ на один элементарный диод. Таким образом, путем последовательно-параллельного соединения - 808-диодов без применения вспомогательных элементов для выравнивания распределения тока и напряжения собираются полупроводниковые прерыватели тока для разработанных генераторов. При этом полная конструкция прерывателя тока выполняется в виде отдельных параллельных ветвей, содержащих равное количество 808-диодов. На стадии обрыва тока происходит формирование высоковольтного наносекундного импульса напряжения на нагрузке (рис. 9), энергия в которую выводится через проходной изолятор. Следует отметить, что фронт импульса выходного напряжения определяется не только временем обрыва тока, но и временем заряда емкости выходного узла током индуктивного накопителя.

В разделе 23 приведены технические данные разработанных генераторов, описаны особенности конструкции и приведены нагрузочные характеристики различных моделей. В связи с тем, что выходной формирующий узел представляемых в данной работе генераторов содержит индуктивный накопитель энергии, наиболее эффективная работа приборов достигается при использовании резистивных, емкостных или смешанных резистивно-емкостных нагрузок. В частности, к таким нагрузкам относятся электронный пучок и различные виды объемных газовых разрядов. Если сопротивление внешней нагрузки превышает волновой импеданс контура обратной накачки, генератор работает в режиме усилителя напряжения, т.е. амплитуда напряжения выходного импульса превышает уровень напряжения на конденсаторе накач-

ки Сн- При обратном соотношении сопротивления нагрузки и волнового импеданса контура обратной накачки амплитуда напряжения выходного импульса определяется величиной тока, переключаемого в нагрузку. Такой вид нагрузочной характеристики особенно предпочтителен для зажигания объемных и (примерных газовых разрядов. При подаче импульса напряжения на газовый промежуток на стадии зажигания разряда генератор работает в режиме холостого хода и обеспечивает быстрый рост перенапряжения, а на стадии горения разряда индуктивный накопитель поддерживает ток в промежутке. При этом амплитуда тока разряда и его длительность слабо зависит от напряжения горения разряда.

В сводной таблице 2 представлены технические данные серии генераторов.

Таблица 2.

СМ-1Н СМ-2Н СМ-ЗН СМ-4Н

Напряжение импульса 200-250 кВ 100-140 кВ 200-450 кВ 100-160кВ

Импульсный ток 1,0-1,4 кА 0,2-0,4 кА 0,5-1,5 кА 0,5 кА

Длительность импульса 20-30 не 30-40 не 30-60 не 20-30 не

Энергия импульса 5-8 Дж 1-2 Дж 8-9 Дж 0,9 Дж

Частота следования импульсов (продолжительный режим) 100 Гц 1000 Гц 300 Гц 50 Гц

Частота следования импульсов (режим пачки импульсов) 1000 Гц 5000 Гц 2000 Гц 300 Гц

К.ПД. 40-50% 30-50 % 40-50 % 30-40 %

Напряжение питания 3x380 В 3 х210 В 3 х 380 В 3x380 В 220 В

Система охлаждения. Воздух Комбинир.: Воздух/вода Вода Воздух

Габариты: длина ширина высота 0,7 м 0,5 м 0,3 м 0,6 м 0,4 м 0,2 м 0,85 М' 0,65 м 0,42 м 0,7 м 0,24 м 0,21 м

Масса 85 кг 50 кг 120 кг 35 кг

Режимы короткого замыкания и холостого хода на внешней нагрузке для разработанных генераторов не являются аварийными. Для этих режимов в некоторых случаях достаточно лишь предусмотреть пути отвода лишней энергии от SOS-диодов. Также конструкция представляемых генераторов позволяет достаточно просто изменять полярность выходного импульса на нагрузке.

Третья глава посвящена исследованию возможности создания мощного импульсного генератора на SOS-диодах, способного работать на низкоом-ную нагрузку, величиной в единицы Ом, и формировать на ней импульсы квазипрямоугольной формы.

В разделе 3.1 дано обоснование цели поставленного эксперимента, заключающегося в разработке нового схемного подхода - более простого в техническом плане и эффективного в экономическом отношении по сравнению с традиционными способами формирования импульсов требуемых параметров. В основу эксперимента была положена идеология построения генератора, представленная в предыдущей главе. Далее в его электрическую схему был введен один искровой разрядник, установленный в цепи прямой накачки полупроводникового прерывателя тока. Поскольку такой разрядник выполняет функцию разделительного элемента и не участвует в процессе формирования выходного импульса на нагрузке, то к нему не предъявляется повышенных требований по величине индуктивности и времени коммутации. Выходной импульс генератора формируется твердотельными элементами -магнитным ключом обратной накачки, полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов и корректирующими LC-цепочками.

В разделе 3.2 приведено описание принципа работы экспериментальной установки генератора с промежуточным индуктивным накопителем в оконечном усилителе мощности и полупроводниковым прерывателем тока на основе разработанных SOS-диодов. Получены импульсы напряжения квазипрямоугольной формы длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА на нагрузке 4,5 Ом (рис. 10).

В разделе 3.3 по результатам проведенных исследований дана оценка эффективности работы генератора и приведен баланс потерь энергии в его элементах. Приведены результаты анализа процесса передачи энергии по элементам генератора и определены пути снижения потерь энергии в этих элементах, которые необходимо учитывать при проектировании более мощных генераторов. Дано заключение о возможности создания по используемой в эксперименте схеме более мощных генераторов квазипрямоугольных импульсов на основе 808-диодов для питания низкоомной нагрузки, у которых предполагаемая величина полной эффективности может достигать 0,65.

В заключении сформулированы основные результаты работы по созданию малогабаритных генераторов высоковольтных наносекундных импульсов на основе 808-диодов:

1. По результатам исследования процесса обрыва тока в полупроводниковой структуре р+- р - п - п* - типа в режиме 808-эффекта были определены параметры полупроводниковой структуры, оказывающие влияние на этот процесс. Было установлено, что увеличение глубины залегания р-п - перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва тока сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение при формировании импульса напряжения на нагрузке достигает 6-ти кратной величины.

2. На основании установленных оптимальных значениях параметров полупроводниковой структуры - типа для работы в условиях 808-эффекта (глубина залегания р-п — перехода, удельное сопротивление исходного кремния, длина п-базы и площадь структуры) созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса - 808-диоды -твердотельные наносекундные прерыватели тока. Экспериментально было показано и теоретически обосновано, что 808-диоды характеризуются как надежные приборы, способные выдерживать многократные электрические и тепловые перегрузки.

