Мегавольтный генератор наносекундных импульсов с полупроводниковым прерывателем тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ

На правах рукописи

ПОНОМАРЕВ Андрей Викторович

МЕГ АВОЛЬТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРЕРЫВАТЕЛЕМ ТОКА

Специальность: 01.04.13 - Электрофизика,

электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2005

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 М. И. Яландин

(ИЭФ УрО РАН, г. Екатеринбург)

ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук В. П. Ковалёв (ВНИИТФ, г. Снежинск)

Ведущая организация:

Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск

Защита состоится" 18 " октября 2005 г. В 13 часов на заседании диссертационного совета Д.004.024.01 при Институте электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106).

С диссертацией можно ознакомится 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 »за» о г 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук

Н.Н. Сюткин

<2006-4 /3DS7

ja ом.у

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

Основой мощной наносекундной импульсной техники является генератор импульсов электрической энергии. Один из наиболее важных аспектов, определяющий прогресс 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 необходимы прерыватели тока, отключающие токи в единицы и десятки килоампер за единицы наносекунд и выдерживающие напряжение мегавольтного уровня.

До начала 90-х годов не существовало полупроводниковых коммутаторов с подобными характеристиками 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) На основе этого эффекта был создан новый класс полупроводниковых приборов - SOS-диодов, представляющих собой сверхмощные твердотельные наносекундные прерыватели тока высокой плотности с рабочим напряжением в сотни киловольт. На этой основе были разработаны наносекундные генераторы с выходным напряжением от 100 до 450 кВ при импульсной мощности в сотни МВт. Очевидно, что применение и развитие данного подхода для разработки более мощных генераторов, и освоение мегавольтного уровня выходного напряжения в сочетании с гигаватт-ным уровнем импульсной мощности представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Цели диссертационной работы:

• Разработка и исследование мощного наносекундного генератора с полупроводниковым прерывателем тока на основе ЗОБ-диодов. Достижение мегавольтного выходного напряжения и гигаваттною уровня импульсной мощности при величине средней мощности в десятки кВт.

• Исследование возможности применения разработанного генератора для получения сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом, а также его использования в качестве источника питания мощных СВЧ - устройств

Научная новизна

1. Разработан генератор с полупроводниковым прерывателем тока на основе ЗОБ-диодов с выходным напряжением до 1 МВ, импульсной мощностью до 2 ГВт при длительности импульса 30 - 60 не.

2. Показано, что прерыватель тока, работающий в режиме БОЗ-эффекта и содержащий до 1600 последовательно соединенных полупроводниковых структур, характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам на стадии обрыва тока и формирования импульса напряжения, и способен при мегавольтном уровне напряжения коммутировать среднюю мощность в нагрузку до 30 кВт постоянно и до 60 кВт в режиме пачки импульсов

3. Исследована возможность работы генератора на БОБ-диодах в гибридных схемах формирования наносекундных импульсов с гигаваттным уровнем пиковой мощности. При зарядке емкостного накопителя в виде формирующей линии достигнуто напряжение 900 кВ с временем нарастания 40 не при частоте следования импульсов 700 Гц

4 Показано, что разработанный генератор при работе на нагрузку в виде стримерного коронного разряда позволяет при частоте следования им-

пульсов 500 Гц вводить среднюю мощность в разряд до 22 кВт при импульсной мощности около 1 ГВт. 5. При работе генератора на вакуумный диод получен широкоапертурный электронный пучок мощностью 1.2 ГВт (750 кВ, 1.6 кА) с энергосодержанием ~ 55 Дж и средней мощностью до 5 кВт при частоте следования импульсов 100 Гц.

Практическая ценность работы определена созданием наносекунд-ных генераторов с мегавольтным уровнем выходного напряжения, оконечный каскад усиления мощности которых основан на использовании промежуточного индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока на основе БОБ-диодов. Разработанные генераторы имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии, в связи с чем сочетают высокую частоту следования импульсов и среднюю мощность, стабильность выходных параметров, надежность и имеют практически неограниченный срок службы. Именно эти качества позволяют генераторам данного класса получить широкое практическое применение, как в электрофизическом эксперименте, так и в различных электрофизических промышленных технологиях. Положения, выносимые я» защиту

1. На базе БОБ-диодов возможна разработка мощных генераторов с полупроводниковым прерывателем тока, имеющих выходное напряжение ме-гавольтного уровня, импульсную мощность до 2 ГВт при длительности импульса 30 - 60 не.

2. Прерыватель тока, работающий в режиме БОБ-эффекта и содержащий до 1600 последовательно соединенных полупроводниковых структур, характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам на стадии обрыва тока и формирования импульса напряжения, и способен при мегавольтном уровне напряжения коммутировать среднюю мощность в нагрузку до 30 кВт постоянно и до 60 кВт в режиме пачки импульсов.

3. Генераторы на БОБ-диодах могут использоваться в качестве драйверов в гибридных схемах формирования высоковольтных импульсов, заряжая

емкостной накопитель в виде формирующей линии до напряжения 900 кВ за время 40 не с частотой следования импульсов до 700 Гц.

4. При работе на нагрузку в виде стримерного коронного разряда в воздухе разработанный генератор позволяет при частоте следования импульсов 500 Гц вводить среднюю мощность в разряд до 22 кВт при импульсной мощности около 1 ГВт.

5. При работе на вакуумный диод генератор позволяет получить широко-апертурный электронный пучок мощностью 1.2 ГВт (750 кВ, 1.6 кА) с энергосодержанием ~ 55 Дж и средней мощностью до 5 кВт при частоте следования импульсов 100 Гц.

Реализация результатов работы

Разработанные мегавольтные наносекундные генераторы с полупроводниковым прерывателем тока на основе ЗОБ-диодов применялись при проведении прикладных исследований в различных областях электрофизики: для генерирования сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей, а также в качестве источника питания мощного СВЧ - генератора. Ниже перечислены российские и зарубежные организации, использующие результаты диссертационной работы и эксплуатирующие коммерческие образцы разработанных генераторов:

1. Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург

2. Всероссийский НИИ технической физики, Снежинск

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

4. Компания ТАСОМ-АШ)ЕС, Нью-Джерси, США

Апробация работы и публикации

Материалы работы докладывались на следующих Международных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международная конференция по мощной импульсной технике (США - 1999, 2001), Международная конференция по мощным пучкам частиц (Япония - 2000, Россия - 2004), Междуна-

родная конференция по мощным импульсным модуляторам (США - 2002), Семинар по мощной импульсной технике (Великобритания - 2003).

Вклад автора в диссертационную работу состоит в моделировании, разработке конструкций и проектировании генераторов, непосредственном проведении экспериментов и анализе полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 90 страниц, включая 43 рисунка и список литературы из 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении анализируется современное состояние дел в технике формирования мощных высоковольтных импульсов наносекундного диапазона. Дан краткий обзор наиболее широко применяемых прерывателей тока в схемах с индуктивными накопителями энергии. Обосновывается актуальность выбранной темы, изложены цель и содержание поставленных задач, сформулирована научная новизна и приведены защищаемые положения.

Первая глава носит обзорный характер, в ней дается описание мощных генераторов с полупроводниковым прерывателем тока. Обсуждаются вопросы начального накопления энергии в тиристорном зарядном устройстве и сжатия энергии в звене магнитной компрессии. Дается описание, и приводятся характеристики полупроводниковых прерывателей тока на основе БОБ-диодов.

