Импульсная техника высоких напряжений

Импульсная техника высоких напряжений, область электротехники, предметом которой является получение, измерение и использование импульсов высоких напряжений (амплитудой от 10² в до 10⁷ в) и импульсов сильных токов (амплитудой от 10² а до 10⁷ а). Длительность импульсов варьируется в пределах от 10^-1 до 10^-10 сек. Это могут быть одиночные импульсы или повторяющиеся с большой скважностью.

  Импульсы высоких напряжений используются при испытании электротехнической аппаратуры, имитации внутренних и грозовых перенапряжений в электрической сети, для моделирования молниезащитных устройств и т. д. В экспериментальной физике импульсы высоких напряжений применяются для создания сильных импульсных электрических полей при исследовании процессов электрического пробоя, для получения кратковременных (10^-7—10^-6 сек) вспышек рентгеновского излучения, для питания искровых камер, электронно-оптических преобразователей, Керра ячеек, в ускорителях заряженных частиц, для создания импульсных электронных и ионных пучков.

  Импульсы напряжений амплитудой до 10⁷ в получают от генераторов импульсных напряжений (ГИН). Они содержат группу конденсаторов С (рис. 1), которые при зарядке от источника ПН соединены параллельно через сопротивления R. Когда напряжение на конденсаторах достигает требуемой величины, они с помощью искровых промежутков П включаются последовательно (схема Аркадьева — Маркса). Длительность фронта и спада импульса регулируется демпфирующими R_д и разрядным R_p сопротивлениями, ёмкостью С_ф и ёмкостью нагрузки О.

  Для получения импульсов с амплитудой 10⁶ в, длительностью фронта ~ 10^-4 сек и спада ~ 10^-3 сек, помимо ГИН, иногда используют испытательные высоковольтные трансформаторы, первичные обмотки которых питаются от конденсаторных батарей. Для получения импульсов с более крутым фронтом применяют специальный конденсатор, заряжаемый от ГИН и разряжающийся через дополнительный искровой «обостряющий» промежуток.

  Импульсы с длительностью фронта ~ 10^-9 сек и полной длительностью ~ 10^-8—10^-7 сек при амплитуде 10⁴—10⁶ в получают от генераторов наносекундных импульсов. Схема одного из них отличается от рис. 1 заменой конденсаторов отрезками коаксиального кабеля (обладающего распределённой ёмкостью) и отсутствием сопротивлений R_д и R_ф. Наносекундные импульсы получают также с помощью отрезков коаксиального кабеля, соединённых по схеме рис. 2; отрезка трёхполосной полосковой линии (схема Блюмлейна, рис. 3), полосковой линии, свёрнутой в спираль (спиральный генератор, рис. 4) и др. В последних двух генераторах происходит удвоение (рис. 3) или умножение (рис. 4) напряжения после пробоя искрового промежутка П и отражения волны напряжения от конца линии. Если к форме импульса напряжения не предъявляются специальные требования, то для получения импульсов с амплитудой ~ 10⁴—10⁵ в применяют импульсные трансформаторы (катушки Румкорфа, трансформатор Тесла и др.).

  Амплитуды импульсов измеряются с помощью специальных ёмкостных, омических или смешанных делителей напряжения.

  Импульсы сильных токов применяются: 1) для создания импульсных магнитных полей в термоядерных установках, ускорителях заряженных частиц, при ускорении плазмы, и металлических тел, при магнитно-импульсной обработке металлов, в быстродействующих электромагнитных клапанах, импульсном электроприводе и т. д.); 2) для быстрого нагрева газа и проводников (нагрев газа при аэродинамических и термоядерных исследованиях, получение мощных ударных волн и расходящихся потоков жидкости для эхолокации и сейсморазведки, деформирование и разрушение материалов, электрический взрыв проводников, питание импульсных источников света, электроэрозионная обработка металлов, импульсная сварка и др., см.(смотри) Электрофизические и электрохимические методы обработки); 3) для испытания электротехнических устройств, коммутационной аппаратуры, моделирования разрушающего действия тока молнии и т. д.

  Источниками импульсов тока служат: ударные электрические генераторы, накапливающие энергию до 10⁸ дж в виде кинетической энергии массивного ротора (см. Генератор электромашинный); аккумуляторы, конденсаторные батареи (ёмкостные накопители), заряжаемые от источника постоянного напряжения (например, контур Горева); индуктивные накопители (накопление энергии происходит в катушке индуктивности); взрывные генераторы, в которых происходит уменьшение объёма контура или катушки с током при взрыве или под действием магнитного поля (рис. 5).

  Для присоединения нагрузки к импульсным источникам сильных токов используют тиратроны, (при токе до 10³—10⁴ а и напряжении ~ 20—30 кв), разрядники с повышенным и атмосферным давлением (токи до 10⁶ а и напряжения до 10⁵ в), вакуумные разрядники с непрерывной откачкой (токи до 10⁶ а, напряжения до 10—20 кв) и запаянные (токи до 10³ а и напряжения до 10⁵в). Применяются также разрядники с твёрдым диэлектриком, заменяемым после каждого разряда (токи ~ 10⁶ а, напряжения ~ 10⁴ в). Для согласования ёмкостных и индуктивных накопителей с нагрузкой применяются импульсные трансформаторы. Измерение импульсных токов проводится с помощью шунтов или измерительных трансформаторов (пояса Роговского) с интегрирующими цепями. Для этой же цели применяются устройства, использующие явление вращения плоскости поляризации (угол поворота плоскости поляризации пропорционален напряжённости магнитного поля, создаваемого измеряемым током).

  Лит.: Техника высоких напряжений, под ред. Л. И. Сиротинского, ч. 1, М., 1951; Гончаренко Г. М., Жаков Е. М., Дмоховская Л. Ф., Испытательные установки и измерительные устройства в лабораториях высокого напряжения, М., 1966; Фрюнгель Ф., Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов конденсаторов, пер.(перевод) с нем.(немецкий), М.—Л., 1965; Техника больших импульсных токов и магнитных полей, под ред. В. С. Комелькова, М., 1970; Месяц Г. А., Насибов А. С., Кремнев В. В., Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения, М., 1970; Физика быстропротекающих процессов, пер.(перевод) с нем.(немецкий), под ред. Н. А. Златина, т. 1, М., 1971.

  И. П. Кужекин.

Рис. 4. Спиральный генератор.

Рис. 2. Схема кабельного генератора наносекундных импульсов высокого напряжения; К — отрезки коаксиального кабеля; П — искровой промежуток; О — нагрузка.

Рис. 1. Схема генератора импульсных напряжений (ГИН, или схема Аркадьева — Маркса): ПН — источник постоянного напряжения; С — конденсаторы; R — зарядные сопротивления; R_д — демпфирующие сопротивления: R_p — разрядное сопротивление; П — искровые промежутки; О — объект испытания.

Рис. 5. Амплитуды и длительности токов, получаемых от различных импульсных источников тока: I — взрывные генераторы; II — ёмкостные накопители энергии; III — индуктивные накопители: IV — импульсные аккумуляторы; V — контур Горева; VI — ударные генераторы.

Рис. 3. Схема генератора Блюмлейна: ИП — источник постоянного напряжения или ГИН; Л — трёхполосная полосковая линия.