3. Показано, что 8С8-диод, содержащий до нескольких сотен последовательно соединенных полупроводниковых структур р+- р - п - п* - типа, в режиме 8й8-эффекта на стадии обрыва тока и генерирования высоковольтного импульса на нагрузке характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам. Таким образом, без применения вспомогательных элементов для выравнивания тока и напряжения допустимо последовательно-параллельное соединение 8й8-диодов, которое выполняется в виде отдельных параллельных ветвей, содержащих равное количество 8й8-диодов.

4. На основе 8й8-диодов создана серия малогабаритных наносекундных генераторов высоковольтных импульсов напряжения с полностью твердотельной системой коммутации. Генераторы характеризуются высокой степенью надежности и долговечности. Получены следующие выходные параметры: напряжение на нагрузке - от 100 до 450 кВ, ток в нагрузке - от 0,2 до 1,5 кА, длительность импульса на полувысоте - от 20 до 60 не, энергия импульса - от 1 до 10 Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в режиме пачек импульсов.

5. На базе 8й8-диодов в качестве прерывателя тока в оконечном усилителе мощности с индуктивным характером накопления энергии создан генератор для формирования квазипрямоугольных импульсов напряжения длительностью 100 нс, амплитудой 50 кВ и током 11 кА на нагрузке около 5 Ом. По результатам экспериментов сделана оценка эффективности работы генератора и сделано заключение о возможности создания по этой схеме более мощных генераторов.

Рис. 1. Электрическая схема, реализующая прямую и обратную накачку полупроводникового прерывателя тока в режиме 808-эффекта.

Рис. 2. Распределение электрического поля и концентрации плазмы в полупроводниковой р* - р-п- п* структуре на стадии завершения прямой накачки и на стадии обрыва тока.

Рис. 5. Обобщенная электрическая схема генератора высоковольтных импульсов напряжения наносекундного диапазона с полностью твердотельной системой коммутации энергии.

Рис. 6. Внешний вид генератора Рис. 7. Высоковольтный модуль

СМ-1Н с резистивной нагрузкой. генератора СМ-1Н, устанавли-

ваемый в баке с трансформаторным маслом.

M '«W

Рис. 8. Типичные осциллограммы тока через 8й8-диод и мощности потерь в нем.

.......................T"Wit'«ri»''1" ..........

Рис. 9. Типичная осциллограмма выходного импульса напряжения SOS-генератора на резистивную нагрузку.

Рис. 10. Импульс напряжения на выходе генератора с использованием корректирующих цепочек. Сопротивление нагрузки 4,5 Ом. Масштаб по вертикали - 9 кВ/дел.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Rukin S.N., Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Filatov A.L., Lyubutin S.K., Alichkin E.A., Darznek S.A., Telnov V.A., Slovikovskii B.G., Timoshenkov S.P., Bushlyakov A.I., Turov A.M. Pulsed power accelerator technology based on solid-state semiconductor opening switches (SOS). // In Proc: X Int. Conf. on High Power Particle Beams., San Diego, CA, USA, 1994. V. 1. P. 33 - 36.

2. Kotov Yu.A., Mesyats G,A., Rukin S.N., Telnov V.A., Slovikovskii B.G., Timoshenkov S.P., Bushlyakov A.I. Megavolt nanosecond 50 kW average power all-solid-state driver for commercial applications. // In Proc.: X Int. IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, USA, 1995. V. 2. P. 1227 -1230.

3. Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Rukin S.N., Slovikovskii B.G., Turov A.M. New solid-state opening switches for repetitive pulsed power technology. // In Proc.: XI Int. Conf. on High Power Particle Beams., Prague, Czech Republic, 1996. V.I. P. 135-138.

4. Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Rukin S.N., Slovikovskii B.G. Repetitive nanosecond all-solid-state pulsers based on SOS diodes. // In Proc: XI Int. IEEE Pulsed Power Conference. Baltimore, Maryland, USA, 1997. V. 2 . P. 992 -998.

5. Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Rukin S.N., Slovikovskii B.G. Subnanosecond high-density current interruption in SOS diodes. // In Proc: XI Int. IEEE Pulsed Power Conference. Baltimore, Maryland, USA, 1997. V. 1 . P. 663 -666.

6. Любутин С.К., Месяц Г.А., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Субнаносе-кундный обрыв тока в мощных полупроводниковых SOS-диодах. // Доклады Академии Наук. 1998. Т. 360. № 4. С. 477-479.

7. Дарзнек С.А., Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. SOS-диоды: наносекундные прерыватели сверхплотных токов // Электротехника. 1999. № 4. С. 20 - 28.

8. Mesyats G.A., Lyubutin S.K., Rukin S.N., Darznek SA., Ponomarev A.V., Slovikovskii B.G., Timoshenkov S.P., Bushlyakov A.I., Tsiranov S.N. SOS-based pulsed power: development and applications // In Proc: XII Int. IEEE Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999. V. 1 . P. 153 -156.

9. Mesyats G.A., Lyubutin S.K., Rukin S.N., Slovikovskii B.G. Repetitive short pulse SOS-generators // In Proc: XII Int. IEEE Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999. V. 2 . P. 1226 -1229.

10. Lyubutin S.K., Rukin S.N., Slovikovskii B.G., Tsiranov S.N. Experimental study of SOS-based generator for low impedance load // In Proc: XII Int. IEEE Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999. V. 2 . P. 1230 -1233.

11. Любутин С.К., Рукин C.H., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. Генератор квазипрямоугольных импульсов на низкоомной нагрузке с полупроводниковыми прерывателями тока // ПТЭ. 2000. № 1. С. 74 - 81.

12. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Компактный генератор с полупроводниковым прерывателем тока с напряжением 300 кВ и частотой следования импульсов до 2 кГц // ПТЭ. 2000. № 1. С. 82 - 86.

13. Дарзнек С.А., Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. Полупроводниковый прерыватель тока // Патент России № 2156014, Н 01 L 29/86, опубл. БИ, 2000, № 25.

14. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. Высокочастотные импульсные генераторы на основе SOS-диодов с субнаносекунд-ным временем обрыва тока // ПТЭ. 2000. № 3. С. 52 - 60.