В разделе 1.1 представлена концепция построения генераторов. Подчеркнуто, что наиболее важная особенность разработанных БОЗ-генераторов состоит в полностью твердотельной системе коммутации энергии. Основным достоинством данного подхода является повышенная надежность и длительный срок службы оборудования без деградации элементов системы коммутации. Эти преимущества открывают возможности использования мощных на-носекундных генераторов в различных промышленных технологиях. Другим немаловажным достоинством является стабильность выходных параметров

SOS-генераторов На рис 1 приведена блок-схема разработанных до 1997 г SOS-генераторов с твердотельной системой коммутации Тиристорное зарядное устройство (ТЗУ) осуществляет дозированный отбор энергии из питающей сети. Из ТЗУ энергия поступает в магнитный компрессор (МК) при напряжении 1-2 кВ за время 10-100 мкс. МК осуществляет сжатие импульса во времени до 300-600 не и повышает напряжение до сотен киловольт SOS выступает как оконечный усилитель мощности, переводя длительность импульса в диапазон времени 10-100 не и повышая при этом напряжение в 2-3 раза.

В разделе 1.2 рассматривается тиристорное зарядное устройство (ТЗУ). ТЗУ по своей сути является элементом, преобразующим с высоким КПД низкую частоту питающей сети в импульсное напряжение, необходимое для работы последующих каскадов генератора Таким образом, основное назначение ТЗУ - сформировать импульс для дальнейшего преобразования его в магнитном компрессоре МК Близкое к оптимальному время вывода энергии из ТЗУ лежит в диапазоне от 10 до 100 мкс при энер1ии импульса от единиц до сотен джоулей.

В разделах 1.3 и 14 описывается звено магнитной компрессии и его согласование с прерывателем тока Введение в схему звена магнитной компрессии энергии продиктовано необходимостью согласования параметров импульса с выхода ТЗУ с параметрами импульса накачки прерывателя тока Для получения на выходе устройства в целом наносекундных импульсов с амплитудой до 1 МВ магнитный компрессор должен формировать импульсы длшельностью в несколько сотен наносекунд и напряжением в сотни киловольт Таким образом, при входном импульсе амплитудой 1-2 кВ и длительностью 10-100 мкс МК должен обеспечить сжатие импульса во времени в 300-1000 раз и повышение напряжения в 100-200 раз. В разделе анализируются вопросы разработки МК, в котором сжатие импульса во времени происходит с одновременным повышением выходного напряжения. Описывается схемное решение накачки прерывателя в режиме усиления обратного тока Отмечается, что применение SOS - диодов

в оконечном каскаде сжатия энергии позволяет решить ряд проблем, связанных с компрессией энергии в наносекундном диапазоне. Использование в оконечном каскаде полупроводникового прерывателя тока, который выполняет функции, как компрессора, так и умножителя напряжения, исключает необходимость применения на выходе генератора магнитных ключей с наносекундным временем пере-магничивания.

Раздел 1.5 посвящен описанию полупроводникового прерывателя тока на основе SOS-диодов, который является важнейшим элементом разработанного генератора. Кратко описываются известные физические принципы на-носекундного отключения тока в твердом теле. Приводятся характеристики прерывателей тока на основе диодов с накоплением заряда (ДНЗ) и дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ). Описываются результаты экспериментов по обнаружению эффекта наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниковых диодах, который получил название SOS-эффекта. Приводятся характеристики разработанных на основе этого эффекта новых полупроводниковых приборов - SOS -диодов.

Во второй главе приводятся результаты разработки мегавольтного генератора с импульсной мощностью до 2 ГВт. Описываются блок-схема генератора, его электрическая схема и принцип работы, приводятся результаты конструкторской разработки. Приводятся результаты экспериментальных исследований генератора, даются его характеристики. Обсуждаются результаты испытаний в частотном режиме работы, вопросы надежности и пути увеличения КПД.

В разделах 2.1 и 2.2 приведена блок-схема разработанной установки, получившей название S-5N, ее электрическая схема, описан принцип работы. Электрическая схема генератора приведена на рис. 2. В общей сложности она содержит четыре емкостных накопителя С1-С4, один промежуточный индуктивный накопитель L' и шесть твердотельных коммутаторов: тиристор VS1, четыре магнитных коммутатора РТ1-РТЗ и MS+ и полупроводниковый прерыватель тока SOS. Сердечники всех магнитных элементов перемагничива-

ются автоматически без использования внешних схем. Тиристорное зарядное устройство генератора обеспечивает в резонансном режиме заряд первичного накопителя С1 до рабочего напряжения -1.2 кВ от трехфазной сети переменного напряжения 3x380В, 50 Гц. Схема резонансной зарядки содержит зарядный диод, что дает преимущества по сравнению со схемой с зарядным тиристором Во-первых, в момент срабатывания генератора, когда все элементы зарядного устройства подвержены наиболее интенсивным электромагнитным помехам, в схеме нет силовых коммутаторов, находящихся в ждущем режиме, поскольку и коммутирующий тиристор и зарядный диод находятся в проводящем состоянии. Этим обстоятельством определяется высокая помехоустойчивость зарядного устройства. Во-вторых, при срабатывании тиристора УЯ1 схема совмещает во времени два основных процесса - передачу энергии из накопительного конденсатора для формирования выходного импульса генератора и накопление в зарядной катушке части энергии для следующего импульса. При прочих равных условиях это дает возможность в 1.5-2 раза увеличить максимально возможную частоту следования импульсов по сравнению со схемой с зарядным тиристором. И, в-третьих, благодаря предварительному накоплению тока в зарядной катушке, схема позволяет зарядить первичный накопитель С1 до большего напряжения (~1 2 кВ вместо ~0.9 кВ) После срабатывания тиристора УБ1 энергия из первичного накопителя С1 предается через импульсный трансформатор РТ1 в промежуточную емкость С2 за время около 130 мкс (точка 1 на рис. 2). После заряда конденсатора С2 и насыщения сердечника трансформатора РТ1 энергия передается в накопитель СЗ через РТ2. Накопитель СЗ имеет среднюю точку, к которой подключен высоковольтный вывод вторичной обмотки РТ2 - это обеспечивает пере-магничивание сердечников элементов М8+ и РТЗ при протекании по их обмоткам тока заряда верхней секции конденсатора СЗ. Напряжение в точке 2 достигает -130 кВ за время около 17 мкс. При насыщении сердечника РТ2 напряжение на нижнем конденсаторе СЗ меняет свою полярность, в результате чего напряжение в точке 3 удваивается. Удвоенное напряжение прикла-

дывается к ключу MS+, после чего сердечник ключа MS+ насыщается. Далее энергия из СЗ поступает в конденсатор накачки С4 через трансформатор РТЗ. Ток заряда С4, имеющий амплитуду -1.4 кА и длительность -0.5 мкс, протекает по диодам прерывателя тока SOS и обеспечивает режим их прямой накачки. При этом база полупроводниковых структур заполняется электронно-дырочной плазмой. Насыщение сердечника РТЗ инициирует процесс обратной накачки прерывателя, при котором конденсатор С4 разряжается через прерыватель в обратном направлении, полупроводниковые структуры освобождаются от избыточной плазмы, а энергия из С4 переводится в накопитель L' и индуктивность вторичной обмотки насыщенного трансформатора РТЗ Длительность обратной накачки и амплитуда обратного тока перед его обрывом в зависимости от выбранной индуктивности накопителя L" лежат в диапазоне 60 - 100 не и 4 - 7 кА соответственно. Последующее отключение тока прерывателем за время -10 не приводит к переключению его в нагрузку Rh и формированию на ней выходного импульса напряжения длительностью 40 -60 не.

