Полупроводниковые генераторы с импульсной мощностью 108-109 вт на основе субнаносекундных коммутаторов тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ
|
Любутин, Сергей Константинович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Екатеринбург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2004
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.13
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
На правах рукописи
ЛЮБУТИН Сергей Константинович
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТЬЮ 108-109 ВТ НА ОСНОВЕ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ КОММУТАТОРОВ ТОКА
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 технических наук Г. Е. Ремнев
(ГНУ НИИВН при ТПУ, г. Томск)
Ведущая организация: Институт сильноточной электроники
СО РАН, г.Томск.
Защита состоится "5"" 2004 г. в /-?часов
на заседании диссертационного совета Д.004.024.01 при Институте электрофизики УрО РАН (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 "<?с" и<-дл9 2004 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор физико-математических наук ( I Н.Н. Скатан
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность темы.
Основой наносекундной сильноточной импульсной техники являются генераторы мощных импульсов напряжения и тока. Поэтому для большинства промышленных технологий определяющими характеристиками импульсных генераторов становятся высокая частота повторения импульсов, большая средняя мощность, стабильность параметров импульса, надежность, компактность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет. Увеличение импульсной мощности генератора возможно либо за счет увеличения энергии импульса при сохранении его длительности, либо за счет укорочения длительности импульса с той же самой энергией. Поскольку габариты и масса генератора возрастают с увеличением энергии импульса, то второй путь наиболее перспективен для создания компактных мощных генераторов. При снижении длительности выходного импульса наиболее жесткие требования предъявляются к выходному коммутатору энергии, время коммутации которого для эффективной передачи энергии в нагрузку должно лежать в субнаносекундном диапазоне при формировании импульсов длительностью в единицы наносекунд. Из субнаносекундных коммутаторов наиболее широко применяются три типа, способных работать с высокой частотой следования импульсов: магнитный ключ, полупроводниковый коммутатор (в основном дрейфовые диоды с резким восстановлением и диодные обострители на основе задержанной ударно-ионизационной волны) и искровой разрядник. К началу 90-х годов уровень максимально достигнутых параметров генераторов на магнитных ключах и генераторов с полупроводниковыми коммутаторами характеризовался относительно невысокими значениями по импульсной мощности (десятки МВт) и напряжению (десятки кВ). В диапазоне импульсной мощности в сотни МВт и напряжения в сотни кВ твердотельные субнаносекундные коммутаторы тока отсутствуют, и искровые разрядники оставались, до недавнего времени, единственным средством для формирования мощного короткого импульса. 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). Было показано, что эффект наблюдается в
р -р-п-п гтпукр'рпу прп Промпт НПГП-НГП ПОРОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I
БИБЛИОТЕКА^ | СПстервцгрг Л А, ' 03 ?0№у ' I
рядка с и плотности обратного тока до 60 кА/см, а время обрыва
тока при этих условиях лежит в диапазоне от единиц до десятков наносекунд.. Очевидно, что исследование и применение данного эффекта для разработки > твердотельных субнаносекундных коммутаторов тока и создание на их основе сверхмощных полупроводниковых генераторов является актуальной научно-технической задачей.
Цели диссертационной работы;
• экспериментальное исследование эффекта субнаносекундного обрыва тока в 808-диодах;
• разработка сильноточных твердотельных генераторов частотного режима работы с субнаносекундным прерывателем тока;
• создание сверхмощных твердотельных диодных обострителей на основе задержанной ударно-ионизационной волны;
• разработка сильноточных твердотельных генераторов со сверхмощными диодными обострителями для формирования коротких импульсов с субнаносекундным фронтом.
Научная новизна
Основные результаты работы относятся к категории полученных впервые:
1. Обнаружен и экспериментально исследован эффект субнаносекундного обрыва тока в 808-диодах. Показано, что при уменьшении времени обратной накачки с 80+100 не до 10+15 не время обрыва тока уменьшается с 5 + 10 не до 500+700 пс.
2. Разработан субнаносекундный 808-диод с сочетанием рекордных коммутационных характеристик: скорость коммутации -8-1012 А/(см2-с), амплитуда напряжения —450 кВ, скорость нарастания напряжения на нагрузке -1014 В/с, обрываемый ток -2 кА, время обрыва тока -800 пс.
3. На основе субнаносекундных 808-диодов создан генератор импульсов с мощностью 500 МВт, длительностью импульса 5+6 нс и выходным напряжением до 450 кВ, работающий с частотой следования импульсов 300 Гц постоянно и до 3.5 кГц в режиме пачки импульсов.
4. Показана возможность формирования сверхмощных коротких импульсов полупроводниковыми диодными обострителями на основе задер-
жанной ударно-ионизационной волны. Достигнут уровень мощности 1 ГВт при напряжении 150 -5-230 кВ и длительности импульса 1 -5-2 нс.
5. Предложен и реализован способ устранения предимпульсов на нагрузке при прямой и обратной накачке субнаносекундного 808-диода с помощью диодного обострителя на основе задержанной ударно-ионизационной волны.
6. Экспериментально реализован сверхбыстрый механизм коммутации тока в полупроводниках на основе туннельно-ударного ионизационного фронта. В передающей 50-омной линии сформированы импульсы амплитудой 150 -4-160 кВ, импульсной мощностью 500 МВт и длительностью 1.4 нс. Фронт импульса напряжения лежит в диапазоне 200-5-250 пс, а максимальные скорости роста тока и напряжения в линии составляют 10 кА/нс и 500 кВ/нс соответственно.
Практическая ценность работы
Предложенные новые подходы, результаты экспериментальных исследований, технические разработки и конструкторские решения позволили создать класс новых сверхмощных полупроводниковых генераторов на основе субнаносекундных коммутаторов тока. Разработанные генераторы имеют импульсную мощность в сотни МВт, напряжение в сотни кВ и длительность выходного импульса в единицы нс. Главной отличительной особенностью таких генераторов является полностью твердотельная система коммутации энергии, что обеспечивает сочетание таких качеств как: высокая частота следования импульсов, высокая стабильность формы и параметров выходных импульсов, компактность и надежность, большой срок службы.
Такое сочетание качеств имеет большое практическое значение и позволяет разработанным устройствам найти широкое применение в различных областях электрофизики и ее технологических применений. Положения, выносимые на защиту
1. Субнаносекундный обрыв тока реализуется в 808-диоде при времени прямой накачки 30 -5-40 не, времени обратной накачки 10 -5-15 не и плотности обратного тока 103-5-104 А/см2.
2. Разработанные 808-диоды с глубиной залегания р-п перехода 200-5-220 мкм позволяют работать в субнаносекундной временной области и обеспечивают следующий диапазон коммутационных характеристик:
скорость коммутации 1012-г1013 А/(см2-с), амплитуда напряжения 100 +450 кВ, скорость нарастания напряжения на нагрузке -1014 В/с, плотность обрываемого тока 2 *4 кА/см2, время обрыва тока 0.54-2 не.
3. На базе субнаносекундных 808-диодов возможна разработка компактных полупроводниковых генераторов со следующим диапазоном выходных параметров: пиковая мощность 50-7-500 МВт, выходное напряжение 50 -5-450 кВ, скорость нарастания выходного напряжения -1014 В/с, длительность импульса 1 -г-6 не, частота следования импульсов 1 -5-5 кГц.
4. Применение диодных обострителей на основе задержанной ударно-ионизационной волны в качестве развязки между выходом оконечного усилителя мощности импульсного генератора и нагрузкой позволяет устранить предимпульсы от прямой и обратной накачки на выходной форме импульса напряжения.
5. Применение мощного полупроводникового питающего генератора со скоростью нарастания выходного напряжения 1014 В/с позволяет реализовать режим задержанной ударно-ионизационной волны в диодном обострителе с большим числом полупроводниковых структур и формировать на 50-омной нагрузке импульсы с субнаносекундным фронтом мощностью 500 МВт--1 ГВт и длительностью 1 +2 не.
6. При подаче на полупроводниковую структуру импульса обратного напряжения амплитудой 10 кВ за время 1 не в структуре реализуется коммутация тока в режиме туннельно-ударного ионизационного фронта. При плотности коммутируемого тока 13 кА/см2 время коммутации лежит в диапазоне 200-5-250 пс.