15. Rukin S.N., Darznek S.A., Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Slovikovskii B.G., Tsiranov S.N. High-current subnanosecond switching by semiconductor devices for pulsed power applications // Proc of 12th Symposium on High Current Electronics, Tomsk, Russia, Sept 24-29,2000, P. 235 - 239.

16. Загулов ФЛ., Кладухин В.В., Кузнецов ДЛ., Любутин С.К., Новоселов Ю.Н., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Харлов Е.А. Сильноточный нано-секундный ускоритель электронов с полупроводниковым прерывателем тока // ПТЭ. 2000. № 5. С. 71 - 76.

17. Любутин С.К., Месяц Г.А., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Аличкин Е.А. Субнаносекундная коммутация гигаваттной пиковой мощности полупроводниковым диодным обострителем // Доклады Академии Наук. 2001. Том 379. № 4. С. 470-472.

18. Бушляков А.И., Пономарев А.В., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Тимошенков СП. Мегавольтный наносекундный генератор с полупроводниковым прерывателем тока// ПТЭ. 2002. № 2. С. 74-81.

19. Rukin S.N., Alichkin E.A., Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Ponomarev A.V., Slovikovsky B.G., Timoshenkov S.P. SOS/DBD-based solid-state switching for ultra-high-power short pulse generation // Proc. of the Int. Power Modulator Conference, Hollywood, California, USA, June 30 - July 3,2002, P. 178182.

20. Аличкин Е.А., Любутин С.К., Пономарев А.В., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Формирование коротких импульсов с субнаносекундным фронтом и пиковой мощностью до 1 ГВт полупроводниковым диодным обострите-лем // ПТЭ. 2002. № 4. С. 106-111.

21. Yalandin M.I., Lyubutin S.K., Oulmascoulov MR., Rukin S.N., Shpak V.G., Shunailov S.A., Slovikovsky B.G. High peak power and high average power subnanosecond modulator operating at a repetition frequency of 3.5 kHz // IEEE Transactions on Plasma Science. October 2002. Vol. 30. No 5. P. 1700 -1704.

- 1 405Z

ВВЕДЕНИЕ.

1. SOS-ДИОДЫ: МОЩНЫЕ НАНОСЕКУНДНЫЕ ПРЕРЫВАТЕЛИ

ТОКА.

1.1. SOS-эффект и его характеристики.

1.2. Принцип работы SOS-диода.

1.3. Характеристики SOS-диодов.

Выводы.

2. ГЕНЕРАТОРЫ НА SOS-ДИОДАХ.

2.1. Схемный подход.

2.2. Конструкция генераторов.

2.3. Характеристики разработанных генераторов.

Выводы.

3. ГЕНЕРАТОР КВАЗИПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ НИЗКООМНОЙ НАГРУЗКИ

3.1. Экспериментальная схема.

3.2. Формирование квазипрямоугольного импульса.

3.3. Результаты исследований.

Выводы.

Мощная наносекундная импульсная техника на сегодняшний день имеет две основные тенденции своего развития. Одна из них заключается в проведении различных исследовательских программ в таких областях, как ускорительная техника, лазерная техника, мощная СВЧ-электроника, управляемый термоядерный синтез и т.д. Здесь основные усилия сосредоточены на получении рекордно высоких параметров по выходной мощности, и это приводит к разработке и созданию импульсных источников энергии с максимально высокими величинами напряжения и тока. Это установки, представляющие собой уникальные сооружения, как правило, не особо критичны к таким требованиям, как высокая средняя мощность, частота следования импульсов, компактность и срок службы.

Другая тенденция, получившая наиболее интенсивное развитие в последние 10-15 лет, связана с технологическим применением мощных наносекундных импульсов. Разрабатываются новые перспективные технологии для решения экологических задач по очистке выбросов электрических и тепловых станций, удалению токсичных примесей из воздуха, обработке отходов медицины и вредных производств, очистке питьевой воды, стерилизации различной продукции, в том числе и продуктов питания. Также активно идет создание новых радиационных и радиолокационных технологий. Для разработки такого рода технологических устройств также требуются импульсные источники энергии, наиболее важными характеристиками которых являются высокая частота повторения импульсов и средняя мощность, компактность и надежность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет.

Основой наносекундной импульсной техники в обоих направлениях являются генераторы мощных импульсов тока и напряжения, энергия которых используется либо непосредственно, либо переводится в энергию соответствующих видов излучения. Наиболее распространенные принципы генерирования мощных наносекундных импульсов электрической энергии подразделяются на два основных направления, отличающиеся друг от друга видом запасаемой энергии и способом передачи энергии в нагрузку. В первом случае происходит накопление энергии электрического поля в высоковольтных емкостных накопителях, таких как низкоиндуктивные конденсаторы и формирующие линии, а затем передача энергии в нагрузку через замыкающие устройства - сильноточные наносекундные коммутаторы [1,2]. Во втором случае происходит накопление энергии в магнитном поле индуктивного контура с током. Последующая передача энергии в нагрузку происходит посредством размыкающих устройств - прерывателей тока [3,4].

В емкостных накопителях предельная плотность запасаемой энергии определяется электрической прочностью диэлектрика и его диэлектрической проницаемостью. В современных импульсных конденсаторах электрическое поле, длительно выдерживаемое диэлектриком, достигает значений порядка 106 В/см. При этом плотность энергии составляет около 102 Дж/дм3. Повышение электрической прочности диэлектриков при импульсной зарядке конденсаторов позволяет примерно на порядок увеличить это значение. Плотность запасаемой энергии в индуктивных накопителях определяется предельно допустимыми магнитными полями, которые ограничены механической прочностью материалов индуктивных накопителей. При этом плотность магнитной энергии может достигать величины 105 Дж/дм3. В отношении запасаемой энергии очевидно преимущество индуктивных накопителей энергии по сравнению с емкостными. Но на пути практического использования индуктивных накопителей в мощных импульсных устройствах возникают два серьезных препятствия. Одно из них заключается в том, что постоянная времени саморазряда в системах индуктивного накопления энергии намного меньше этого параметра для емкостного накопителей. Это означает, что индуктивные накопители должны заряжаться гораздо быстрее, откуда вытекает необходимость в более мощных зарядных источниках энергии. Другое препятствие заключается в решении еще более трудной технической проблемы - создании быстродействующего сильноточного размыкателя.