В разделе 2.3 описана конструкция генератора (см. рис. 3). Генератор S-5N конструктивно представляет собой прямоугольный моноблок с размерами 3.2 х 1.1 х 0.9 м3 с двумя отсеками - воздушным низковольтным, где располагается ТЗУ с первой ступенью магнитной компрессии, и высоковольтным - с оконечными ступенями магнитного компрессора и прерывателем тока. Высоковольтный отсек располагается в баке, заполненном трансформаторным маслом. Нагрузка может быть как внутренней, так и внешней, подключаемой через наружный проходной изолятор. Внешний вид установки S-5N изображен на рис. 4. Элементы, начиная с трансформатора РТ2, размещены в масляном баке. В баке предусмотрено место для установки вакуумного изолятора в случае использования генератора для питания вакуумного диода и генерации электронного пучка. Для вывода высокого напряжения на воздух устанавливается проходной полиэтиленовый изолятор ПИ. Полупроводниковый прерыватель тока состоит из двух параллельных блоков. Внеш-

ний вид одного блока приведен на рис. 5. В трансформаторном масле при длительности импульса в десятки наносекунд блок имеет рабочее напряжение 1.2 МВ и обрывает ток до 4 кА Каждый блок содержит по 7 последовательно соединенных SOS-диодов с площадью структуры 0.5 см2. Полное число последовательно соединенных структур в одном блоке составляет 1640 штук. Все силовые полупроводниковые элементы ТЗУ - коммутационный тиристор, выпрямительные диоды, диоды в цепях рекуперации и зарядки -располагаются на теплообменниках, охлаждаемых проточной водой. Проточной водой охлаждаются также катушки индуктивности в ТЗУ. Высоковольтные низкоиндуктивные сборки конденсаторов СЗ и С4 выполнены из керамических конденсаторов типа КВИ-З-ЮкВ-ЗЗООпФ. Сборки конденсаторов С1 и С2 расположены в воздушном отсеке и собраны из низкоидуктив-ных конденсаторов К78-20 и К75-74, имеющих малые потери при работе на частоте до нескольких килогерц. Тепловой режим генератора S-5N в частотном режиме обеспечивается двумя контурами водяного охлаждения - контуром охлаждения ТЗУ и контуром охлаждения высоковольтного бака. С целью снижения рабочей температуры элементов, находящихся в трансформаторном масле, осуществляется принудительная прокачка масла двумя центробежными насосами VILO 30/6 через теплообменники, охлаждаемые водой.

В разделах 2.4 и 2.5 описываются измерительные средства и приводятся результаты экспериментальных исследований генератора. На рис. 6 представлены осциллограммы импульсов с максимально достигнутыми параметрами по обрываемому току и обратному напряжению для прерывателя тока SOS. Максимальный обратный ток через прерыватель был получен в режиме короткого замыкания накопителя L-. Амплитуда тока перед обрывом - 7 кА, время обрыва - 8 не. Максимальное напряжение на прерывателе, полученное при L- = 6 мкГн и внешнем сопротивлении нагрузки Rh = 1.1 кОм, составило 1.1 МВ с длительностью импульса на полувысоте -50 не. Максимальная импульсная мощность на Rh = 130 - 200 Ом составила ~2 ГВт при выходном

напряжении 450 - 580 kB. При увеличении Rh до 1 кОм напряжение достигает 1 MB, а мощность снижается до -1 ГВт. Длительность импульсов на полувысоте во всем диапазоне изменения Rh составляла 40 - 60 не. На рис. 7 приведена характерная осциллограмма выходного напряжения на нагрузке величиной 200 Ом. В Таблице 1 приведены выходные параметры генератора при различных нагрузках и разных значениях величины индуктивного накопителя.

В разделе 2.6 приводятся результаты испытаний генератора в частотном режиме работы. Испытания генератора в частотном режиме работы проводились с целью определения максимальной частоты следования импульсов F в постоянном режиме по условиям теплоотвода, а также в коротких пачках импульсов, когда максимальная частота ограничена конечной длительностью одного цикла работы зарядного устройства, а время работы на этой частоте -адиабатическим нагревом элементов. В качестве нагрузки генератора использовался отрезок стеклоэпоксидной трубы с внутренним диаметром 130 мм и длиной 470 мм, снабженный двумя торцевыми металлическими электродами. Со стороны заземленного электрода труба соединялась с охлаждаемым резервуаром объемом 0.3 м3, в котором содержался раствор NaCl в воде. Из резервуара раствор прокачивался через трубу по замкнутому циклу со скоростью 16-20 л/мин. Сопротивление нагрузки при испытаниях устанавливалось в диапазоне от 200 до 400 Ом, при котором выходное напряжение генератора находилось в пределах от 600 до 800 кВ, а импульсная мощность составляла 1.5-1.6 ГВт. Выходная средняя мощность генератора оценивалась двумя методами: по результатам обработки осциллограмм тока и напряжения на нагрузке и калориметрическим способом по нагреву рабочей жидкости в резервуаре. Отличие в оценках не превышало 10%, а средняя выходная мощность генератора составила 18-20 кВт при F = 300 Гц и около 30 кВт при F = 500 Гц. Полный КПД генератора находился в диапазоне 30 - 40%.

В разделе 2.7 обсуждается КПД генератора и пути его увеличения. С целью оценки эффективности работы генератора была исследована эффек-

тивность переключения энергии через полупроводниковый прерыватель тока при различных сопротивлениях внешней нагрузки. Для этого синхронно снимались осциллограммы тока через прерыватель и напряжения на нем. Для получения зависимости вводимой мощности в прерыватель от времени эти осциллограммы перемножались. Возведением в квадрат осциллограммы напряжения U(t) строилась также зависимость мощности, вводимой в нагрузку, от времени: P(t) = U2(t)/R.h. На рис. 8 приведены зависимости, полученные для Rh = 140 Ом. Отсчет времени на осциллограммах начинается с момента начала обратной накачки, поскольку на стадии прямой накачки заметных потерь энергии в прерывателе не обнаружено. Как видно из рис. 8, потери энергии в прерывателе начинаются через -30-40 не после начала ввода обратного тока. Максимум потерь приходится на стадию отключения тока. Существуют также потери энергии и на стадии действия выходного импульса, что связано с рассасыванием избыточной плазмы, оставшейся в структурах после обрыва тока. Дальнейшим интегрированием осциллограмм мощности определялись потери энергии в прерывателе Wsos и энергия Wh, переданная в нагрузку. Результат обработки приведен на рис. 9. Четырем точкам по оси напряжения (слева направо) соответствует следующий ряд сопротивлений нагрузки: 65, 140, 200 и 300 Ом. КПД переключения определялся как Wh/(Wh + Wsos). При постоянстве амплитуды обрываемого тока и времени обрыва потери энергии в прерывателе растут линейно с увеличением напряжения, а КПД переключения снижается При дальнейшем росте выходного напряжения КПД падает как за счет увеличения Wsos, так и по причине снижения импульсной мощности и энергии в нагрузке Wh. При максимальном выходном напряжении 1.1 MB КПД переключения составил -0.6. Но наибольший вклад в относительно низкий КПД генератора, составляющий 30 - 40% при выходном напряжении 0.5 - 1 MB, вносит звено магнитного компрессора. Так, из первичного накопителя С1 извлекается и подается на вход компрессора энергия -172 Дж. В последнем звене компрессора (С4) запасается -86 Дж, таким образом, КПД компрессора составляет ~50% Повышение КПД компрессора

может быть достигнуто как оптимизацией магнитных элементов и выбранных коэффициентов сжатия энергии, так и изменением схемного решения В частности, упрощение схемы компрессора и снижение количества звеньев сжатия может быть достигнуто применением вместо тиристора мощных высоковольтных реверсишю включаемых динисторов 1'ВД, имеющих существенно большую скорость нарастания тока. При этом из схемы исключаются элементы РТ1 и С2, а энергия из первичного накопителя передается непосредственно в высоковольтную часть магнитного компрессора Показано, что для этих же целей в качестве первичных коммутаторов тока могут быть использованы сверхбыстродействующие тиристоры, разработанные в последние годы, а также новые мощные ключи на основе ГСВТ -транзисторов.