Реализация результатов работы
Высокочастотные импульсные генераторы на основе субнаносекунд-ных коммутаторов тока применялись при проведении прикладных исследований в различных областях электрофизики: для генерирования мощных импульсов СВЧ-излучения, генерирования сильноточных пучков электронов, накачки газовых лазеров, для получения стримерного коронного разряда систем удаления токсичных примесей из воздуха и т. п. Разработанные коммутаторы и высокочастотные импульсные генераторы на их основе эксплуатируются в следующих отечественных и зарубежных организациях:
1. Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург
2. Техасский технический университет, Лаббок, США
3. Аэроспэйс Рисеч Эйджэнси, Лондон, Великобритания
4. Компания Эксион Текнолоджиз, Реховот, Израиль
5. Институт прикладной электроники, Миньянг, Китай
6. Северо-западный Институт ядерной техники, Сиань, Китай
7. Институт полупроводниковой техники, Хэбэй, Китай
Апробация работы и публикации
Материалы работы докладывались на следующих Международных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международная конференция по мощной импульсной технике (США-1993, 1995, 1997, 1999,2001), Международная конференция по мощным пучкам частиц (США-1994, Чешская Рес-публика-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 36 печатных работ.
Вклад автора в диссертационную работу состоит в разработке конструкций и проектировании экспериментальной техники, проведении расчетов и экспериментов, интерпретации полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 127 страниц, включая 59 рисунков и список литературы из 94 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении анализируется современное состояние дел в технике формирования мощных высоковольтных импульсов длительностью в единицы наносекунд. Дан обзор наиболее широко применяемых для этой цели коммутаторов и приведены характеристики генераторов созданных на основе таких коммутаторов. Обосновывается актуальность выбранной темы, изложены цель и содержание поставленных задач, сформулирована научная новизна и приводятся защищаемые положения.
В первой главе приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований эффекта субнаносекундного обрыва тока в SOS-
диодах. Даётся описание разработанных полупроводниковых субнаносе-кундных прерывателей тока.
В разделе 1.1 приведены результаты исследований коммутационной характеристики SOS-диода при коротких временах обратной накачки в диапазоне 10-40 не и скорости ввода, плотности обратного тока порядка 10м А/(см2-с). На рис. 1 показана схема эксперимента, содержащая зарядный генератор и схему накачки исследуемого SOS-диода. В экспериментах было показано, что SOS-диод, являясь по своей сути плазмонаполненным диодом, обладает присущим и другим плазменным прерывателям тока свойством, которое состоит в улучшении характеристики отключения тока при увеличении скорости ввода тока в прерыватель. Уменьшение времени ввода обратного тока с не до не привело к уменьшению времени обрыва тока с
5+10 не до 500-5-700 пс. Длительность входного импульса зарядного генератора была при этом уменьшена в раз. В экспериментах при величине обрываемого тока в диапазоне от 0.5 до 1 кА, времени обрыва 500-5-700 пс, сопротивлениях нагрузки от 200 до 2000 Ом амплитуда выходного импульса на нагрузке R изменялась от 60 до 150 кВ, длительность фронта импульса составляла около 1 не, а длительность импульса, измеряемая на полувысоте, находилась в диапазоне от 2 до 4 не. Рис. 2 демонстрирует стадию субнано-секундного обрыва тока величиной 750 А (3 кА/см2) за время 600 пс. Проведенные эксперименты позволили получить следующее сочетание коммутационных характеристик при субнаносекундном обрыве тока в SOS-диоде: амплитуда напряжения -150 кВ, отключаемый ток -1 кА, время отключения тока -500 пс, скорость отключения плотности тока -6-1012 А/см2-с, скорость нарастания напряжения на нагрузке -10|4В/с.
В разделе 1.2 приведены результаты теоретического исследования механизма субнаносекундного обрыва тока с помощью математического моделирования. Расчет процессов динамики электронно-дырочной плазмы проводился С. Н. Цырановым. Исследовалась структура SOS-диода с глубокой диффузией алюминия. Глубина залегания р-n перехода составляла 220 мкм при общей толщине пластинки кремния 320 мкм. В структуре р+ -область была образована диффузией бора, р -область -диффузией алюминия, п -и п+ -области -диффузией фосфора. В качестве п -базы использован электронно-легированный кремний с удельным сопротивлением 50 Ом-см. В расчетах
использовался прерыватель, содержащий 80 последовательно соединенных таких структур с площадью 0.25 см2. Теоретические исследования показали, что процесс субнаносекундного обрыва тока качественно отличается от процесса обрыва тока при длинных временах накачки и реализуется благодаря трем основным факторам. Первый из них связан с существованием двух независимых областей сильного поля, которые одновременно расширяются и перекрывают друг друга в конце процесса коммутации, образуя единую область поля со средней напряженностью около 200 кВ/см и шириной около 50 мкм. Второе обстоятельство обусловлено низкой концентрацией избыточной плазмы, что определяет высокую скорость движения как границ плазмы, так и границ поля. При этих условиях средняя скорость образования единой области поля, ответственной за обрыв тока, достигает 70 % от насыщенной скорости носителей в кремнии, что в 6-7 раз выше скорости образования области сильного поля при длинных временах накачки. В-третьих, для реализации субнаносекундного обрыва тока необходимо использовать структуры с максимально возможной шириной р- области, когда глубина залегания р-п перехода лежит в диапазоне мкм. Это связано с тем, что при субна-
носекундном обрыве тока реализуются более высокие скорости движения границ плазмы, а процесс образования области сильного поля должен завершиться до момента времени, когда избыточная плазма достигнет границы р-п перехода.
В разделе 1.3 приведены характеристики субнаносекундных прерывателей тока. Конструкция прерывателя представляет собой последовательную сборку элементарных диодов. Элементарный диод состоит из охладителя, на который напаяно последовательно четыре структуры. Параметры
р+-р-п-п+ -структуры субнаносекундных 808-диодов были выбраны следующие: глубина залегания р-п перехода мкм, толщина пластинки -350 мкм. В качестве материала п -базы был выбран электронно-легированный кремний с удельным сопротивлением 50 Ом-см. Диодные структуры субнаносекундного прерывателя изготавливаются по стандартной диффузионной технологии, р -область образована диффузией бора, р -область диффузией алюминия, п - и п -области образованны диффузией фосфора. Сборка элементарных диодов стягивается между собой диэлектрическими стойками между выходной катодной пластиной-электродом и вы-
ходной анодной пластиной-электродом. На катодной пластине-электроде имеется винт для регулировки прижимного усилия при стяжке элементарных диодов. Для компенсации теплового расширения прибор имеет специальный компенсатор представляющий собой коаксиальную чашку со вставленной в неё пружиной. Внешний вид некоторых из разработанных субнаносекундных 808-диодов показан на рис. 3. На поз. 1 представлен наиболее мощный из разработанных на сегодняшний день субнаносекундных прерывателей тока с сочетанием рекордных коммутационных характеристик. Прибор содержит 280 последовательных вышеописанных структур с рабочей площадью 0.49 см2. Субнаносекундный 808-диод работает в трансформаторном масле при напряжении до 450 кВ, скорость нарастания напряжения на нагрузке -1014 В/с. Амплитуда обрываемого тока -2 кА при времени обрыва 800 пс, скорость обрыва тока -8-1012 А/(см2-с). Прерыватель имеет развитую систему охладителей, что позволяет работать с частотой следования импульсов 300 Гц в непрерывном режиме и 2 кГц в режиме пачки импульсов. Прибор на поз. 2 состоит из двух параллельных сборок субнаносекундных прерывателей. Каждая сборка содержит 120 последовательных р+-р-п-п+ структур с площадью 0.25 см2. Максимальное напряжение прибора 120 кВ при обрываемом токе до 1 кА. Максимальная частота следования импульсов в постоянном режиме 100 Гц. На поз. 3 и поз. 4 показаны приборы, отличающиеся друг от друга лишь числом последовательно соединенных структур и, следовательно, рабочим напряжением. При одинаковой площади структуры 0.49 см2 субнаносекундный прерыватель на поз. 3 имеет рабочее напряжение 200 кВ, рабочее напряжение прибора на поз. 4 —250 кВ. Амплитуда обрываемого тока 1-1,5 кА. В таблице I приведены характеристики разработанных субнаносекундных 808-диодов. Проведенные экспериментальные исследования и длительная эксплуатация разработанных субнаносекундных 808-диодов выявили их способность выдерживать многократные перегрузки по току и напряжению. Эксперименты показали, что увеличение плотности и скорости ввода тока на порядок (с 1 до 10 кА/см2) не приводит к выходу из строя прибора, при этом происходит увеличение потерь энергии на стадии накачки и, как следствие, снижение эффективности работы прерывателя. Для субнано-секундных 808-диодов характерна способность работать в режиме ограничения напряжения, т.е. установка прибора в субнаносекундный генератор с
выходным напряжением, превышающим рабочее напряжение субнаносе-кундного прерывателя в несколько раз, приводит к тому, что после обрыва тока прерыватель ограничивает амплитуду выходного импульса напряжения. Способность субнаносекундных 808-диодов выдерживать многократные перегрузки по току и напряжению определяются особенностями плазмона-полненного режима работы р+-р-П-П+ структур.