В емкостных накопителях конденсатор разряжается на нагрузку через замыкающий коммутатор, который часто выполняется в виде искрового промежутка. Ток разряда намного превышает зарядный ток, и поэтому емкостную разрядную цепь можно рассматривать как усилитель тока. В индуктивных накопителях передача энергии в нагрузку, запасенной в катушке индуктивности, осуществляется посредством размыкателя, как правило, установленного параллельно цепи нагрузки. Ток в цепи размыкателя падает и переключается в нагрузку. Одновременно из-за уменьшения тока на размыкателе на нагрузке развивается высокое напряжение, пропорциональное величине L(dl/dt). По этой причине индуктивную разрядную цепь можно рассматривать как усилитель напряжения. Развивающееся на катушке и нагрузке напряжение прикладывается и к размыкателю. Таким образом, создание систем индуктивного накопления энергии требует решения двух серьезных технических проблем - построения мощной зарядной цепи и разработки быстро восстанавливающегося размыкателя, способного выдерживать высокое напряжение и пропускать через себя большие токи в проводящем состоянии. Сверхмощные размыкатели тока наносе-кундного диапазона, выдерживающие напряжения мегавольтного уровня и отключающие токи порядка десятков и сотен килоампер за десятки наносекунд, такие как плазменные прерыватели тока [5, 6] и прерыватели тока на основе электрического взрыва проводников [6, 7, 8], обладают рядом существенных недостатков. Основными из них можно назвать малый срок службы из-за эрозии электродов у первых и невозможность работы в частотном режиме из-за изменения проводящей среды размыкателя необратимым образом у вторых.

Разработка и исследование новых типов размыкателей тока, свободных от указанных недостатков и способных выйти на уровень технологических применений, выдвигает еще одно требование - длительный срок службы. В этом направлении наиболее перспективным являются схемы с индуктивными накопителями энергии и твердотельными прерывателями тока, на основе которых возможна разработка мощных импульсных устройств с высокими удельными характеристиками и практически неограниченным (твердотельным) ресурсом. Здесь основная проблема заключается в создании мощного твердотельного частотного размыкателя тока.

Известные физические принципы быстрого отключения тока в твердом теле основаны либо на создании высокой проводимости в собственном полупроводнике под действием лазерного излучения или электронного пучка с последующим быстрым отключением источника ионизации [10, 11], либо на токовой инжекции заряда в базу р+- п - п структуры с последующим выводом накопленного заряда обратным током [12-15].

В работе [10] рассмотрен вопрос о возможности создания мощных полупроводниковых коммутаторов на основе облучения кристаллов арсенида галлия пучком электронов. Для этих целей в экспериментах использовался электронный ускоритель с энергией электронов 100 - 150 кэВ. При плотности тока электронного пучка 36 мА/см2 была достигнута плотность коммутируемого тока в кристалле 53 А/см2. Показано, что такие коммутаторы могут обрывать ток с характерным временем рекомбинации носителей порядка нескольких наносекунд.

В работе [И] в качестве твердотельного размыкателя тока исследовался образец из кристалла арсенида галлия, легированного кремнием и компенсированного медью. В качестве источника ионизации использовался лазер. При облучении кристалла первым лазерным импульсом с длиной волны А.=1,06 мкм происходит переход кристалла в проводящее состояние, что дает возможность пропустить через кристалл ток накачки индуктивного накопителя энергии. При облучении кристалла вторым лазерным импульсом с Х=1,7 мкм происходит высвобождение дырок из глубоких центров атомов меди. Рекомбинация избыточных электронов и дырок с характерным для арсенида галлия временем порядка 1 не приводит к переключению тока индуктивного накопителя из кристалла в нагрузку. На 200-омной нагрузке в работе были получены импульсы с напряжением 6,2 кВ длительностью 20 не при обрыве тока величиной 100 А за время 5 не. Очевидные технические сложности первого метода, связанные с необходимостью применения ускорителя заряженных частиц или лазеров для управления работой размыкателя тока, наряду с низкими параметрами отключаемых токов и выдерживаемых напряжений, практически исключают возможность его использования в мощной импульсной технике.

Метод токовой инжекции заряда для резкого обрыва обратного тока в полупроводниковых диодах был основан в 50-е годы, когда интенсивно развивались работы по созданию быстродействующих импульсных диодов. Диоды с эффектом резкого обрыва тока получили название диодов с накоплением заряда (ДНЗ) [12]. Принцип работы ДНЗ основан на существовании встроенного тормозящего поля в базе диффузионного диода, образованного градиентом концентраций донорных атомов. На стадии накопления заряда прямым током встроенное электрическое поле, направленное из «-базы в /^-область, препятствует распространению инжектируемых дырок в глубь базы и удерживает заряд вблизи р-п - перехода. За счет этого при прохождении обратного тока практически весь накопленный заряд успевает выйти из базы диода на стадии высокой обратной проводимости. Малая величина остаточного заряда в базе к моменту образования объемного заряда у р-п — перехода приводит к резкому обрыву обратного тока за время 10"9 - Ю"10 с. Работа диода в режиме ДНЗ возможна только при низком уровне инжекции и при высоком уровне легирования базы донорной примесью. Переход к сильноточному режиму работы (высокий и сверхвысокий уровень инжекции), а также снижение уровня легирования и-базы для увеличения обратного напряжения диода приводит к исчезновению встроенного электрического поля и эффекта резкого обрыва тока. В связи с чем характерные для ДНЗ со встроенным полем величины рабочих токов составляют 10 - 100 мА, обратных напряжений-10-50 В.