Третья глава посвящена применению разработанного генератора в электрофизическом эксперименте. Обсуждаются вопросы его применения для зажигания стримерного коронного разряда в воздухе, использования генератора в качестве драйвера в мощных СВЧ- устройствах, а также в качестве импульсного источника для генерирования мощных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения.

В разделе 3.1 приведены результаты по зажиганию стримерного коронного разряда, являющегося одним из перспективных направлений применения мощной импульсной техники в экологических технологиях. Основой подобных технологий является ионизация газа электронными пучками и/или электрическими разрядами Возможность зажигания стримерных разрядов позволяет применить высоковольтные генераторы для различных экологических технологий, в частности, технологии очистки газообразных отходов промышленных предприятий от токсичных примесей. По сравнению с электронными пучками применение импульсных разрядов приводит к повышению затрат энергии на удаление токсичных примесей, однако в ряде случаев это может компенсироваться рядом преимуществ. Основными из них являются простота устройства и отсутствие сопутствующего тормозного излучения. Кроме того, использование высоковольтных генераторов для питания

стримерного коронного разряда позволяет с достаточной степенью однородности ионизовать большие газовые объемы. Это особенно ценно при очистке дымовых газов на ТЭЦ с расходами в несколько тысяч кубических метров в час. Генератор использовался в экспериментах по зажиганию стример-ных коронных разрядов большого объема в атмосферном воздухе . В первом случае напряжение подавалось на уединенный проволочный электрод диаметром 1 мм и длиной 6 метров. При частоте следования импульсов 500 Гц амплитуда напряжения на проволоке составляла 620 кВ, средняя мощность, вводимая в разряд - 22 кВт. В другом варианте разрядный промежуток был образован металлической заземленной плоскостью и полой полусферой с острой кромкой. Диаметр полусферы - 30 см. Расстояние между кромкой полусферы и плоскостью - 70 см. Получены следующие параметры разряда (рис. 10): амплитуда напряжения - 760 кВ, ток разряда - 1.4 кА, импульсная мощность - 1 ГВт, длительность импульса на полувысоте - 56 не, энергия, вводимая в разряд за импульс - 45 Дж, частота следования импульсов - 500 Гц.

В разделе 3.2 описывается возможность применения разработанного генератора в качестве драйвера СВЧ -устройств. Генератор 8-5Ы, описываемый в настоящей работе, применялся в экспериментах по генерации мощного СВЧ- излучения диапазона 10 ГГ'ц. Генератор заряжал коаксиальную формирующую линию (50 Ом, 75 пФ) за время около 40 не до напряжения ~ 900 кВ с частотой следования Импульсов 700 Гц (см. рис. 11). После коммутации линии двухэлектродным обостряющим разрядником (водород, 50 атм.) в передающую коаксиальную линию с волновым сопротивлением 75 Ом подавался импульс напряжения длительностью ~ 7 не и с фронтом менее 1 не Импульс ускоряющего напряжения, подаваемый на коаксиальный диод с магнитной изоляцией (КДМИ) с характерным импедансом 120 Ом, имел амплитуду импульса 500 - 520 кВ и пиковую мощность ~3.5 ГВт. На выходе СВЧ- генератора были получены импульсы диапазона 10 ГГц длительностью 0.8 не с пиковой мощностью ~ 2 ГВт. В пакетах длительностью 1 с при час-

тоте следования импульсов 700 Гц средняя мощность излучения составила 2.5 кВт. В плане дальнейших перспектив по использованию разработанного генератора можно отметить возможность его применения при создании мощных источников сверхширокополосного электромагнитного излучения Сопоставление уже наработанных в этом направлении результатов с параметрами генератора 8-5И показывает, что при обострении импульса с помощью дополнительных твердотельных обострителей возможно получение пиковок мощности в диапазоне 5-6 ГВт с временем нарастания около 1 не

В разделе 3.3 приведены данные об использовании генератора 8-5Ы в составе импульсно-периодического ускорителя электронов (ИПУЭ), а также приводятся сведения о надежности генератора. Необходимо отметить, что сильноточные наносекундные ускорители электронов представляют одно из главных приложений мощной наносекундной импульсной техники. Генератор 8-51чГ, обладающий большей импульсной мощностью, чем ранее разработанные ЗОБ-генераторы, позволил создать наиболее мощный электронный ускоритель электронов с полупроводниковым прерывателем тока и полностью твердотельной системой коммутации энергии. Работа была выполнена совместно с Институтом технической физики им. акад. Е.И. Забабахина (ВНИИТФ, г. Снежинск). Основными узлами ускорителя являются высоковольтный импульсный генератор на базе генератора и ускорительная трубка. Общий вид ускорителя представлен на рис. 12. Ускоритель имеет следующие выходные характеристики (для зазора анод-катод = 140 мм)- амплитуда ускоряющего напряжения - 750 кВ, амплитуда импульса тока в ускорительной трубке - 1 6 кА, пиковая мощность электронного пучка - 1.2 ГВт, энергосодержание пучка - 55 Дж, длительность импульса тока пучка на полувысоте - 57 не, длительность импульса тормозного излучения (ТИ) на полувысоте - 25 не, сечение выведенного пучка электронов - 10 х 50 см2, частота следования импульсов - от одиночных до 100 Гц, поглощенная доза выведенного пучка электронов на расстоянии 1 см от площади выходного

окна за импульс в воде - 250 Грей, экспозиционная доза ТИ (К = 1 см) за импульс - 3 Р, потребляемая мощность при частоте 100 Гц - 17 кВт.

Высокая стабильность и повторяемость выходных параметров делает ускоритель удобным инструментом для отработки различных методик измерений и калибровки датчиков. С помощью ускорителя были определены относительные коэффициенты чувствительности углеродных калориметров, начаты работы по определению метрологических характеристик конденсаторного детектора дозы гамма-излучения, проведена сравнительная калибровка калориметров полного поглощения, проведены работы по определению чувствительности керамических пьезоэлектрических датчиков.

В заключение раздела приводятся данные по надежности разработанного генератора. В установках, поставленных за рубеж (Китай и США), выхода из строя каких-либо элементов не зафиксировано. За время работы ускорителя в ВНИИТФ наработка на сегодняшний день составляет более 108 импульсов. За это время вышло из строя несколько конденсаторов промежуточного емкостного накопителя и блока конденсаторов накачки. Эксплуатация генератора в Институте электрофизики в течение последних 6 лет также показала его высокую надежность. За это время произошли две серьезные поломки: пробой нескольких конденсаторов в первичном накопителе С1 при Е > 850 Гц из-за превышения их рабочего напряжения, и пробой части высоковольтных конденсаторов в накопителе С4 по причине некачественного монтажа конденсаторов в последовательные колонки. Блоки полупроводникового прерывателя тока в течение этого времени намеренно не подвергались разборке и проведению каких-либо профилактических работ (очистке поверхности охладителей и полупроводниковых структур в 808-диодах, проверке качества контактов и прижимного усилия, подтяжке диодов и т.д.). Изменений в рабочих характеристиках прерывателя тока на сегодняшний день не обнаружено.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему:

1 Разработан и исследован генератор с полупроводниковым прерывателеу тока на основе БОЗ-диодов с выходным напряжением до 1 МВ, импульсной мощностью до 2 ГВт при длительности импульса 30 - 60 не.