Таблица I. Параметры разработанных субнаносекундных БОБ-диодов
Параметр Значение
Максимальное рабочее напряжение - 100+450 кВ
Количество последовательных структур 80+280
Площадь структуры 0.25+0.49 см2
Длительность выходного импульса 3+7 не
Время прямой накачки 30+40 не
Время обратной накачки 10+15 не
Плотность прямого тока 1+2 кА/смг
Плотность обратного тока. 2+4 кА/см2
Время обрыва тока 0.5+2 не
Рассеиваемая мощность в трансформаторном масле (продолжительный режим) 50+500 Вт
Длина/Масса 70+150 мм/0.05+0.4 кГ
Во второй главе приводятся результаты по разработке и исследованию высоковольтных частотных короткоимпульсных генераторов на основе суб-наносекундных прерывателей тока.
В разделе 2.1 рассмотрены два схемных подхода для построения корот-коимпульсных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации, в которых субнаносекундный 808-диод выполняет функцию оконечного усилителя мощности. Первый подход основывается на применении двух последовательных каскадов обострения. Первый каскад обострения представляет собой генератор высоковольтных импульсов на основе наносекунд-ного 808-диода и содержит тиристорное зарядное устройство ТЗУ, магнитный компрессор МК и оконечный усилитель мощности на основе наносе-кундного прерывателя тока-808 1. Тиристорное зарядное устройство осуще-
ствляет дозированный отбор энергии от сети. После ТЗУ энергия за время порядка нескольких десятков микросекунд при напряжении 1-2 кВ поступает в магнитный компрессор МК. Магнитный компрессор является согласующим звеном между ТЗУ и прерывателем тока, и формирует на выходе импульсы длительностью несколько сотен наносекунд и напряжением в сотни киловольт. Сформированные магнитным компрессором импульсы подаются далее на прерыватель тока. После срабатывания наносекундного прерывателя тока 8081 на выходе первого каскада формируется импульс накачки для субнаносекундного прерывателя тока -8082. Импульс накачки поступает на второй каскад обострения; состоящий из схемы согласования и субнаносекундного прерывателя 8082. Схема согласования реализует двухконтурную накачку прерывателя в режиме усилением обратного тока и состоит из конденсатора обратной накачки С и ключа обратной накачки М8. Выходной импульс первого каскада заряжает конденсатор С, ток зарядки С одновременно является током прямой накачки субнаносекундного диода 8082. За время зарядки конденсатора обратной накачки перемагничивается ключ М8. После его насыщения в прерыватель 8082 вводится обратный ток , превышающий прямой ток. В момент максимума обратного тока происходит срабатывание субнаносекундного прерывателя 8082 и формирование на грузке короткого высоковольтного импульса длительностью несколько наносекунд. Главным недостатком данного схемного решения является пониженная эффективность передачи энергии из первого каскада обострения во второй. Это обусловлено необходимостью применять большой объём сердечника М8 из-за неэффективного использования магнитных свойств сердечника М8 ввиду малого тока перемагничивания при одновременном требовании достижения низкой индуктивности ключа в насыщенном состоянии. Данный подход оптимален для построения малогабаритных частотных генераторов на основе субнаносекундного прерывателя с выходной пиковой мощностью в десятки МВт и с частотой следования импульсов в сотни Гц. Для построения генераторов на основе субнаносекундного 808-диода с выходной пиковой мощностью в сотни МВт и с частотой повторения в единицы кГц более перспективным является подход, в котором магнитный компрессор МК формирует на выходе импульсы с параметрами, определяемыми характеристиками прерывателя и параметрами импульса, которые нужно получить в нагрузке. Время
вывода энергии из МК равно времени прямой накачки субнаносекундного 808-диода. Амплитуда импульсов на выходе магнитного компрессора в общем случае зависит от отношения требуемой амплитуды импульса на нагрузке и коэффициента перенапряжения при обрыве тока субнаносекундным прерывателем.
В разделе 2.2 описываются конструкции частотных малогабаритных короткоимпульсных генераторов на основе субнаносекундного 808-диода с пиковой мощностью 50"И00 МВт. На основе подхода с двумя последовательными ступенями обострения, был разработан генератор, развивающий максимальную импульсную мощность ~50 МВт при внешнем импедансе ~50 Ом. В качестве первой ступени обострения использовался частотный импульсный генератор на основе наносекундного 808-диода, позволяющей на активной нагрузке получать импульсы напряжения с амплитудой кВ,
током 300+800 А, длительностью 25+60 НС. После срабатывания первой ступени обострения, сформированный импульс накачки положительной полярности поступает на вторую ступень обострения с субнаносекундным 808-диодом. Ток обратной накачки субнаносекундного прерывателя возрастает до своего максимального значения ~1.5 кА за время ~15 не. В этот момент времени происходит обрыв тока прерывателем за время ~500 пс, и формирование на нагрузке короткого высоковольтного импульса отрицательной полярности. При амплитуде напряжения 50 кВ значение импульсной мощности составило 51 МВт. Длительность импульса на полувысоте 6 не. Конструктивно элементы второй ступени обострения собраны в баке из нержавеющей стали, заполненном трансформаторным маслом. Второй, более мощный генератор 8М-2К8 был разработан на основе второго подхода, при котором магнитный компрессор МК непосредственно формирует импульсы накачки для субнаносекундного 808-диода. Генератор 8М-2К8 развивает на рези-стивной нагрузке напряжение от 100 до 250 кВ при токе и дли-
тельности импульса от 3.5 до 4 не. Максимальная мощность достигает 95 МВт при внешнем импедансе 150+300 Ом и при выходном напряжении Генератор работает продолжительно с частотой следования импульсов 400 Гц и в режиме 30-секундной пачки с частотой до 5 кГц. Прибор выполнен в виде настольного переносного блока и имеет размеры при весе около 60 кГ. На входе генератор содержит тири-
сторное зарядное устройство ТЗУ, осуществляющее дозированный отбор энергии из питающей сети. Из ТЗУ энергия поступает в магнитный компрессор МК при напряжении ~700 В за время 9 мкс. МК сжимает энергию во времени до нескольких десятков не и обеспечивает режим короткой накачки субнаносекундного SOS-диода. Схема оконечного усилителя мощности генератора, содержащая выходное звено МК (конденсатор С1 и магнитный ключ MS), элементы контура обратной накачки (конденсатор С2 и трансформатор ИТ), а также прерыватель тока на SOS-диодах SOS1-SOS2, приведена на рис. 4. Конденсатор С1 заряжается от предыдущего накопителя МК за 180 не до напряжения около 57 кВ. При этом ток заряда протекает через первичную обмотку ИТ, перемагничивая его сердечник. После насыщения сердечника ключа MS начинается процесс прямой накачки SOS-диодов, при котором энергия из С1 передается в С2 через ИТ. Конденсатор С2 заряжается до ~70 кВ за время около 45 не. Суммарная величина прямого тока, протекающего по диодам, составляет После насыщения сердечника ИТ в диоды вводится обратный ток за время около суммарная величина которого достигает 2 кА. Катушка индуктивности L обеспечивает разбаланс токов по диодам S0S1 и S0S2, что на стадии обрыва тока дает возможность реализовать каскадное отключение. Первым срабатывает S0S1 и усиливает обратный ток во втором диоде S0S2, при субнаносекундном обрыве тока которым формируется короткий выходной импульс напряжения на нагрузке RH. Совмещенная осциллограмма обратного тока через субнаносекундные прерыватели S0S1, S0S2 и выходного импульса напряжения с резистивной нагрузки 283 Ом представлена на рис. 5. Время обрыва тока диодом S0S2, измеренное по уровню 0.1-0.9 от амплитуды, составляет 570 пс, что соответствует скорости коммутации тока ~1.6 кА/нс. Амплитуда импульса выходного напряжения -164 кВ, длительность на полувысоте -3.6 не.