В начале 80-х годов профессором И.В. Греховым был предложен и реализован сильноточный режим работы р+ - п - п структуры с плотностью обрываемого тока до 200 А/см2, временем обрыва тока около 2 не и рабочим напряжением 1 кВ [13]. Такие диоды получили название дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [14, 15]. Принцип работы ДДРВ состоит в следующем. За счет короткой длительности импульса прямого тока (сотни наносекунд) в базе диода происходит резко неоднородное распределение плазмы и возле р-п — перехода создается тонкий слой инжектированной плазмы, в котором сосредоточена основная часть накопленного заряда. При протекании тока обратной накачки происходит рассасывание плазменного слоя у р-п — перехода с одновременным дрейфовым выносом дырок из основной части базы. Подбором параметров структуры (длина базы и уровень легирования) и режима накачки (длительность и плотность тока) достигается условие, когда к моменту удаления из структуры всех неравновесных носителей плотность дрейфового тока достигает максимального значения для данного уровня легирования базы. При выполнении этого условия процесс обрыва обратного тока представляет собой удаление из базы равновесных носителей с максимально возможностью скоростью насыщения порядка 107 см/с. В связи с этим ДДРВ имеет ограничение по плотности тока через структуру. Для получения обратных напряжений на структуре около 1 - 2 кВ уровень донорной примеси в базе не может превышать 1014 см"3, что на стадии отключения соответствует максимальной плотности тока около 160 - 200 А/см2. Однако путем увеличения площади структуры и создания сборок из последовательных соединенных структур возможно увеличение рабочих параметров прерывателя по току и напряжению. Рекордные для ДДРВ параметры получены в работе [16], в которой с помощью последовательно соединенных ДДРВ формируются импульсы с амплитудой 80 кВ, током 800 А и частотой следования импульсов 1 кГц.

В работе [17] сообщается о разработке нового полупроводникового прерывателя тока, принцип работы которого основан на инверсном механизме восстановления диода. Специальная структура диода позволяет увеличить длительность прямой накачки, а также поднять плотность обрываемого тока. Однако работа такого диода также основана на принципе удаления избыточной плазмы из базы на стадии высокой обратной проводимости. На основе такого диода разработан генератор с напряжением 30 кВ, током 600 А и частотой следования импульсов 1 кГц. В работе [18] представлен более мощный генератор, формирующий на нагрузке в десятки Ом импульсы напряжения в десятки кВ.

Таким образом, вышеописанные методы обрыва тока в полупроводниках характеризуются относительно скромными достигнутыми параметрами по импульсной мощности (десятки МВт), току (сотни А) и напряжению (десятки кВ), которые недостаточны для многих приложений мощной импульсной техники.

Ситуация в области мощной полупроводниковой электроники изменилась кардинальным образом, когда в 1992 году в Институте электрофизики УрО РАН был обнаружен эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках (SOS-эффект) [19]. Было показано, что эффект наблюдается в р+ - р - п - п+ - структурах при времени накачки порядка 10"8 — 10"6 с и плотности обратного тока до 60 кА/см2, а время обрыва тока при этих условиях лежит в диапазоне от десятых долей до единиц наносекунд. Очевидно, что применение данного эффекта для разработки мощных твердотельных прерывателей тока и генераторов на их основе представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Целями диссертационной работы явились:

• Разработка новых полупроводниковых наносекундных прерывателей тока, работающих на основе SOS-эффекта, для мощных импульсных генераторов частотного режима работы;

• Разработка схемного подхода для построения наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии на основе промежуточного индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока;

• Создание мощных компактных генераторов наносекундного диапазона с высокой частотой повторения импульсов для научных и практических целей.

Научная новизна

Основные результаты работы относятся к категории полученных впервые. Наиболее важные из них:

1. Исследовано влияние параметров структуры на процесс обрыва тока в режиме SOS-эффекта. Установлено, что увеличение глубины залегания р-п - перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение возрастает до 6-кратного.

2. Созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса - SOS-диоды, представляющие собой твердотельные наносекундные прерыватели тока. Разработанные SOS-диоды имеют увеличенную глубину залегания р-п - перехода и развитую поверхность охладителей. При рабочем напряжении более 100 кВ и плотности обрываемого тока до 10 кА/см2 достигнуто время отключения тока в единицы не. При частоте следования импульсов 1-2 кГц получена удельная средняя мощность, переключаемая SOS-диодом в нагрузку, величиной 10 кВт/кг.

3. Показано, что SOS-диод, содержащий до нескольких сотен последовательно соединенных полупроводниковых структур, на стадии обрыва тока и генерирования импульса характеризуется равномерным распределением напряжения по последовательным структурам, что позволяет его эксплуатацию без применения дополнительных внешних делителей.

4. На основе SOS-диодов разработана серия малогабаритных наносекундных генераторов с твердотельной системой коммутации. Получены следующие выходные параметры: напряжение - 100 450 кВ, ток - 0.2 ^ 1.5 кА, длительность импульса -20 + 60 не, энергия импульса -1 + 10 Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в пачке импульсов.

5. Проведены эксперименты по формированию с помощью SOS-диода квазипрямоугольного импульса напряжения на низкоомной нагрузке, величиной 4.5 Ом. Получены импульсы длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА.

Практическая ценность работы определена созданием мощных наносекундных генераторов нового класса с промежуточным индуктивным накопителем и полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов. Разработанные устройства имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии, в связи с чем сочетают высокую частоту следования импульсов и среднюю мощность, компактность, надежность и имеют практически неограниченный срок службы. Именно эти качества позволяют устройствам данного класса получить широкое практическое применение в различных электрофизических промышленных технологиях.

Реализация результатов работы

Разработанные SOS-диоды и мощные наносекундные генераторы на их основе применялись при проведении прикладных исследований в различных областях электрофизики: для генерирования сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, исследования электрических свойств полупроводников и диэлектриков, накачки газовых лазеров, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей, а также в качестве источников питания широкополосных электромагнитных излучателей. Ниже перечислены российские и зарубежные организации, использующие результаты диссертационной работы и эксплуатирующие коммерческие образцы разработанных устройств и приборов:

1. Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург

2. Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск

3. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск

4. Всероссийский НИИ технической физики, Снежинск

5. НИИ Машиностроения Федеральное космическое агентство, Н.Салда

6. Компания Britsh Aerospace Defence, Ltd., Бристоль, Великобритания

7. Ливерморская национальная лаборатория, Ливермор, США

8. Компания Vitronics, Inc., Итентаун, США

9. Исследовательский центр Карлсруэ, Карлсруэ, Германия

10. Техасский технический университет, Лаббок, США

11. Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, США

12. Компания LG Industrial Systems, Ltd., Аниянг, Южная Корея

13. Ядерный исследовательский центр SOREQ NRC, Йавне, Израиль

14. Компания Exion Technologies, Ltd, Реховот, Израиль

15. Университет Кумамото, Кумамото, Япония

16. Технологический университет, Нагаока, Ниигата, Япония

17. Северо-западный Институт ядерной техники, Сиань, Китай

18. Институт прикладной электроники, Миньян, Китай

Вклад автора в представленную работу состоит в проведении расчетов, моделировании, разработке конструкций и проектировании экспериментальной техники, непосредственном проведении экспериментов и анализе полученных результатов. Апробация работы и публикации

Материалы работы докладывались на следующих Международных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международная конференция по мощной импульсной технике (США - 1995, 1997, 1999, 2001), Международная конференция по мощным пучкам частиц (США - 1994, Чешская Республика - 1996, Япония - 2000), Международный симпозиум по сильноточной электронике (Томск - 2000), Международная конференция по мощным импульсным модуляторам (США - 2002), Семинар по мощной импульсной технике (Великобритания - 2003).