2 Показано, что прерыватель тока, работающий в режиме БОЗ-эффекта и содержащий до 1600 последовательно соединенных полупроводниковых структур, характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам на стадии обрыва тока и формирования импульса напряжения, и способен при мегавольтном уровне напряжения коммутировать среднюю мощность в нагрузку до 30 кВт постоянно и до 60 кВт в режиме пачки импульсов.

3. Полученные параметры не являются предельными для разработанного генератора, поскольку КПД установки в данный момент относительно низок (30 - 40%). Это открывает реальные возможности для дальнейшего повышения параметров как, за счет использования новых схемных решений установки, так и за счет использования новой элементной базы.

4. Разработанный генератор прошел испытания при его применениях в следующих областях электрофизики: зажигание стримерных коронных разрядов большого объема в воздухе, генерация мощного микроволнового излучения, генерация мощного электронного пучка и рентгеновского излучения.

5. Показано, что разработанный генератор при работе на нагрузку в виде стримерного коронного разряда позволяет при частоте следования импульсов 500 Гц вводить среднюю мощность в разряд до 22 кВт при импульсной мощности около 1 ГВт.

6. Исследована возможность работы генератора на 80Я-диодах в гибридных схемах формирования наносекундных импульсов. При зарядке емкостно-о накопителя в виде формирующей линии достигнуто напряжение 900 кВ с временем нарастания 40 не при частоте следования импульсов 700 Гц.

7. При работе генератора на вакуумный диод получен электронный пучок мощностью 1.2 ГВт (750 кВ, 1.6 кА) с энергосодержанием ~ 55 Дж и средней мощностью 5 кВт при частоте следования импульсов 100 Гц.

8. Показано, что генератор может работать в широком спектре внешних нагрузок, прост в эксплуатации, надежен, и не требует проведения частых профилактических работ, поскольку содержит только твердотельные коммутаторы.

Рис. 1. Блок-схема разработанных до 1997 г. SOS-генераторов: ТЗУ -тиристорное зарядное устройство; МК - магнитный компрессор; SOS - полупроводниковый прерыватель тока.

Рис. 2 Электрическая схема генератора. CU - зарядное устройство; VS1 - ТБ273-2000-20кл; С1 - К78-20-1000В-10 мкФ (32 параллельно); С2 - К75-74м-20 кВ-0.1 мкФ (27 параллельно); СЗ - КВИ-З-ЗЗОО пФ-10 кВ (36 параллельно и 15 последовательно); С4- КВИ-З-ЗЗОО пФ-10 кВ (16 параллельно и 50 последовательно); L1 = 9 мкГн (медная шина 50 х 1 мм2, 3 параллельно); L' - 3 - 6 мкГн (медный провод диам. 5 мм); SOS -прерыватель тока.

ОС

М1Н1

I I

____I

а

Рис. 3. Компоновка элементов генератора. Я - мостовой выпрямитель; Охл - охладитель тиристора У81; ПИ - наружный проходной изолятор (пунктиром - положение внутреннего проходного изолятора). Элементы - по схеме рис. 2.

■И

■■■¡¡■■и

яЯЛ

Рис. 5. Один из блоков прерывателя тока: 1- высоковольтный электрод (катод), 2- SOS-диоды, 3- низковольтный электрод (анод).

Рис. 6. Осциллограммы обратного тока через прерыватель при Ь- = О (а) и выходного напряжения генератора на нагрузке Ян = 1.1 кОм при Ь- = 6 мкГн (б).

Рис. 7. Осциллограмма напряжения на Ян = 198 Ом: амплитуда - 648 кВ.

Таблица 1. Выходные параметры генератора.

Ян, Ом Напряжение, кВ Энергия импульса, Дж Импульсная мощность, Г Вт Длительн. импульса, НС

2цГн 4цГн 2цГн 4цГн 2цГн 4цГн 2цГн 4|д.Гн

132 517 448 56 61 2 1.5 40 58

198 648 573 49 50 2 1.64 36 44

300 761 698 48 47 1.93 1.62 36 42

625 1000 925 40 38 1.6 1.37 36 40

1135 1150 1094 29 32 1.17 1.17 36 40

40 80 120 160 /, не

Рис. 8. Зависимости мощности от времени для прерывателя тока (1) и нагрузки (2). Ь- = 3 мкГн, Ян = 140 Ом.

И\Дж

80

40

200

_I , I

400 и.хВ

600

Клд. 1.0

0.8 0.6 0.4 0.2 0

Рис. 9. Зависимости энергии потерь в прерывателе тока (1), энергии, поступившей в нагрузку (2) и КПД переключения (3) от выходного напряжения.

Рис. 10. Разряд в промежутке полусфера - плоскость

Рис 11 Импульс напряжения на линии (50 Ом, 75 пФ) при ее генератора 8-5М

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

2. G.A. Mesyats, A.V. Ponomarev, S.N. Rukin, В G. Slovikovsky, S.P Timoshenkov, A.I. Bushlyakov. 1-MV, 500-Hz all-solid-state nanosecond driver for streamer corona discharge tecnologies // Proc. of 13th Int Conf. on High Power Particle Beams, Nagaoka, Japan, June 25-30, 2000, P. 192-195.

3. S.N Rukin, G.A. Mesyats, A.V. Ponomarev, B.G Slovikovsky, S.P. Timoshenkov, A.I Bushlyakov. 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

4. A.B. Пономарев, C.H. Рукин, C.H Цыранов. Исследование процесса распределения напряжения по структурам в мощном полупроводниковом прерывателе тока // Письма в ЖТФ, 2001, Том 27, Вып. 20, С. 29 - 34.

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

6. S.N. Rukin, Е.А. Alichkin, S К. Lyubutin, G.A. Mesyats, A.V. Ponomarev, B.G. Slovikovsky, S.P. Timoshenkov 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. 178-182.

7. Е.А. Аличкин, С.К. Любутин, А.В. Пономарев, С.Н. Рукин, Б.Г. Словихов-ский. Формирование коротких импульсов с субнаносекундным фронтом ^ пиковой мощностью до 1 ГВт полупроводниковым диодным обострителем h ПТЭ. 2002. №4. С. 106-111.

8. S.N. Rukin, Е.А. Alichkin, A.I. Bushlyakov, S.K. Lyubutin, AM. Ponomarev, B.G. Slovikovsky, S.P. Timoshenkov, S.N. Tsyranov. Novel ultra-high-power solid-state short pulse generators I I Proc. of Pulsed Power Seminar, 23rd September 2003, Burleigh Court, Loughborough, UK, P. 3/1-3/4.

9. V.B. Bratchikov, V.M. Zverev, A.I. Kormilitsyn, V.V Pereshitov, S.N. Rukin, A.V. Ponomarev. Pulse-periodical accelerator of electrons (PPAE) with inductive store and semiconductor opening switch // Proc. of 15th Int. Conf. on High Power Particle Beams, S. Petersburg, Russia, July 18-23, 2004.

№160 12

РНБ Русский фонд

2006-4 13087

ВВЕДЕНИЕ.

1. МОЩНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРЕРЫВАТЕЛЕМ ТОКА.

1.1. Концепция построения генераторов.

1.2. Тиристорное зарядное устройство.

1.3. Звено магнитной компрессии энергии.

1.4. Согласование компрессора с прерывателем тока.

1.5. Полупроводниковый прерыватель тока на основе БОБ-диодов.

Выводы.

2. ГЕНЕРАТОР С ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТЬЮ ДО 2 ГВт.

2.1. Блок-схема генератора.

2.2. Электрическая схема и принцип работы.

2.3. Конструкция генератора.