В разделе 2.3 приводятся технические данные и описаны особенности конструкции генератора SM-3NS с пиковой мощностью до 500 МВт. Постоянная частота следования импульсов генератора составляет 300 Гц. В режиме пачки импульсов длительностью 30 секунд частота следования импульсов составляет 3.5 кГц. Генератор выполнен в виде настольного блока и имеет размеры 850x650x400 мм3 при массе около 120 кГ. Генератор SM-3NS построен по такой же схемной концепции, что и вышеописанный генератор
SM-2NS. На рис. 6 приведена электрическая схема генератора. Энергия, накопленная в первичном емкостном накопителе С1 поступает в магнитный компрессор МК при напряжении ~900 В за время ~ 14 мкс. Далее МК сжимает энергию во времени до десятков наносекунд, чем обеспечивается необходимый режим накачки субнаносекундного прерывателя тока. Согласование работы МК и субнаносекундного SOS-диода осуществляется с помощью схемы согласования, состоящей из конденсатора обратной накачки С4, магнитного ключа обратной накачки MS и промежуточного индуктивного накопителя Ь. В таблице II приведены значения напряжения и времени его воздействия в различных точках схемы, демонстрирующие процесс сжатия' энергии.
Таблица II. Процесс сжатия энергии в генератора SM-3NS
Номер точки (см. схему на рис. 6) Напряжение Время'
1 66 кВ 14 мкс
2 114 кВ 1.2 мкс
3 250 кВ 250 нс
4 180 кВ 40 нс
5 150-450 кВ 5.4+5.6 не
Конденсатор СЗ выходного звена МК через импульсный трансформатор ИТ2 заряжается от предыдущего накопителя МК за 250 не до напряжения -250 кВ. При этом ток заряда протекает по магнитному ключу обратной накачки MS и перемагничивет его сердечник. После насыщения сердечника ИТ2 начинается процесс прямой накачки субнаносекундного прерывателя тока SOS, при котором энергия из конденсатора СЗ передаётся в конденсатор обратной накачки С4 за время -40 не. Амплитуда тока прямой накачки составляет -1.5 кА. При достижении на конденсаторе С4 уровня напряжения -180 кВ насыщается сердечник магнитного ключа MS и в субнаносекундный прерыватель за время ~15 не вводится обратный ток величиной -4 кА. После обрыва тока субнаносекундным SOS-диодом на нагрузке RH формируется короткий высоковольтный импульс напряжения. Внешний вид генератора приведён на рис. 7. Особенностью конструкции SM-3NS является установленная между
выходным изолятором и масляным баком дополнительная коаксиальная секция, в которой расположены элементы оконечного усилителя мощности: конденсатор С4, ключ обратной накачки MS, промежуточный индуктивный накопитель L, субнаносекундный прерыватель SOS. Прерыватель тока содержит 4 параллельно работающих субнаносекундных SOS-диода. Каждый из диодов имеет длину 140 мм и содержит 260 последовательных структур с площадью 0.25 см2. При длительностях выходного импульса от 5 до 7 не в трансформаторном масле диод работает при напряжении до 450 кВ и обрывает ток величиной до 2 кА за время 0.6-5-1.5 НС. На рис. 8 представлена осциллограмма импульса выходного напряжения, амплитудой 450 кВ. Длительность импульса на полувысоте ~5.4 не. Максимальная импульсная мощность генератора развивается при внешнем импедансе около 100+200 Ом и достигает 450 МВт при выходном напряжении в диапазоне от 200 до 300 кВ при выводе высокого напряжения через изолятор на воздух.
Третья глава посвящена проблематике формирования коротких высоковольтных импульсов с помощью диодных обострителей, работающих в режиме задержанной ударно-ионизационной волны и в режиме туннельно-ударного ионизационного фронта.
В разделе 3.1 рассматривается схемная идеология построения генераторов с полупроводниковым диодным обострителем. Поскольку основным условием работы диодного обострителя является возбуждение задержанной ударно-ионизационной волны, для чего скорость нарастания напряжения на одну полупроводниковую структуру должна составлять -1012 В/с, то наиболее перспективным подходом для генерации коротких сверхмощных импульсов является сочетание мощного твердотельного питающего генератора с высокой скоростью нарастания выходного напряжения и полупроводникового обострителя с большим количеством последовательных структур. На рис. 9 представлена общая электрическая схема установки с полупроводниковым диодным обострителем. Для создания перенапряжения на обострителе используется частотный твердотельный генератор на основе субнаносекундно-го SOS-диода. На схеме показан оконечный усилитель мощности генератора и элементы диодного формирователя. После обрыва тока субнаносекундным прерывателем SOS коаксиальная формирующая линия ФЛ заряжается от индуктивного накопителя L генератора через блокирующий диод Д и индук-
тивность Ь. Срабатывание диодного обострителя приводит к формированию на нагрузке КН короткого импульса с субнаносекундным фронтом.
В разделе 3.2 приведено описание конструкции генератора Рго11о-1М с диодным обострителем. Генератор был разработан для проверки вышеизложенной схемной идеологии, а также для тестирования элементов автоматики на помехоустойчивость в системах контроля, управления и сигнализации высоковольтных импульсных установок. Рго11о-1М позволяет формировать на согласованной резистивной нагрузке 50 Ом импульсы с амплитудой до 50 кВ и длительностью на полувысоте ~1 не при постоянной частоте следования импульсов 100 Гц. Генератор выполнен в настольном переносном варианте в прямоугольном корпусе размером 450x400x200 мм. Масса прибора ~16 кг.
В разделе 3.3 описана конструкция и приведены технические данные более мощного генератора на основе диодного обострителя работающего в режиме задержанной ударно-ионизационной волны. На нагрузке 50 Ом генератор формирует импульсы с пиковой мощностью 750 МВт при частоте повторения 3.5 кГц и импульсы с пиковой мощностью 1 ГВт в режиме одиночных импульсов. Длительность импульсов составляет примерно 2 не. В данной установке в качестве зарядного генератора, создающего перенапряжения на обострителе был использован твердотельный генератор 8М-3К8 на основе субнаносекундных 808-диодов. 8М-3К8 формирует импульсы с амплитудой 450 кВ и фронтом нарастания ~4 не ((Ш/Л-Ю14 В/с), что является достаточным условием для возбуждения задержанной ударно-ионизационной волны в диодном обострителе с числом последовательных структур порядка ~100. Полупроводниковый обостритель установки состоял из 144 последовательно соединенных кремниевых полупроводниковых структур -типа, выполненные по диффузионной технологии с глубоким залеганием р-п перехода (160 мкм). Длина базы в структуре -120 мкм. Четыре последовательно спаянные между собой структуры напаивались на медную пластинку толщиной 1 мм, образуя элементарный диод. Далее элементарные диоды стягивались между собой, образуя сборку из последовательных диодов. Площадь структур в одной сборке составляла 2.25 см2. Обостритель содержал три таких параллельных сборки с общей площадью 6.75 см2 и имел длину 105 мм. Общий вид элементов диодного формирователя показан на рис. 10. К выходу генератора 8М-3К8 подключена коаксиальная 50-омная маслонапол-
ненная линия, внутренний проводник которой образован элементами диодного формирователя. На рис. 11 приведена осциллограмма импульса напряжения после срабатывания диодного обострителя. Амплитуда импульса -232 кВ, длительность импульса на полувысоте - 1.8 не, пиковая мощность -1 ГВт.
В разделе 3.4 предложен простой метод устранения предимпульсов от прямой и обратной накачки на нагрузке в генераторах с 808-диодами. Описывается практическая реализация метода в одном из генераторов на основе субнаносекундного прерывателя. Метод состоит в том, что между выходом генератора на основе субнаносекундного 808-диода и нагрузкой включается развязывающая цепочка, состоящая из встречновключенных блокирующего диода БД и диодного обострителя ДО, работающего в режиме задержанной ударно-ионизационной волны. На стадии прямой накачки 808-диода прямое падение напряжения на прерывателе блокируется встречновключенным блокирующим диодом, а на стадии обратной накачки отрицательное падение напряжения прикладывается к диодному обострителю в блокирующем направлении и до момента обрыва тока прерывателем предимпульс от обратной накачки на нагрузке Я отсутствует. Данный способ устранения предимпульсов был реализован в генераторе с двумя последовательными ступенями обострения с выходной пиковой мощностью 50 МВт (раздел 2.2).