По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ [53-87].

Положения, выносимые на защиту

1. В полупроводниковой структуре р+- р - п - п - типа, работающей в режиме SOS-эффекта, увеличение глубины залегания р-п - перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение возрастает до 6-кратного.

2. Разработанные SOS-диоды с увеличенной глубиной залегания р-п - перехода и развитой поверхностью охладителей при рабочем напряжении более 100 кВ способны отключать обратный ток, плотностью до 10 кА/см2 за время единицы не. При частоте следования импульсов 1-2 кГц удельная средняя мощность, переключаемая SOS-диодом в нагрузку, достигает величины 10 кВт/кг.

3. Для увеличения импульсной мощности генератора SOS-диоды допускают параллельно-последовательное соединение без применения вспомогательных элементов для выравнивания распределения тока и напряжения. При этом общая сборка прерывателя тока выполняется в виде отдельных параллельных ветвей, каждая из которых содержит равное количество SOS-диодов.

4. На основе SOS-диодов возможна разработка малогабаритных наносекундных генераторов с твердотельной системой коммутации со следующим диапазоном выходных параметров: напряжение — 100 450 кВ, ток - 0.2 + 1.5 кА, длительность импульса -20 -ь 60 не, энергия импульса - 1 -МО Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в пачке импульсов.

5. При работе на низкоомную нагрузку, величиной несколько Ом, SOS-диоды с параллельными корректирующими цепями способны формировать квазипрямоугольные импульсы напряжения, длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА.

Основное содержание работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 126 страниц,

Основные результаты работы по созданию малогабаритных генераторов высоковольтных наносекундных импульсов на основе SOS-диодов можно сформулировать следующим образом:

1. По результатам исследования процесса обрыва тока в полупроводниковой структуре р+- р - п - п+ - типа в режиме SOS-эффекта были определены параметры полупроводниковой структуры, оказывающие влияние на этот процесс. Было установлено, что увеличение глубины залегания р-п - перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва тока сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение при формировании импульса напряжения на нагрузке достигает 6-ти кратной величины.

2. На основании установленных оптимальных значениях параметров полупроводниковой структуры р+- р - п - п+ - типа для работы в условиях SOS-эффекта (глубина залегания р-п - перехода, удельное сопротивление исходного кремния, длина п-базы и площадь структуры) созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса -SOS-диоды - твердотельные наносекундные прерыватели тока. Экспериментально было показано и теоретически обосновано, что SOS-диоды характеризуются как надежные приборы, способные выдерживать многократные электрические и тепловые перегрузки.

3. Показано, что SOS-диод, содержащий до нескольких сотен последовательно соединенных полупроводниковых структур р+- р - п - п+ - типа, в режиме SOS-эффекта на стадии обрыва тока и генерирования высоковольтного импульса на нагрузке характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам. Таким образом, без применения вспомогательных элементов для выравнивания тока и напряжения допустимо последовательно-параллельное соединение SOS-диодов, которое выполняется в виде отдельных параллельных ветвей, содержащих равное количество SOS-диодов.

4. На основе SOS-диодов создана серия малогабаритных наносекундных генераторов высоковольтных импульсов напряжения с полностью твердотельной системой коммутации. Генераторы характеризуются высокой степенью надежности и долговечности. Получены следующие выходные параметры: напряжение на нагрузке - от 100 до 450 кВ, ток в нагрузке - от 0,2 до 1,5 кА, длительность импульса на полувысоте - от 20 до 60 не, энергия импульса - от 1 до 10 Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в режиме пачек импульсов.

5. На базе SOS-диодов в качестве прерывателя тока в оконечном усилителе мощности с индуктивным характером накопления энергии создан генератор для формирования квазипрямоугольных импульсов напряжения длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА на нагрузке около 5 Ом. По результатам экспериментов сделана оценка эффективности работы генератора и сделано заключение о возможности создания по этой схеме более мощных генераторов.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность чл.-корр. РАН д.т.н. Котову Юрию Александровичу за постоянный интерес к работе, научному руководителю д.т.н. Рукину Сергею Николаевичу за многочисленные рекомендации и плодотворное обсуждение результатов работы, а также сотрудникам лаборатории импульсной техники Института электрофизики УрО РАН Любутину Сергею Константиновичу, Тимошенкову Сергею Петровичу, Бушлякову Алексею Ивановичу, Цыранову Сергею Николаевичу, Костыреву Валерию Васильевичу, Болотову Алексею Борисовичу, Пономареву Андрею Викторовичу за многолетнее плодотворное сотрудничество.

Заключение.

1. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. Радио, 1974.

2. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф. Сильноточные наносекундные коммутаторы. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1979.

3. Guenther A., Kristiansen М., Martin Т. Opening switches. N.Y.: Plenum Press, 1987.

4. Шенбах К., Кристиансен М., Шефер Г. Размыкатели для индуктивных накопителей энергии. ТИИЭР, Т. 82. № 8. 1984.

5. Mendel C.W., Goldshtein S.A. A fast-opening switch for use in REB diode experiments. // J. Appl. Phys. 1977. V. 48. № 3. P. 1004 1006.

6. Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. Генератор мощных наносекундных импульсов с вакуумной линией и плазменным прерывателем. // Доклады Академии Наук. 1985. Т. 284. № 4. С. 857 859.

7. Котов Ю.А., Колганов Н.Г., Ковальчук Б.М. Быстродействующий размыкатель на основе взрывающихся проволочек. // Приборы и техника эксперимента. 1974. № 6. С. 107-109.

8. Бурцев В.А. Коммутация тока при электрическом взрыве фольг. В кн.: Физика и техника мощных импульсных систем / Под ред. Е.П. Велихова. М.: Энергоатомиз-дат, 1987. с. 211.