2.4. Средства измерения.

2.5. Выходные характеристики генератора.

2.6. Испытания в частотном режиме работы

2.7. КПД генератора и пути его увеличения.

Выводы.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА В ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

3.1. Стримерный коронный разряд.

3.2. Мощные СВЧ- устройства.

3.3. Электронный пучок и рентгеновское излучение.

Выводы.

В генераторах мощных наносекундных импульсов используют два основных типа накопителей энергии: емкостные и индуктивные. Наиболее часто применяются емкостные накопители энергии. В них энергия низкоиндуктивных конденсаторов либо формирующих линий коммутируется в нагрузку через замыкающие устройства - сильноточные на-носекундные коммутаторы [1,2]. Одной из самых распространенных схем, реализующих данный принцип накопления энергии, является генератор Маркса. В нем несколько конденсаторов ( в общем случае п) емкостью С каждый соединяются параллельно и заряжаются от источника выпрямленного напряжения через зарядные сопротивления до напряжения и. Если замкнуть одновременно все разрядники генератора, то конденсаторы С соединятся последовательно и на сопротивления нагрузки Я образуется импульс напряжения с амплитудой, близкой кп-11. Длительность импульса определяется величиной емкости С/п и сопротивления нагрузки Я.

Индуктивные накопители энергии, в отличие от емкостных, используют прерыватели тока [3]. Этот метод наиболее перспективен для развития мощной импульсной техники, поскольку плотность энергии, запасаемой в индуктивных накопителях, примерно на два порядка выше, чем в емкостных. Принцип работы индуктивного формирователя напряжения состоит в следующем. При протекании тока через замкнутый коммутатор в индуктивности Ь запасается энергия, которая при размыкании ключа в момент максимума тока переключается в нагрузку II. На нагрузке, в результате броска самоиндукции, возникает импульс напряжения, длительность которого зависит от значений Ь и Я.

Одним из основных элементов этих систем является ключ-прерыватель. Необходимо отметить, что быстрый обрыв тока в сильноточных цепях технически представляет собой более сложную задачу, по сравнению с коммутацией напряжения - разрядом емкости. При формировании мощных импульсов наносекундного диапазона прерыватель должен выдерживать напряжения мегавольтового уровня и обеспечивать обрыв тока в десятки и сотни килоампер за время единиц и десятков наносекунд. До недавнего времени основными типами прерывателей в этой области являлись взрывающиеся проволочки и эрозионные плазменные ключи. Одними из первых стали применяться в качестве прерывателя тока тонкие электрически взрывающиеся проводники [4]. Известно, что если через тонкий металлический проводник пропустить импульс тока большой величины (плотность тока достигает 105 — 109 А/см2), то произойдет электрический взрыв проводника. При этом из-за инерции жидкого металла он перегревается и испаряется с интенсивностью взрыва. Наибольшая скорость роста сопротивления может быть получена при использовании большого числа параллельно включенных тонких проводников. Однако такие прерыватели не способны работать в частотном режиме.

Плазменные прерыватели тока [5, 6] являются наиболее мощными устройствами в этом ряду. Принцип их действия основан на изменении проводимости плазмы. Они позволяют работать с низкой частотой следования импульсов и имеют ограниченный ресурс из-за эрозии электродов. С их использованием были получены следующие результаты: скорость роста сопротивления 109 Ом/с, ток до 106 А и напряжение до 3 МВ (при исходном 0.8 МВ).

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 перспективными 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.

В 1983 году профессором И.В. Греховым был предложен и реализован наиболее мощный режим работы полупроводниковой р+- п - п+ структуры с плотностью обрываел мого тока до 200 А/см , временем обрыва тока около 2 не и рабочим напряжением 1 кВ [7]. Такие приборы получили название дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [8]. Принцип работы ДДРВ состоит в следующем. За счет короткой длительности импульса прямого тока (сотни наносекунд) в базе 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 10 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 [9], в которой с помощью последовательно соединенных ДДРВ формируются импульсы с амплитудой 80 кВ, током 800 А и частотой следования импульсов 1 кГц.

Таким образом, существовавшие до последнего времени методы обрыва тока в полупроводниках характеризовались 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; от semiconductor opening switch) [11-12]. Было показано, что эффект наблюдается в кремниео ¿ вых р -р-п-п - структурах при времени накачки порядка 10" -10" си плотности обратного тока до 60 кА/см , а время обрыва тока при этих условиях лежит в диапазоне от десятых долей до единиц наносекунд [12-13]. На основе этого эффекта были созданы новые высоковольтные полупроводниковые приборы — SOS-диоды, представляющие собой сверхмощные твердотельные наносекундные прерыватели тока высокой плотности с рабочим напряжением в сотни кВ [10]. К моменту начала работы диссертанта на этой основе уже была разработана серия малогабаритных наносекундных генераторов с выходным напряжением от 100 до 450 кВ при импульсной мощности в сотни МВт и средней мощностью до единиц кВт [13]. Очевидно, что применение и развитие данного подхода для разработки более мощных генераторов, и освоение мегавольтного уровня выходного напряжения в сочетании с гигаваттным уровнем импульсной мощности представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Цели диссертационной работы:

• Разработка и исследование мощного наносекундного генератора с полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов. Достижение мегавольтного выходного напряжения и гигаваттного уровня импульсной мощности при величине средней мощности в десятки кВт.

• Исследование возможности применения разработанного генератора для получения сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом, а также его использования в качестве источника питания мощных СВЧ -устройств.

Научная новизна

1. Разработан генератор с полупроводниковым прерывателем тока на основе БОБ-диодов с выходным напряжением до 1 МВ, импульсной мощностью до 2 ГВт при длительности импульса 30 - 60 не.

2. Показано, что прерыватель тока, работающий в режиме ЗОБ-эффекта и содержащий до 1600 последовательно соединенных полупроводниковых структур, характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам на стадии обрыва тока и формирования импульса напряжения, и способен при мегавольтном уровне напряжения коммутировать среднюю мощность в нагрузку до 30 кВт постоянно и до 60 кВт в режиме пачки импульсов.

3. Исследована возможность работы генератора на 808-диодах в гибридных схемах формирования наносекундных импульсов с гигаваттным уровнем пиковой мощности. При зарядке емкостного накопителя в виде формирующей линии достигнуто напряжение 900 кВ с временем нарастания 40 не при частоте следования импульсов 700 Гц.

4. Показано, что разработанный генератор при работе на нагрузку в виде стримерного коронного разряда позволяет при частоте следования импульсов 500 Гц вводить среднюю мощность в разряд до 22 кВт при импульсной мощности около 1 ГВт.

5. При работе генератора на вакуумный диод получен широкоапертурный электронный пучок мощностью 1.2 ГВт (750 кВ, 1.6 кА) с энергосодержанием ~ 55 Дж и средней мощностью до 5 кВт при частоте следования импульсов 100 Гц.

Практическая ценность работы определена созданием наносекундных генераторов с мегавольтным уровнем выходного напряжения, оконечный каскад усиления мощности которых основан на использовании промежуточного индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока на основе 508-диодов. Разработанные генераторы имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии, в связи с чем сочетают высокую частоту следования импульсов и среднюю мощность, стабильность выходных параметров, надежность и имеют практически неограниченный срок службы. Именно эти качества позволяют генераторам данного класса получить широкое практическое применение, как в электрофизическом эксперименте, так и в различных электрофизических промышленных технологиях.