В разделе 3.5 описан генератор с обострителем на основе туннельно-ударного ионизационного фронта. На основе численных расчетов было показано, что при наложении на кремниевую структуру, из базы которой предварительно выведены основные носители, обратного напряжения со скоростью нарастания >10 кВ/нс, в базе возникает туннельно-ионизационная волна, которая пересекает базу со скоростью в сорок раз большей, чем скорость насыщения, создавая плазму с плотностью >41017 см"3. При этих условиях структура может формировать импульс напряжения до 10 кВ со скоростью нарастания до 500 кВ/нс. Для экспериментального изучения туннельно-ионизационного механизма переключения была создана установка с двумя последовательными ступенями обострения. Первая ступень обострения представляет собой установку с полупроводниковым обострителем работающем в режиме задержанной ударно-ионизационной волны и аналогичную описанной в разделе 3.3. Непосредственно к выходу первой ступени подключена
вторая ступень обострения, состоящая из 50-омной коаксиальной маслона-полненной формирующей линии, второго полупроводникового обострителя и согласованного резистивного сопротивления. Второй полупроводниковый обостритель состоял из 20 последовательно соединённых полупроводниковых кремниевых структур с площадью 0.25 мм2. В конструктивно-технологическом плане структуры аналогичны структурам первого обостри-теля. Длина обострителя 9 мм. Длина второй формирующей линии 25 мм. После коммутации диодного обострителя первой ступени обострения вторая формирующая линия заряжается за время ~1 не до напряжения ~200 кВ. Это составляет ~1013 В/с на одну структуру обострителя второй ступени. Поле вблизи р-п перехода достигает величины около 1 МВ/см, после чего происходит срабатывание второго обострителя и формируется высоковольтный -импульс напряжения с пикосекундным фронтом. На рис. 12 показан внешний вид второго обострителя, а на рис. 13 приведена осциллограмма импульса напряжения после его коммутации. Амплитуда импульса равна-154 кВ, ток нагрузки -3.2 кА. Длительность импульса на полувысоте -1.38 не, пиковая мощность -0.5 ГВт. Время коммутации обострителя по уровню 0.2-0.9 от амплитуды импульса-214 пс. Максимальные скорости нарастания тока и напряжения были 10.4 кА/нс и 504 кВ/нс соответственно.
В заключении сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему:
1. Обнаружен и экспериментально исследован эффект субнаносекундного > обрыва тока в 808-диодах. Показано, что при уменьшении времени обратной накачки с не до не время обрыва тока уменьшается с 5+10 не до 500+700 пс.
2. Разработан субнаносекундный 808-диод со следующим сочетанием коммутационных характеристик: скорость коммутации -8-1012 А/(см2-с), амплитуда напряжения -450 кВ, скорость нарастания напряжения на нагрузке -1014 В/с, обрываемый ток -2 кА, время обрыва тока-800 пс. Полученные коммутационные характеристики являются рекордными для полупроводниковых приборов и соответствуют аналогичным характеристикам газовых разрядников сверхвысокого давления.
3. На основе субнаносекундных 808-диодов разработаны компактные высоковольтные твердотельные генераторы со следующим диапазоном вы-
ходных параметров: пиковая мощность 50-5-500 МВт, выходное напряжение 50-1-450 кВ, скорость нарастания выходного напряжения -1014 В/с, длительность импульса частота следования импульсов
4. Показана возможность формирования сверхмощных коротких импульсов полупроводниковым диодным обострителем с большим количеством последовательно соединенных структур, работающим в режиме задержанной ударно-ионизационной волны. Разработаны высоковольтные генераторы с субнаносекундным фронтом, имеющие выходное напряжение в десятки и сотни кВ и пиковую мощность от десятков МВт до 1 ГВт.
5. Предложен и реализован способ устранения предимпульсов на нагрузке при прямой и обратной накачке субнаносекундного SOS-диода с помощью развязывающей цепочки, состоящей из диодного обострителя на основе задержанной ударно-ионизационной волны и блокирующего диода.
6. Экспериментально реализован сверхбыстрый механизм коммутации тока в полупроводниках на основе туннельно-ударного ионизационного фронта. В передающей 50-омной линии сформированы импульсы амплитудой 150-5-160 кВ, импульсной мощностью 500 МВт и длительностью 1.4 не. Фронт импульса напряжения лежит в диапазоне 200-5-250 пс, а максимальные скорости роста тока и напряжения в линии составляют 10 кА/нс и 500 кВ/нс соответственно.
Рис.1. Схема эксперимента.
Рис. 2. Стадия субнаносекундного обрыва тока. Масштаб по вертикали-235 А/дел.
Рис. 3. Внешний вид разработанных субнаносекундных 808-диодов.
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема генератора 8М-2Ж
Рис. 5. Совмещенная осциллограмма обратного тока через субнаносекундные прерыватели 8081 и 8082 и выходного импульса напряжения на резистивной нагрузке 283 Ом. Масштаб по вертикали: 15СВ1-0.5 кА/дел.; 15о52-0.27 кА/дел.; и^-26 кВ/дел.
Рис. 6. Принципиальная электрическая схема генератора 8М-3Ш.
Рис. 7. Внешний вид генератора SM-3NS.
:
и МI 001К
Рис. 8. Осциллограмма выходного импульса напряжения генератора SM-3NS на резистивной нагрузке 1 кОм. Масштаб по вертикали-75 кВ/дел.
Рис. 9. Электрическая схема установки с полупроводниковым диодным обострителем.
Рис. 10. Общий вид элементов диодного формирователя. Ьр-развязывающая катушка; ФЛ-формирующая линия; Д-блокирующий диод; ДО-диодный обостритель; КН— резистивная нагрузка.
.. :....: ... 1 • " . "7 \ 1 У^^ *
Рис. 11. Осциллограмма выходного импульса напряжения генератора с диодным обострителем на нагрузке 53 Ом. Масштаб по вертикали-34 кВ/дел.
Рис. 12. Внешний вид диодного обострителя второй ступени обострения.
Рис. 13. Осциллограмма импульса напряжения после коммутации второго обострителя. Масштаб по вер-тикали-39 кВ/дел.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.
1. 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.
2. Любутин С.К., Месяц Г.А., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Субнаносе-кундный обрыв тока в мощных полупроводниковых SOS-диодах // ДАН. 1998. Т. 360. № 4. С. 477-479.
3. Любутин С.К., Месяц Г.А., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Ульмаскулов М.Р., Яландин М.И. 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.
4. Mesyats G.A., Lyubutin S.K., Rukin S.N., Slovikovskii B.G., Shpak V.G., Shunailov SA., 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 // In Proa: XII Int. IEEE Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999. V. 1. P. 202-205.
5. Mesyats G.A., Lyubutin S.K., Rukin S.N., Darznek S.A., 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Яландин М.И., Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Ульмаскулов М.Р., Шпак В.Г., Шунайлов С.А. Генерирование высоковольтных суб-
наносекундных импульсов с пиковой мощностью до 300 MW и частотой повторения 2 kHz // Письма в ЖТФ, 2001, том 27, вып.1, С. 81-88.
10.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.
11.Yalandin M.I., Lyubutin S.K., Oulmascoulov M.R., Rukin S.N., Shpak V.G., Shunailov S.A., Slovikovsky B.G. Subnanosecond modulator possessing a 700 MW peak power and average power of 1.5 kW at repetition frequency of 3.5 kHz // Proc. of 13th IEEE Int. Pulsed Power Conf., Las Vegas, Nevada, USA, June 17-22,2001, V. 2, P. 1630-1633.
12.Любутин С.К., Месяц Г.А., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Аличкин Е.А. Субнаносекундная коммутация гигаваттной пиковой мощности полупроводниковым диодным обострителем // ДАН. 2001. Том 379. № 4. С. 470472.
П.Любутин С.К., Месяц Г.А., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Ульмаскулов М.Р., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И. Генерирование высоковольтных субнаносекундных импульсов с пиковой мощностью 700 МВт и частотой повторения 3.5 кГц // ПТЭ. 2001. № 5. С. 80-88.