9. Котов Ю.А., Колганов Н.Г., Седой B.C. Формирование высоковольтных импульсов с помощью взрыва проводников. В кн.: Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов. / Под ред. Г.А. Месяца. Новосибирск. Наука. 1974. С. 83-96.

10. Schoenbach K.H., Lakdawala V.K., Stoudt D.C. et al. Electron-beam-controlled high-power semiconductor switches. // IEEE Trans. On Electron Devices. 1989. V. 36. № 9. P. 1793-1802.

11. Stoudt D.C., Kenney J.S., Schoenbach K.H. Inductive energy storage using a fast-opening bulk optically controlled semiconductor switch. // Proc. 9th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA, 1993. Vol. 1. P. 123 126.

12. Еремин С.А., Мокеев O.K., Носов Ю.Р. Полупроводниковые диоды с накоплением заряда и их применение. М.: Сов. Радио. 1966. 153 С.

13. Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Шендерей С.В. Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на полупроводниковых диодах с дрейфовым механизмом восстановления. // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. Вып. 7. С. 435-439.

14. Тучкевич В.М., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.: Наука. 1988. 117 С.

15. Грехов И.В. Импульсная коммутация больших мощностей полупроводниковыми приборами. В кн.: Физика и техника мощных импульсных систем / Под ред. Е.П. Велихова. М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 237.

16. Efanov V.M., Kardo-Sysoev A.F., Larionov М.А. et al. Powerful semiconductor 80 kV nanosecond pulser. // Proc. 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA. 1997. V. 2. P. 985 987.

17. Grekhov I.V. Mega and gigawatts-ranges, repetitive mode semiconductor closing and opening switches. // Proc. 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA. 1997. V. 1. P. 425-429.

18. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 3. Екатеринбург: УИФ «Наука». 1994.

19. Любутин С.К., Рукин С.Н., Тимошенков С.П. Исследование полупроводникового размыкателя тока в мощных импульсных генераторах с промежуточным индуктивным накопителем. // IX Симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. 1992. Россия. С. 218 -219.

20. Дарзнек С.А., Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. SOS-эффект: наносекундный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках. // Доклады Академии Наук. 1994. Т. 334. №3. С. 304-306.

21. Darznek S.A., Mesyats G.A., Rukin S.N., Tsiranov S.N. Theoretical model of the SOS effect. // Proc. 11th Int. Conf. on High Power Particle Beams, Prague, Czech Republic, 1996. V. 2. P. 1241 1244.

22. Дарзнек С.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых прерывателях сверхплотных токов. // Журнал технической физики. 1997. Т. 67. Вып. 10. С. 64 70.

23. Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми размыкателями тока. // Приборы и техника эксперимента. 1999. № 4. С. 5 36.

24. Потапчук В.А., Мешков О.М. Силовые супербыстродействующие эпитаксиально-диффузионные диоды. // Электротехника. 1996. № 12. С. 14 16.

25. Assalit N.B., Ericson L.O., Wu S.J. High power controlled soft recovery diode design and application. // IEEE Industry Application Society Annual Meeting. 1979. P. 1056 -1061.

26. Chu C.K., Jonson J.E., Spisak P.B., Kao Y.C. Design consideration on high power soft recovery rectifiers. // IEEE Industry Application Society Annual Meeting. 1980. P. 720 -722.

27. Грехов И.В., Гейфман Е.М., Костина JI.C. Исследование переходного процесса переключения силового диода с накоплением заряда. // Журнал технической физики. 1983. Т. 53. Вып. 4. С. 726 729.

28. Mesyats G.A., Rukin S.N., Luybutin S.K., Darznek S.A., Litvinov Ye.A., Telnov V.A., Tsiranov S.N., Turov A.M. Semiconductor opening switch research at IEP. // Proc. 10th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque. NM. USA. 1995. V. 1. P. 298 305.

29. Дарзнек C.A., Рукин C.H., Цыранов C.H. Влияние профиля легирования структуры на процесс отключения тока в мощных полупроводниковых прерывателях. // Журнал технической физики. 2000. Т. 70. Вып. 4. С. 56-63.

30. Бурцев Э.Ф., Грехов И.В., Крюкова Н.Н. Локализация тока в кремниевых диодах при большой плотности тока. // Физика и техника полупроводников. 1970. Т. 4. № 10. С 1955-1962.

31. Пономарев А.В., Рукин С.Н., Цыранов С.Н. Исследование процесса распределения напряжения по структурам в мощном полупроводниковом прерывателе тока. // Письма в Журнал технической физики. 2001. Т. 27. Вып. 20. С. 29 34.

32. Мешков А.Н. Магнитные генераторы мощных наносекундных импульсов (обзор). // Приборы и техника эксперимента. 1990. № 1. С. 23-36.

33. Котов Ю.А., Лучинский А.В. Усиление мощности емкостного накопителя энергии прерывателем тока на электрически взрываемых проволочках. В кн.: Физика и техника мощных импульсных систем / Под ред. Е.П. Велихова. М.: Энергоатомиз-дат, 1987. С. 189.

34. Бут Д.А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. Накопители энергии: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат. 1991. 400 с.

35. Бут Д.А. Индуктивные накопители энергии // Электричество. 1987. № 10. 48 с.

36. Коровин С.Д. Трансформатор Тесла в сильноточных импульсно-периодических ускорителях. Томск: Препринт ИСЭ СО РАН № 47. 1988. 38 С.

37. Васильев В.В., Луконин Е.И., Фурман Э.Г. Импульсная система заряда формирующих линий ускорителя с высокой частотой срабатывания // Приборы и техника эксперимента. 1987. № 6. С. 81-83.

38. Рукин С.Н. Устройство магнитного сжатия импульса. // Патент РФ № 2089042. БИ. 1997. №24.

39. Белкин B.C., Марин О.Ю., Шульженко Г.И. Формирование высоковольтных нано-секундных импульсов на серийных диодах. // Приборы и техника эксперимента. 1992. № 6. С. 120-124.

40. Меерович Л.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. М.: Советское радио.1968. 467 С.

41. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. М.: Энерго-атомиздат. 1990.

42. Отблеск А.Е., Челноков В.Е. Физические проблемы полупроводниковой электроники. Л.: Наука. 1984.