Реализация результатов работы

Разработанные мегавольтные наносекундные генераторы с полупроводниковым прерывателем тока на основе БОБ-диодов применялись при проведении прикладных исследований в различных областях электрофизики: для генерирования сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей, а также в качестве источника питания мощного СВЧ -генератора. Ниже перечислены российские и зарубежные организации, использующие результаты диссертационной работы и эксплуатирующие коммерческие образцы разработанных генераторов:

1. Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург

2. Всероссийский НИИ технической физики, Снежинск

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

4. Компания ТАСОМ-А1ШЕС, Нью-Джерси, США

Вклад автора в представленную работу состоит в моделировании, разработке конструкций и проектировании генераторов, 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 - 1999, 2001), Международная конференция по мощным пучкам частиц (Япония

2000, Россия - 2004), Международная конференция по мощным импульсным модуляторам

США - 2002), Семинар по мощной импульсной технике (Великобритания - 2003).

Положения, выносимые на защиту

1. На базе БОБ-диодов возможна разработка мощных генераторов с полупроводниковым прерывателем тока, имеющих выходное напряжение мегавольтного уровня, импульсную мощность до 2 ГВт при длительности импульса 30 - 60 не.

2. Прерыватель тока, работающий в режиме БОЗ-эффекта и содержащий до 1600 последовательно соединенных полупроводниковых структур, характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам на стадии обрыва тока и формирования импульса напряжения, и способен при мегавольтном уровне напряжения коммутировать среднюю мощность в нагрузку до 30 кВт постоянно и до 60 кВт в режиме пачки импульсов.

3. Генераторы на ВОБ-диодах могут использоваться в качестве драйверов в гибридных схемах формирования высоковольтных импульсов, заряжая емкостной накопитель в виде формирующей линии до напряжения 900 кВ за время 40 не с частотой следования импульсов до 700 Гц.

4. При работе на нагрузку в виде стримерного коронного разряда в воздухе разработанный генератор позволяет при частоте следования импульсов 500 Гц вводить среднюю мощность в разряд до 22 кВт при импульсной мощности около 1 ГВт.

5. При работе на вакуумный диод генератор позволяет получить широкоапертурный электронный пучок мощностью 1.2 ГВт (750 кВ, 1.6 кА) с энергосодержанием ~ 55 Дж и средней мощностью до 5 кВт при частоте следования импульсов 100 Гц.

Основное содержание работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 90 страниц, включая 43 рисунка и список литературы из 79 наименований.

Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Разработан и исследован генератор с полупроводниковым прерывателем тока на основе БОЗ-диодов с выходным напряжением до 1 МВ, импульсной мощностью до 2 ГВт при длительности импульса 30-60 не.

2. Показано, что прерыватель тока, работающий в режиме БОБ-эффекта и содержащий до 1600 последовательно соединенных полупроводниковых структур, характеризуется равномерным распределением напряжения по структурам на стадии обрыва тока и формирования импульса напряжения, и способен при мегавольтном уровне напряжения коммутировать среднюю мощность в нагрузку до 30 кВт постоянно и до 60 кВт в режиме пачки импульсов.

3. Полученные параметры не являются предельными для разработанного генератора, поскольку к.п.д. установки в данный момент относительно низок (30 - 40%). Это открывает реальные возможности для дальнейшего повышения параметров как, за счет использования новых схемных решений установки, так и за счет использования новой элементной базы.

4. Разработанный генератор прошел испытания при его применениях в следующих областях электрофизики: зажигание стримерных коронных разрядов большого объема в воздухе, генерация мощного микроволнового излучения, генерация мощного электронного пучка и рентгеновского излучения.

5. Показано, что разработанный генератор при работе на нагрузку в виде стримерного коронного разряда позволяет при частоте следования импульсов 500 Гц вводить среднюю мощность в разряд до 22 кВт при импульсной мощности около 1 ГВт.

6. Исследована возможность работы генератора на БОБ-диодах в гибридных схемах формирования наносекундных высоковольтных импульсов. При зарядке емкостного накопителя в виде формирующей линии достигнуто напряжение 900 кВ с временем нарастания 40 не при частоте следования импульсов 700 Гц.

7. При работе генератора на вакуумный диод получен электронный пучок мощностью 1.2 ГВт (750 кВ, 1.6 кА) с энергосодержанием ~ 55 Дж и средней мощностью 5 кВт при частоте следования импульсов 100 Гц.

8. Показано, что генератор может работать в широком спектре внешних нагрузок, прост в эксплуатации, надежен, и не требует проведения частых профилактических работ, поскольку содержит только твердотельные коммутаторы.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность д.т.н. С.Н. Рукину за многочисленные рекомендации и плодотворное обсуждение результатов работы, а также сотрудникам лаборатории импульсной техники Института электрофизики УрО РАН А.И. Бушлякову, С.П Тимошенкову, С.К. Любутину, Б.Г. Словиков-скому, С.Н. Цыранову за многолетнее плодотворное сотрудничество.

Заключение.

1. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004. - 704 с.

2. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф. Сильноточные наносекундные коммутаторы. Новосибирск: Наука, 1979. 176 с.

3. Шенбах К., Кристиансен М., Шефер Г. Размыкатели для индуктивных накопителей энергии. ТИИЭР, Т. 82. № 8.1984. С. 28 52.

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

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. 1985.1. Т. 284. № 4. С. 857 859.

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

8. Тучкевич В.М., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. JL: Наука, 1988. 117 с.

9. Efanov V.M., Kardo-Sysoev A.F., Larionov М.А. et al. Powerful semiconductor 80 kV nanosecond puiser. // Proc. of XI IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA, 1997. V. 2. P. 985 -987.

10. Дарзнек C.A., Любутин C.K., Рукин C.H., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. SOS-диоды: наносекундные прерыватели сверхплотных токов. // Электротехника. 1999. № 4. С. 20 28.

11. Любутин С.К., Рукин С.Н., Тимошенков С.П. Исследование полупроводникового прерывателя тока в мощных импульсных генераторах с промежуточным индуктивным накопителем. // Тез. докл. IX Симпозиума по сильноточной электронике. Россия 1992. С. 218-219.

12. 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.

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

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

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

16. 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.

17. Stoudt D.C., Kenney J.S., Schoenbach K.H. Inductive energy storage using a fast opening bulk optically controlled semiconductor switch. // Proc. of IX IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA, 1993. V.l. P. 123-126.

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

19. Grekhov I.V. Mega and gigawatts-ranges, repetitive mode semiconductor closing and opening switches. // Proc. of XI IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA, 1997. V.l. P.425-429.

20. Пономарев A.B., Рукин С.Н., Цыранов С.Н. Исследование процесса распределения напряжения по структурам в мощном полупроводниковом прерывателе тока. // Письма в ЖТФ. 2001. Том 27. Вып. 20. С. 29-34.

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

22. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. JL: Энергия, 1971. — 148 с.

23. Меерович JI.A., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. М.: Советское радио, 1968. 476 с.

24. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. М.: Энергоатомиздат, 1983. 264 с.

25. Векслер М.С., Теплинский A.M. Шунты переменного тока. Л.: Энергоатомиздат, 1987.-120 с.

26. Быков Н.М., Иванов В.Н., Коровин С.Д. и др. Сильноточный наносекундный ускоритель электронов с частотой следования импульсов 1 кГц. // ПТЭ. 1991. № 2. С. 38-40.

27. 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 - 253.

28. Короткое С.В. Коммутационные возможности реверсивно включаемых динисторов и принципы р.в.д.-схемотехники (обзор). // ПТЭ. 2002. № 4. С. 5-39.

29. Welleman A., Waldmeyer J., Fleischmann W. Semiconductor components & solid state switches for pulsed power applications. // Proc. of 26th IEEE Intern. Power Modulator Conf. San Francisco, С A, USA, 2004. P. 174-177.