H.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. 178-182.
15.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.
16.Yalandin M.I., Lyubutin S.K., Oulmascoulov M.R., 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. 17001704.
17.Rukin S.N., Alichkin EA., Bushlyakov A.I., Lyubutin S.K., Ponomarev A.V., Slovikovsky B.G., Timoshenkov S.P., Tsyranov S.N. Novel ultra-high-power
solid-state short pulse generators // Proc. of Pulsed Power Seminar, 23rd September 2003, Burleigh Court, Loughborough, UK, P. 3/1-3/4.
04- 1 405J
ВВЕДЕНИЕ.
1. СУБНАНОСЕКУНДНЫЙ ОБРЫВ ТОКА В SOS ДИОДАХ.
1.1. Обнаружение эффекта субнаносекундного обрыва тока в
SOS-диодах.*■.
1.2. Принцип работы субнаносекундного SOS-диода.
1.3. Характеристики субнаносекундных SOS-диодов.
Выводы.
2. ГЕНЕРАТОРЫ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ SOS-ДИОДОВ.
2.1. Схемы генераторов.
2.2. Генераторы с пиковой мощностью 50-100 МВт.
2.3. Генератор с пиковой мощностью до 500 МВт.
Выводы.
3. ГЕНЕРАТОРЫ С ДИОДНЫМИ ОБОСТРИТЕЛЯМИ
3.1. Принцип работы генераторов с диодными обострителями на основе задержанной ударно-ионизационной волны.
3.2. Генератор с длительностью импульса 1 не и пиковой мощностью 50 МВт.
3.3. Генератор с пиковой мощностью до 1 ГВт.
3.4. Устранение предимпульсов на нагрузке в генераторах с SOS-диодами.
3.5. Генератор с обострителем на основе туннельно-ударного ионизационного фронта.
Выводы.
С момента своего становления, а фактически с открытия взрывной электронной эмиссии в 60-е годы [1-4], и до середины 80-х годов развитие мощной наносекундной импульсной техники шло в основном по пути создания установок с максимально возможными величинами импульсного тока и напряжения. Это было обусловлено крупномасштабными экспериментами и проектами, выполняемыми в рамках национальных оборонных программ. Такие задачи, как исследования в области управляемого термоядерного синтеза, генерации сверхмощных импульсов электромагнитного, лазерного, рентгеновского и нейтронного излучения для различных целей стимулировали разработку и создание сверхмощных импульсных систем с энергозапасом более 106 Дж и импульсной мощностью в единицы и десятки ТВт [5-6]. Такие установки представляют собой уникальные экспериментальные комплексы, и такие требования к импульсным устройствам, как высокая средняя мощность, частота следования импульсов, срок службы здесь не являются определяющими [7, 8].
На рубеже 80-90 годов в связи с изменением общей обстановки в мире, все больше внимания стало уделяться применению мощной импульсной техники для создания новых технологий в промышленности. Основой наносекундной сильноточной импульсной техники являются генераторы мощных импульсов напряжения и тока, энергия которых используется либо непосредственно, либо переводится в энергию необходимых видов излучения. Поэтому для большинства промышленных технологий определяющими характеристиками импульсных генераторов становятся высокая частота повторения импульсов, достаточно большая средняя мощность, стабильность параметров импульса, надежность, компактность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет [9].
Увеличение импульсной мощности генератора возможно либо за счет увеличения энергии импульса при сохранении его длительности, либо за счет укорочения длительности импульса с той же самой энергией. Поскольку габариты и масса генератора возрастают с увеличением энергии импульса, то второй путь наиболее перспективен для создания компактных мощных генераторов [10, 11].
Однако при снижении длительности выходного импульса все более жесткие требования предъявляются к выходному коммутатору энергии, время коммутации которого для эффективной передачи энергии в нагрузку должно лежать в субнаносекундном диапазоне при формировании импульсов длительностью в единицы наносекунд. Для формирования мощных высоковольтных импульсов длительностью в единицы наносекунд наиболее широко применяются три типа коммутаторов, способных работать с высокой частотой следования" импульсов: магнитный ключ, полупроводниковый коммутатор и искровой разрядник.
Достаточно хорошо известны генераторы на магнитных ключах [12, 13]. В таких генераторах в качестве выходного коммутатора используются те или иные комбинации отрезка линейной линии передачи и ударной формирующей линии с ферритом. После насыщения формирующей линии формирование импульса напряжения на нагрузке определяется в основном разрядом отрезка линейной линии передачи. Подобный тип генераторов позволяет формировать импульсы длительностью около 3 не с напряжением 50 кВ и мощностью 50 МВт при частоте следования до 2.5 кГц [14].
В качестве быстрых полупроводниковых коммутаторов в основном применяются дрейфовые диоды с резким восстановлением (ДДРВ) и диодные обострители (ДО) на основе задержанной ударно-ионизационной волны [15, 17-20]. Дрейфовый диод с резким восстановлением представляет собой прерыватель тока на основе р+-п-п+ кремниевой структуры с плотностью обрываемого тока до 200 А/см2, временем обрыва тока около 2 не и рабочим напряжением 1 кВ. Принцип работы ДЦРВ состоит в следующем. За счет короткой длительности импульса прямого тока (сотни не) в базе возле р-n перехода создается тонкий слой инжектированной плазмы, в котором сосредоточена основная часть накопленного заряда. При протекании тока обратной накачки происходит рассасывание плазменного слоя у р-n перехода с одновременным дрейфовым выносом дырок из остальной 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 возможной скоростью насыщения порядка 10 см/с. В связи с этим ДЦРВ 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-ь200 А/см2. Однако путем увеличения площади структуры и создания сборок из последовательно соединенных структур возможно увеличение рабочих параметров прерывателя по току и напряжению. Для генераторов с выходным коммутатором на ДДРВ максимальные достигнутые значения по пиковой мощности и амплитуде выходного импульса составляют 64 МВт и 80 кВ соответственно [16].
Диодный обостритель на основе задержанной ударно-ионизационной волны является наиболее быстродействующим полупроводниковым коммутатором. Принцип работы обост-рителя основан на формировании задержанной ударно-ионизационной волны в базе р+-п-п+ диода при подаче импульса обратного напряжения со скоростью нарастания 1012 В/с, при этом скорость заполнения базы электронной-дырочной плазмой может в несколько раз превышать насыщенную скорость носителей. Такие диодные обострители способны формировать импульсы с временем нарастания Ю"10 с. Полученные пиковые значения мощности и амплитуды выходных импульсов генераторов с диодными обострителями в качестве выходных коммутаторов не превышают 500 кВт и 5 кВ [15].
Основное преимущество твердотельных коммутаторов состоит в сочетании большого срока службы, стабильности параметров выходного импульса и способности работать с высокой частотой следования импульсов, которая ограничена только тепловыми процессами. Однако в диапазоне импульсной мощности более 100 МВт и напряжения в сотни кВ твердотельные субнаносекундные коммутаторы тока отсутствуют, и искровые разрядники остаются единственным средством для формирования мощного короткого импульса [21, 22]. Для достижения субнаносекундного времени коммутации разрядника в качестве рабочего газа используются азот или водород при давлении 30-;-100 атм, а схема генератора обеспечивает минимально возможное время нарастания напряжения на разряднике перед его пробоем для создания дополнительного перенапряжения [23, 24]. Известные недостатки разрядников состоят в ограниченной частоте следования импульсов (характерное время восстановления ~1 мс), необходимости продувки и охлаждения рабочего газа при постоянной работе с высокой
О Q частотой следования импульсов и низком ресурсе работы (не более 10 -НО импульсов) вследствие эрозии электродов и запыления внутренней поверхности изолятора. Однако при работе генератора в режиме короткой пачки импульсов с высокой частотой их следования разрядник является наиболее простым и надежным субнаносекундным коммутатором [25].
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) [58-64].
Было показано, что эффект наблюдается в р+-р-п-п+-структурах при времени накачки порядка 10"8-н10"6 с и плотности обратного тока до 60 кА/см2, а время обрыва тока при этих условиях лежит в диапазоне от единиц до десятков наносекунд. Очевидно, что исследование и применение данного эффекта для разработки твердотельных субнаносекундных коммутаторов тока и создание на их основе сверхмощных полупроводниковых генераторов является актуальной научно-технической задачей.