43. Блихер А. Физика тиристоров. Перевод с англ. Под ред. Грехова И.В. Л.: Энерго-атомиздат. 1981.

44. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. Л.: Энергия. 1971. С. 148.

45. Stone R., Van Sant J., Bahowick S. et al. Core cooling studies at LLNL and Sandia // Int. Magnetic Pulse Compression Workshop. Granlibakken, С A, USA. February 12-14, 1990. V.2. P. 104-113.

46. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. 2-е изд., перераб. и доп. Л .: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. 208 С.: ил.

47. Pokryvailo A., Yankelevich Y., Shapira M. Design and testing of a compact sub-GW, subnanosecond pulser. // Proc. of the Int. Power Modulator Conference, Hollywood, California, USA, June 30 July 3, 2002, P. 142-145.

48. Sethiah J.D., Obenschain S.P., Gerber K.A. et al. Large area electron beam pumped krypton fluoride laser amplifier // Rev. Sci. Instrum. 68(6), June 1997. P. 2357-2366.

49. Дашук П.Н., Зайенц Л.С., Комельков B.C. и др. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. М.: Атомиздат, 1970. 13 с.

50. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Устройство для запуска импульсного разрядника. // Патент РФ № 1769352. БИ. 1992. № 38.

51. Бушляков А.И., Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Тимошенков С.П. Автоматический запуск частотных искровых разрядников. // Приборы и техника эксперимента. 1993. № 5. С. 106 108.

52. Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Rukin S.N., Slovikovskii B.G., Turov A.M. New solid-state opening switches for repetitive pulsed power technology. // In Proc.: XI Int. Conf. on High Power Particle Beams., Prague, Czech Republic, 1996. V. 1. P. 135 138.

53. Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Rukin S.N., Slovikovskii B.G. Repetitive nanosecond all-solid-state pulsers based on SOS diodes. // In Proc.: XI Int. IEEE Pulsed Power Conference. Baltimore, Maryland, USA, 1997. V. 2 . P. 992 998.

54. Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Rukin S.N., Slovikovskii B.G. Subnanosecond high-density current interruption in SOS diodes. // In Proc.: XI Int. IEEE Pulsed Power Conference. Baltimore, Maryland, USA, 1997. V. 1 . P. 663 666.

55. Любутин C.K., Месяц Г.А., Рукин C.H., Словиковский Б.Г. Субнаносекундный обрыв тока в мощных полупроводниковых SOS-диодах. // Доклады Академии Наук. 1998. Т. 360. № 4. С. 477-479.

56. Дарзнек С.А., Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. SOS-диоды: наносекундные прерыватели сверхплотных токов // Электротехника. 1999. № 4. С. 20 28.

57. Mesyats G.A., Lyubutin S.K., Rukin S.N., Slovikovskii B.G., Shpak V.G., Shunailov S.A., Oulmaskoulov M.R., Yalandin M.I. Nanosecond microwave generator based on the relativistic 38-GHz backward-wave oscillator and all-solid-state pulsed power modulator

58. In Proc.: XII Int. IEEE Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999. V. 1 . P. 202 205.

59. Mesyats G.A., Lyubutin S.K., Rukin S.N., Slovikovskii B.G. Repetitive short pulse SOS-generators // In Proc.: XII Int. IEEE Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999. V. 2 . P. 1226 1229.

60. Lyubutin S.K., Rukin S.N., Slovikovskii B.G., Tsiranov S.N. Experimental study of SOS-based generator for low impedance load // In Proc.: XII Int. IEEE Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999. V. 2 . P. 1230 1233.

61. Любутин C.K., Рукин C.H., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. Генератор квазипрямоугольных импульсов на низкоомной нагрузке с полупроводниковыми прерывателями тока // ПТЭ. 2000. № 1. С. 74 81.

62. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Компактный генератор с полупроводниковым прерывателем тока с напряжением 300 кВ и частотой следования импульсов до 2 кГц // ПТЭ. 2000. № 1. С. 82 86.

63. Дарзнек С.А., Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. Полупроводниковый прерыватель тока // Патент России № 2156014, Н 01 L 29/86, опубл. БИ, 2000, №25.

64. Kuznetsov D.L., Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Novoselov Yu.N., Rukin S.N.,

65. Slovikovsky B.G., Kharlov E.A. Compact SOS-based 400-keV electron beam accelera-thtor // Proc. of 13 Int. Conf. on High Power Particle Beams, Nagaoka, Japan, June 2530, 2000, P. 964-967.

66. Любутин C.K., Рукин C.H., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. Высокочастотные импульсные генераторы на основе SOS-диодов с субнаносекундным временем обрыва тока // ПТЭ. 2000. № 3. С. 52 60.

67. Загулов Ф.Я., Кладухин B.B., Кузнецов Д.Л., Любутин С.К., Новоселов Ю.Н., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Харлов Е.А. Сильноточный наносекундный ускоритель электронов с полупроводниковым прерывателем тока. // ПТЭ. 2000. № 5. С. 71 76.

68. Rukin S.N., Mesyats G.A., Ponomarev A.V., Slovikovsky B.G., Timoshenkov S.P., Bushlyakov A.I. Megavolt repetitive SOS-based generator // Proc. of 13th IEEE Int. Pulsed Power Conf., Las Vegas, Nevada, USA, June 17-22, 2001, V. 2, P. 1272-1275.

69. Rukin S.N., Alichkin E.A., Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Slovikovsky B.G. Ultra-high-power repetitive solid state DBD-based switching // Proc. of 13th IEEE Int. Pulsed Power Conf., Las Vegas, Nevada, USA, June 17-22, 2001, V. 1, P. 329-332.

70. Любутин C.K., Месяц Г.А., Рукин C.H., Словиковский Б.Г., Аличкин Е.А. Субнано-секундная коммутация гигаваттной пиковой мощности полупроводниковым диодным обострителем // Доклады Академии Наук. 2001. Том 379. № 4. С. 470-472.

71. Бушляков А.И., Пономарев А.В., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Тимошенков С.П. Мегавольтный наносекундный генератор с полупроводниковым прерывателем тока //ПТЭ. 2002. № 2. С. 74-81.

72. Аличкин Е.А., Любутин С.К.? Пономарев А.В., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Формирование коротких импульсов с субнаносекундным фронтом и пиковой мощностью до 1 ГВт полупроводниковым диодным обострителем // ПТЭ. 2002. № 4. С. 106-111.