30. Glidden S., Sanders H. High power solid state switch module. // Proc. of 26th IEEE Intern. Power Modulator Conf. San Francisco, CA, USA, 2004. P. 563-566.

31. Cassel R.L. A solid state high voltage pulse modulator which is compact without oil or a pulse transformer. // Proc. of 26th IEEE Intern. Power Modulator Conf. San Francisco, CA, USA, 2004. P. 72-74.

32. Dale G.E., Kirbie H.C., Doss J.D., Serrano M.A. Solid state Marx modulator development. // Proc. of 26th IEEE Intern. Power Modulator Conf. San Francisco, CA, USA, 2004. P. 497-500.

33. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука, 2000. — 424 с.

34. 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. 189-211.

35. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: Гос. издательство физ.-мат. литературы, 1958. 907 с.

36. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Импульсный электрический разряд в вакууме. Новосибирск: Наука, 1984.-256 с.

37. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука, 1991. -224 с.

38. Месяц Г.А., Осипов В.В., Тарасенко В.Ф. Импульсные газовые лазеры. М.: Наука, 1991.

39. Воробьев A.A., Руденко Н.С., Сметанин В.И. Техника искровых камер. М.: Атом-издат, 1978.-120 с.

40. Астанин Л.Ю., Костылев A.A. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь, 1989. 192 с.

41. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М.: Атомиздат, 1977. 280 с.

42. Цукерман В.А., Тарасова Л.В., Лобов С.И. Новые источники рентгеновских лучей. //УФН. 1971. Т. 103, вып. 2. С. 319-337.

43. Месяц Г.А., Иванов С.А., Комяк Н.И., Пеликс Е.А. Мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения. М.: Энергоатомиздат, 1983.

44. Месяц Г.А. Наносекундные рентгеновские импульсы. // ЖТФ. 1974. Т. 44, вып. 7. С. 221-227.

45. Бычков Ю.И., Королев Ю.Д., Месяц Г.А. и др. Инжекционная газовая электроника. Новосибирск: Наука, 1982. 240 с.

46. Гапонов-Грехов A.B., Петелин М.И. Релятивистская высокочастотная электроника. //Вестн. АН СССР. 1979. № 4. С. 11-23.

47. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ- импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984.

48. Релятивистская высокочастотная электроника. Сб. ст. / Под ред. A.B. Гапонова-Грехова. Вып. 1 7. Горький (Н. Новгород), 1979 - 1992.

49. Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии. / Отв. ред. Г.А. Месяц. Новосибирск: Наука, 1983. 169 с.

50. Соломонов В.И., Михайлов С.Г. Импульсная катодолюминесценция и ее применение для анализа конденсированных веществ. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 183 с.

51. Загулов Ф.Я., Кладухин В.В., Кузнецов Д.Л. и др. Сильноточный наносекундный ускоритель электронов с полупроводниковым прерывателем тока. // ПТЭ. 2000. № 5. С. 71-76.

52. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю. Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0.2. // ПТЭ. 1997. № 4. С. 84-86.

53. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0.5. // ПТЭ. 2000. № 1. С. 112-115.

54. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю. Использование сильноточных наносекундных электронных пучков для радиационно-химической стерилизации. // Доклады Академии Наук. 1997. Т. 355. № 3. С. 424-426.

55. Соковнин С.Ю., Котов Ю.А., Рукин С.Н., Месяц Г.А. Исследование действия импульсного частотного электронного пучка на микроорганизмы в водных растворах. // Экология. 1996. № 3. С. 1-3.

56. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Филатов А.Л., Корженевский С.Р. Использование сильноточного электронного пучка для генерации озона.// Химия высоких энергий. 1996. Т. 30. №5. С. 386-387.

57. Filatov A.L., Korzhenevski S.R., Kotov Yu.A., et al. Compact repetitive generators for medical X-ray diagnostics. // Proc. 11th Int. Conf. On High Power Particle Beams., Prague, Czech Republic, 1996. V. 2. P. 909-912.

58. Filatov A.L., Kotov Yu.A., Korzhenevski S.R., et al. A medical X-ray diagnostic complex based on a compact nanosecond generator. // Proc. 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA. 1997. V. 2. P. 1100-1102.

59. Корженевский С.Р., Щербинин C.B., Мотовилов В.А., Филатов A.J1. Рентгеновский импульсный дефектоскоп с цифровой системой визуализации изображения. // Дефектоскопия. 1999. № 12. С. 51-56.

60. Ломаев М.И., Тарасенко В.Ф. Ыг-лазер с накачкой от генератора с индуктивным накопителем энергии и полупроводниковым прерывателем тока. // Квантовая элекvU;троника. 1995. Т. 22. № 5. С. 441-442.

61. Ломаев М.И., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. HF-лазер с накачкой от генератора с индуктивным накопителем энергии. // Квантовая электроника. 1996. Т. 24. № 6. С. 499-500.

62. Любутин С.К., Месяц Г.А., Рукин С.Н. и др. Релятивистская лампа обратной волны диапазона 38 GHz на основе модулятора с индуктивным накопителем энергии и полупроводниковым прерывателем тока. // Письма в ЖТФ. 1999. Том 25. Вып. 9. С. 89-95.

63. Яландин М.И., Любутин С.К., Рукин С.Н. и др. Генерирование высоковольтных субнаносекундных импульсов с пиковой мощностью до 300 MW и частотой повторения 2 kHz. // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. Вып. 1. С. 81-88.i л)

64. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. и др. Генерирование высоковольтных субнаносекундных импульсов с пиковой мощностью 700 МВт и частотой повторения до 3.5 кГц. // ПТЭ. 2001. № 5. С. 80-88.

65. Non-thermal plasma techniques for pollution control. Edited by B.M. Penetrante, S.E. Schultheis. NATO ASI Series. V. G34. Springer-Verlag. Berlin. Heidelberg. 1993. Part A, 398 P. Part B, 397 P.

66. Guan P., Yamabe C. NOx treatment by atmospheric streamer corona discharge. // Proc. 13th Int. Conf. on High Power Particle Beams, Nagaoka, Japan. 2000. P. 665-669.

67. Mesyats G.A., Ponomarev A.V., Rukin S.N. et al. 1-MV, 500-Hz all-solid-state nanosecond driver for streamer corona discharge tecnologies. // Proc. 13th Int. Conf. on High Power Particle Beams, Nagaoka, Japan. 2000. P. 192-195.

68. Месяц Г.А. Импульсные ускорители для релятивистской СВЧ- электроники. // В кн.: Релятивистская высокочастотная электроника. Вып. 4. Горький: ИПФ СССР. 1984. С. 192-216.

69. Гришин Д.М., Губанов В.П., Коровин С.Д. и др. Генерирование мощных субнано-секундных СВЧ- импульсов диапазона 38 GHz с частотой повторения до 3.5 kHz. // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 19. С. 24-31.

70. Коровин С.Д., Любутин C.K., Месяц Г.А. и др. Генерирование субнаносекундных импульсов излучения диапазона 10 GHz с высокой пиковой и средней мощностью. // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. Вып. 17. С. 23-32.

71. Аличкин Е.А., Любутин С.К., Пономарев А.В. и др. Формирование коротких импульсов с субнаносекундным фронтом и пиковой мощностью до 1 ГВт полупроводниковым диодным обострителем. // ПТЭ. 2002. № 4. С. 106-111.

72. Sokovnin S.Yu., Kotov Yu.A., Balezin M.E. Frequency nanosecond electron accelerators type URT. // Proc. of 13th Int. Symposium on High Current Electronics, Tomsk, Russia, July 25-29,2004, P. 405-408.