Цели диссертационной работы:
• экспериментальное исследование эффекта субнаносекундного обрыва тока в SOS-диодах;
• разработка сильноточных твердотельных генераторов частотного режима работы с субнаносекундным прерывателем тока;
• создание сверхмощных твердотельных диодных обострителей на основе задержанной ударно-ионизационной волны;
• разработка сильноточных твердотельных генераторов со сверхмощными диодными обострителями для формирования коротких импульсов с субнаносекундным фронтом.
Научная новизна
Основные результаты работы относятся к категории полученных впервые:
1. Обнаружен и экспериментально исследован эффект субнаносекундного обрыва тока в SOS-диодах. Показано, что при уменьшении времени обратной накачки с 80-Н00 не до 10-15 не время обрыва тока уменьшается с 5-И0 не до 500-^700 пс.
2. Разработан субнаносекундный SOS-диод с сочетанием рекордных коммутационных
17 О характеристик: скорость коммутации -8-10 А/(см -с), амплитуда напряжения —450 кВ, скорость нарастания напряжения на нагрузке -1014 В/с, обрываемый ток -2 кА, время обрыва тока -800 пс.
3. На основе субнаносекундных SOS-диодов создан генератор импульсов с мощностью 500 МВт, длительностью импульса 5-нб не и выходным напряжением до 450 кВ, работающий с частотой следования импульсов 300 Гц постоянно и до 3.5 кГц в режиме пачки импульсов.
4. Показана возможность формирования сверхмощных коротких импульсов полупроводниковыми диодными обострителями на основе задержанной ударно-ионизационной волны. Достигнут уровень мощности 1 ГВт при напряжении 1504-230 кВ и длительности импульса 14-2 не.
5. Предложен и реализован способ устранения предимпульсов на нагрузке при прямой и обратной накачке субнаносекундного SOS-диода с помощью диодного обострителя на основе задержанной ударно-ионизационной волны.
6. Экспериментально реализован сверхбыстрый механизм коммутации тока в полупроводниках на основе туннельно-ударного ионизационного фронта. В передающей 50-омной линии сформированы импульсы амплитудой 1504-160 кВ, импульсной мощностью 500 МВт и длительностью 1.4 не. Фронт импульса напряжения лежит в диапазоне 200^250 пс, а максимальные скорости роста тока и напряжения в линии составляют 10 кАУнс и 500 кВ/нс соответственно.
Положения, выносимые на защиту
Основные результаты, полученные в данной работе, сводятся к следующему:
1. Обнаружен и экспериментально исследован эффект субнаносекундного обрыва тока в SOS-диодах. Показано, что при уменьшении времени обратной накачки с 80+100 не до 10+15 не время обрыва тока уменьшается с 5+10 не до 500+700 пс.
2. Разработан субнаносекундный SOS-диод со следующим сочетанием коммутационных характеристик: скорость коммутации -8-1012 А/(см2-с), амплитуда напряжения -450 кВ, скорость нарастания напряжения на нагрузке -1014 В/с, обрываемый ток -2 кА, время обрыва тока -800 пс. Полученные коммутационные характеристики являются рекордными для полупроводниковых приборов и соответствуют аналогичным характеристикам газовых разрядников сверхвысокого давления.
3. На основе субнаносекундных SOS-диодов разработаны компактные высоковольтные твердотельные генераторы со следующим диапазоном выходных параметров: пиковая мощность 50+500 МВт, выходное напряжение 50+450 кВ, скорость нарастания выходного напряжения - 1014 В/с, длительность импульса 3+6 не, частота следования импульсов 0.1+5 кГц.
4. Показана возможность формирования сверхмощных коротких импульсов полупроводниковым диодным обострителем с большим количеством последовательно соединенных структур, работающем в режиме задержанной ударно-ионизационной волны. Разработаны высоковольтные генераторы с субнаносекундным фронтом, имеющие выходное напряжение в десятки и сотни кВ и пиковую мощность от десятков МВт до 1 ГВт.
5. Предложен и реализован способ устранения предимпульсов на нагрузке при прямой и обратной накачке субнаносекундного SOS-диода с помощью развязывающей цепочки, состоящей из диодного обострителя на основе задержанной ударно-ионизационной волны и блокирующего диода.
6. Экспериментально реализован сверхбыстрый механизм коммутации тока в полупроводниках на основе туннельно-ударного ионизационного фронта. В передающей 50-омной линии сформированы импульсы амплитудой 150-И 60 кВ, импульсной мощностью 500 МВт и длительностью 1.4 не. Фронт импульса напряжения лежит в диапазоне 200н-250 пс, а максимальные скорости роста тока и напряжения в линии составляют 10 кА/нс и 500 кВ/нс соответственно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Месяц Г.А., Баженов Г.П., Бугаев Е.А. и др. Эмиссия электронов с катода в начальной фазе наносекундного вакуумного разряда // Известия вузов, Физика. 1969. № 5. С. 153162.
2. Бугаев Е.А., Литвинов Е.А., Месяц Г.А. Проскуровский Д.И. Взрывная эмиссия электронов//УФН. 1975. Т.115. Вып. 1. С. 101-120.
3. Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио, 1974. 256 С.
4. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 1. Екатеринбург: УИФ "Наука". 1994. 287 С.
5. Накопление и коммутация энергии высоких плотностей. /Под ред. У. Бостика, В. Нарда, О. Цукера. М.: Мир, 1974. 474 С.
6. Turman B.N., Martin Т.Н., Neau E.L., et al. PBFA II, a 100 TW pulsed power driver for the inertial confinement fusion program // Proc. V IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Arlington, CA, USA, June 16-19,1985. P. 155-161.
7. Бастриков A.H., Воробьюшко М.И., Ковальчук Б.М. и др. Генератор импульсов высокого напряжения для мощных импульсных систем II II Всесоюзная конференция по инженерным проблемам термоядерных реакторов: Сб. докл. НИИЭФА, 1982. Т. 3 С. 152-159.
8. Harjes Н.С., Penn K.J., Reed K.W. et al. Status of the repetitive high energy pulsed power project // VIII IEEE Intern. Pulsed Power Conf. San Diego, CA, USA, June 16-19, 1991. P. 543-548.
9. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 3. Екатеринбург: УИФ "Наука". 1994. 256 С.
10. Губанов В.П., Коровин С.Д., Пегель И.В. и др. Генерация мощных наносекундных импульсов электромагнитного излучения II Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. Вып. 14. С. 89-93.
11. Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Визирь В.А. и др. Генератор гигаваттных импульсов сверхширокополосного излучения // ПТЭ. 2000. № 2. С. 82-88.
12. Катаев И.Г. Ударные электромагнитные волны. М.: Сов. радио, 1963. 288 С.
13. Меерович JI.A., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. М.; Сов. радио, 1968.476 С.
14. Мешков А. Н. Магнитные генераторы наносекундных импульсов (обзор) // ПТЭ. 1990. № 1.С. 23-36.
15. Тучкевич В.М., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. JL: Наука, 1988. 117 С.
16. Efanov V.M., Kardo-Sysoev A.F., Larionov М.А. et al. Powerful semiconductor 80 kV nanosecond pulser // XI IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA, June 29-July 2, 1997. V. 2. P. 985.
17. Грехов И.В., Ефанов B.M., Кардо-Сысоев А.Ф., Шендерей С.В. Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на полупроводниковых диодах с дрейфовым механизмом восстановления напряжения. // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. Вып. 7. С. 435-439.
18. Грехов И.В., Козлов А.К., Короткое С.В., Степанянц A.JL, Христюк Д.В. Формирование мощных импульсов наносекундной длительности при помощи Р.В.Д.-генераторов с обостряющими цепями на основе диодных прерывателей тока. // ПТЭ. 2002. № 4. С. 101-105.
19. Grekhov I.V., Efanov V.M., Kardo-Sysoev A.F., Shenderey S.V. Power drift step recovery diode. // Solid State Electronics. 1985. V. 28. № 6. P. 597-599.
20. Белкин B.C., Марин О.Ю., Шульженко Г.И. Формирование высоковольтных наносекундных импульсов на серийных диодах // ПТЭ. 1992. № 6. С. 120-124.
21. Ковальчук Б.М., Месяц Г.А., Шпак В.Г. Генератор высоковольтных субнаносекундных импульсов // ПТЭ. 1976. № 6. С. 73-75.
