Среди источников импульсов высокого напряжения наименее исследованными являются спиральный генератор и трансформатор (генератор) Белкинa—Жарковой. Спиральный генератор,

впервые предложенный Фитчем и Хауэллом [1], на самом деле является частным случаем импульсного трансформатора, который независимо и почти одновременно с ними предложили Н.В. Белкин и А.Я. Жаркова (ВНИИЭФ, г. Саров) [2]. Одним из основных преимуществ устройств такого типа является то, что в них не требуются первичные низковольтные и вторичные высоковольтные емкостные накопители энергии, т. с. первичный, вторичный накопители и трансформатор составляют единое целое. Таким образом, весь генератор состоит из 2—3 деталей.

 

Как было показано нами ранее [3], для описания различных конфигураций генераторов такого тина подходят как модели для трансформатора Тесла, так и модели, учитывающие распространение волн по длинной спиральной линии с инверсией. В отличие от спирального генератора Фитча Хауэлла параметры трансформатора Белкина Жарковой можно варьировать за счет незначительного изменения его конструкции — добавления внешних и внутренних витков.

Применение спиральных генераторов ограничивается их низким КПД. Проблемы возникают и при попытке "подогнать" габаритные и энергетические характеристики трансформатора к характеристикам конкретных устройств, пригодных для практического использования.

Цель настоящей работы: 1) создание более точной, удобной в применении теоретической модели генератора, 2) создание конструкций генераторов, обладающих максимальным КПД при фиксированных внешних размерах, толщине пакета изоляции, входной и выходной емкостях, 3) применение модифицированного спирального генератора с повышенным КПД для создания импульсного рентгеновского аппарата (ИРА).

Спиральный генератор представляет собой свернутую в рулон двухшинную полосковую линию. Первоначально декларированный в [1] принцип его работы заключался в следующем: при замыкании заряженной двухшинной линии, свернутой в рулон, но активной линии (на рис. 1 обозначена серым цветом) бежит волна, которая, дойдя до разомкнутого копна, отражается от него и возвращается, меняя свою полярность. При этом напряжения в активной и пассивной линиях всех слоев рулона суммируются с одним знаком и создают между внутренним и внешним витками напряжение, равное исходному, умноженному на удвоенное число витков в рулоне [1,4,5]. Из схем, приведенных на рис. 1, видно, что если к схеме спирального генератора Фитча—Хауэлла (рис. 1,а) добавить к внутренней шине снаружи один виток, то в результате получается тот же спиральный генератор (рис. 1 ,b), только меняется знак напряжения на выходе генератора, а активная и пассивная линии меняются местами. Аналогичный результат получается в результате убавления одного витка от внешней шины. То есть любая схема спирального генератора может быть представлена в виде двухшинной спиральной линии, которая разряжается на одиночный виток. Таким образом, генератор Фитча Хауэлла является разновидностью трансформатора Тесла, предложенного Н.В. Белкиным и А.Я. Жарковой [2] (рис. 1,с) с частным случаем, когда количество витков в первичной обмотке равняется единице. Как видно из рис. 1 ,d, в результате добавления витка к внешней шине спирального генератора получается новое устройство, которое не является спиральным генератором, а является новым вариантом трансформатора Белкина-Жарковой.

Тот факт, что в результате простой геометрической перерисовки схемы и смены обозначений можно получить как спиральный генератор, так и трансформатор Тесла с рулонной емкостью, разряжаемой на один виток, ставит под сомнение корректность про-

Спиральный генератор Фитча-Хауэлла

Спиральный генератор Белкина-Жарковой

Рис. 1.Схемы генераторов: а — классический генератор Фитча-Хауэлла, b — спиральный генератор Фитча-Хауэлла с дополнительным битком к внутренней шине, с — трансформатор Белкина-Жарковой, d — вариант трансформатора Белкина-Жарковой с дополнительным витком к внешней шине.

стых моделей с инверсией напряжений, предложенных в работах Фитча—Хауэлла [1,5] и Рюля—Герцигера [4]. По крайней мере это справедливо для неидеальных спиральных трансформаторов, у которых толщина намотки сравнима с диаметром или индуктивность ключа не равна нулю. Как было показано нами ранее в [3], для описания такого генератора при малом числе витков и высокой индуктивности ключа лучше подходит модель трансформатора Тесла, а при большом числе витков и малой индуктивности ключа — модели Фитча—Хауэлла и Рюля—Герцигера. В модели Рюля—Герцигера нами было предложено [3] увеличить точность расчетов за счет учета волны, бегущей по пассивной линии.

В модели Фитча—Хауэлла процесс стенания заряда с выходной емкости и индуктивная связь витков являются побочными паразитными эффектами на фоне процесса инверсии напряжения в длинной линии. В модели трансформатора Тесла, наоборот, волны, бегущие вдоль вторичной обмотки, являются побочным паразитным эффектом, а индуктивная связь и токи через обмотки основными рассматриваемыми эффектами.

Волны во вторичной обмотке — рядовое явление в трансформаторе Тесла. Это явление может быть убрано частично [6]либо полностью [7,8] за счет специального размещения витков вторичной обмотки в пространстве между высоковольтным и низковольтным электродами. Но данное решение известно только для двух видов трансформатора — с вторичной обмоткой в виде провода с дополнительными скин-экранами [7,8] и с вторичной обмоткой в виде тонкого рулона из проводящей фольги, гальванически несвязанной с первичной обмоткой. Решение для двухшинной намотки нам не известно. Очевидно, что для повышения КПД желательно согласовать процессы колебаний в первичном и вторичном контурах трансформатора с временами прохода волн в полосковых линиях трансформатора. Чтобы этого не делать методом подбора, желательно иметь теоретические модели работы спирального генератора и трансформатора Белкина—Жарковой, которые пригодны для инженерных расчетов и описывают работу данных устройств в деталях.

Cкачать статью полностью

Читайте также: Джоулево тепло во вторичной спирали Тесла-трансформатора с ударным возбуждением
Генераторы высокого напряжения с емкостными накопителями энергии