22. Ельчанинов А.С., Загулов Ф.Я., Коровин С.Д. и др. Ускорители сильноточных электронных пучков с высокой частотой следования импульсов // Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии. Под ред. Месяца Г.А., Новосибирск, 1983.С. 520.
23. Загулов Ф.Я., Котов Ю.А., Шпак В.Г. и др. "Радан"-малогабаритные сильноточные ускорители электронов импульсно-периодического действия // ПТЭ. 1989. № 2. С. 146149.
24. Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И., Дядьков А.А. Малогабаритный сильноточный импульсный источник "Радан" СЭФ-ЗОЗ А // ПТЭ. 1993. № 1. С. 149-155.
25. Быков Н.М., Вашаев О.А., Губанов В.П., Гунин А.В., Коровин С.Д., Якушев А.Ф. Сильноточный управляемый разрядник с частотой срабатывания 100 Гц // ПТЭ. 1988. № 6. С. 96-99.
26. Дарзнек С.А., Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. SOS-эффект: наносекундный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках // ДАН. 1994. Т. 334. № 3. С. 304-306.
27. Дарзнек С.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых прерывателях сверхплотных токов // ЖТФ. 1997. Т. 67. Вып. 10. С. 6470.
28. Рукин С.Н., Цыранов С.Н. Исследование процесса субнаносекундного обрыва тока в мощных полупроводниковых прерывателях. // Письма в ЖТФ. 2000. Том 26. Вып. 18. С. 41-46.
29. Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока (обзор). // ПТЭ. 1999. № 4. С. 5-36.
30. Рукин С.Н. Устройство магнитного сжатия импульса. // Патент РФ №2089042. БИ. 1997. №24.
31. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. JL: Энергия, 1971. 148. С.
32. Грязнов Н.М. Трансформаторы и дроссели в импульсных устройствах. М.: Радио и связь, 1986. 84. С.
33. Матханов П.Н., Гоголицин JI.3. Расчёт импульсных трансформаторов. JL: Энергия, 1980. 80. С.
34. Шваб А. Измерения на высоком напряжении: Измерительные приборы и способы измерения. Перевод с нем. М.: Энергоатомиздат, 1983. 165. С.
35. Гальперин Б.С. Непроволочные резисторы. М.: Госэнергоиздат, 1958. 150. С.
36. Кучинский Г.С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. JL: Энергия, 1973. 175. С.
37. Злобин В.А., Муромкина Т.С., Поспелов П.В. Изделия из ферритов и магнитодиэлек-триков: Справочник. / Под общей ред. Горбунова Н.Д., Матвеева Г.А. М.: Сов. радио, 1972. 240. С.
38. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990. 208. С.
39. Евсеев Ю.А., Дерменжи П.Г. Силовые полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1981. 324. С.
40. Отблеск А.Е., Челноков В.Е. Физические проблемы полупроводниковой электроники. Л.: Наука, 1984. 284. С.
41. Блихер А. Физика тиристоров. Перевод с англ. Под ред. Грехова И.В. Л.: Энергоатомиздат, 1981. 234. С.
42. Замятин В.Я., Кондратьев Б.В., Петухов В.М. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. М.: Радио и связь, 1988. 587. С.
43. Герлах В. Тиристоры. Перевод с нем. М.: Энергоатомиздат, 1985. 292. С.
44. Асина С.С., Кузьмин В.Л., Сурма A.M. Быстродействующие диоды и тиристоры большой мощности // Электротехника. 1988. № 5. С. 7-10.
45. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Высшая школа, 1986. 167. С.
46. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. М.: Энергоатомиздат, 1983. 284. С.
47. Бобыкнн М.В., Бартов А.В. Методы получения предельных электрических мощностей в коротких импульсах. Препринт № 2253. М.: ИАЭ, 1972. 38. С.
48. Глебович Г.В., Ковалев И.П. Широкополосные линии передачи импульсных сигналов. М.: Советское радио, 1973. 165 С.
49. Изюмова Т.И., Свиридов В.Т. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. М.: Энергия, 1975. 123. С.
50. Месяц Г.А., Шпак В.Г. Генерирование мощных субнаносекундных импульсов // ПТЭ. 1978. №6. С. 5-17.
51. Желтов К. А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. М.: Энергоатомиздат, 1991. 120. С.
52. Мовшевич Б.З., Сморгонский А.В. Предельная скорость нарастания напряжения в коаксиальных формирующих линиях // Радиотехника и электроника. 1984. Т.29. № 9. С. 172-191.
53. Кардо-Сысоев А.Ф., Попова М.В. Моделирование быстрых ионизационных волн при пробое в кремниевых р-n переходах // ФТП. 1996. Т. 30. Вып. 5. С. 803-811.
54. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск: Наука, 1987. 226 С.
55. Rodin P., Ebert U., Hundsdorfer W., Grekhov I.V. Superfast fronts of impact ionization in initially unbiased layered semiconductor structures // Journal of Applied Physics, 2002. vol. 92. №4. P. 1971-1980.
56. Rodin P., Ebert U., Hundsdorfer W., Grekhov I.V. Tunneling-assisted impact ionization fronts in semiconductors // Journal of Applied Physics, 2002. vol. 92. № 4. P. 958-964.
57. Rodin P., Grekhov I.V. et al. A novel type of power picosecond semiconductor switches based on tunneling-assisted impact ionization fronts // IEEE Trans. Electron Devices. 2002. V. 17. N l.P. 445-448.
58. Любутин C.K., Рукин C.H., 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.
59. Mesyats G.A., Rukin S.N., Lyubutin S.K., Darznek S.A., Litvinov Ye.A., Telnov V.A., Tsiranov S.N., Turov A.M. Semiconductor opening switch research at IEP. // In Proc.: X Int. IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, USA, 1995. V. 1. P. 298 305.
60. Rukin S.N., Lyubutin S.K., Kostirev V.V., Telnov V.A. Repetitive 200 kV nanosecond all-solid-state pulser with a semiconductor opening switch. // In Proc.: X Int. IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, USA, 1995. V. 2. P. 1211 -1214.
61. Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Rukin S.N., Filatov A.L., Lyubutin S.K. Nanosecond semiconductor opening switch for megavolt repetitive pulsed power technology. //In Proc.: Int. Society for Optical Engineering (SPIE), San Hose, USA, 1995. V. 2374. P. 98-103
62. 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.
63. 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.
64. 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.
65. Любутин C.K., Месяц Г.А., Рукин C.H., Словиковский Б.Г. Субнаносекундный обрыв тока в мощных полупроводниковых SOS-диодах // ДАН. 1998. Т. 360. № 4. С. 477-479.
66. 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.
67. 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.
68. 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.
69. 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.
70. 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.
71. 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.
72. Котов Ю.А., Любутин C.K., Рукин C.H., Филатов А.Л. Сильноточный импульсный ускоритель. // Патент РФ N 2059345. БИ. 1996. N 12.
73. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Цыранов С.Н. Высокочастотные импульсные генераторы на основе SOS-диодов с субнаносекундным временем обрыва тока // ПТЭ. 2000. № 3. С. 52-60.
74. 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.
75. Любутин С.К., Рукин С.Н., Тимошенков С.П. Генератор импульсов высокого напряжения. // Патент РФ N 2063103. БИ. 1996. N 18.
76. Rukin S.N., Alichkin Е.А., 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.
77. Любутин C.K., Месяц Г.А., Рукин C.H., Словиковский Б.Г., Аличкин Е.А. Субнаносе-кундная коммутация гигаваттной пиковой мощности полупроводниковым диодным обострителем // ДАН. 2001. Том 379. № 4. С. 470-472.
78. Гришин Д.М., Губанов В.П., Коровин С.Д., Любутин С.К., Месяц Г.А., Никифоров
79. Дарзнек С.А., Любутин С.К., Рукин С.Н, Словиковский Б.Г. Генерация колебаний сверхвысокой частоты безбазовым диодом // ФТП. 2002. Том 36. № 5. С. 629-634.
80. 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.
81. Rukin S.N., Alichkin E.A., Bushlyakov A.I., Lyubutin S.K., Ponomarev A.V., Slovikovsky
82. B.G., Timoshenkov S.P., Tsyranov S.N. Novel ultra-high-power solid-state short pulse generators // Proc. of Pulsed Power Seminar, 23rd September 2003, Burleigh Court, Loughborough, UK, P. 3/1-3/4.
