(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разработка и согласование узлов высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы
Содержание
- определения, обозначения и сокращения
- Введение
- 1. Аналитический обзор систем проигрывания эталонных импульсов электромагнитного поля
- 1.1 ТЕМ-ячейка Кроуфорда
- 1.2 GTEM-ячейка
- 1.3 Плоская двухпроводная линия
- 1.4 Коническая линия
- 1.5 Эталонные установки для проигрывания ЭМИ в Рф
- 1.6 Выводы по разделу
- 2. Определение структуры эталонного источника массивных субнаносекундных электромагнитных импульсов
- 2.1 Требования к чертам эталонного источника ЭМИ
- 2.2 Выбор принципной схемы и структуры
- 2.2.1 Конфигурация и принципы построения субнаносекундной полеобразующей системы
- 2.2.2 Требования к узлу согласования полеобразующей системы поверочной установки (образца) и генератора
- 2.2.3 Обзор вариантов возбуждающих вариантов генераторов
- 2.3 Выводы по разделу
- 3. Разработка высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы
- 3.1 Расчет распределения электронного и магнитного полей в рабочем объеме полеобразующей системы
- 3.2 Разработка и согласование узлов высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы
- 3.3 Разработка компаратора для передачи единиц
- 3.4 Выводы по разделу
- 4. Исследования метрологических черт высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы
- 4.1 Исследуемые свойства
- 4.2 Средства экспериментальных исследовательских работ
- 4.3 способы экспериментальных исследовательских работ
- 4.4 Результаты экспериментальных исследовательских работ
- 4.5 исследование неопределенности проигрывания единиц
- 4.6 Исследование черт компаратора
- 4.7 Выводы по разделу
- Заключение
- Перечень использованных источников
определения, обозначения и сокращения
ЭМИ — электромагнитный импульс
ЯВ — ядерный взрыв
СИ — средство измерений
ИППЛ — измерительный преобразователь на базе полосковой полосы
ПС — полеобразующая система
ПХ — переходная черта
ГСЭ — муниципальный особый идеал
ДДРВ — дрейфовый диодик с резким восстановлением
Введение
В итоге первых испытаний ядерного орудия были обнаружены новейшие поражающие причины, несвойственные для хим взрывных веществ. Одним из их является электромагнитный импульс (ЭМИ). Напряженности импульсных электромагнитных полей добиваются десятков-сотен киловольт на метр и сотен ампер на метр на удалениях от центра взрыва в сотки и даже тыщи км. ЭМИ ядерного взрыва (ЯВ) и в истинное время остается фактически единственным поражающим фактором, способным выводить из строя современные системы связи и управления на весьма большенном расстоянии [1]. Оценочные расчеты напряженностей импульсных электромагнитных полей, провождающих ядерный взрыв, делались Энрико Ферми еще до первого тесты ядерного орудия в 1945 году.
В 1963 году СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — орудия в 3-х средах: в атмосфере, галлактическом пространстве и под водой. Это послужило началом работ по созданию имитаторов воздействующих причин ядерного взрыва и, в том числе, ЭМИ. В США (Соединённые Штаты Америки — время им предлагаются 1-ые типы средств измерений характеристик воспроизводимых в имитаторах ЭМИ: малых электронных и магнитных широкополосных диполей, получивших в английской литературе наименования D-dot и B-dot. Широкие исследования средств измерений ЭМИ, способов и средств их калибровки проводятся в Государственном институте эталонов и технологий США (Соединённые Штаты Америки — электронного и магнитного полей. В полеобразующей системе образца на базе прямоугольного коаксиала (ТЕМ-ячейки) воспроизводились ЭМИ с напряженностями электронного поля до 200 кВ/м и магнитного поля до 500 А/м с фронтами в наносекундном спектре [2, 3]. Предстоящее улучшение образца по расширению амплитудно-временного спектра проигрывания ЭМИ было обосновано несколькими причинами. Во-1-х, по мере совершенствования излучателей возникла возможность на сравнимо огромных расстояниях (10-ки и сотки метров) воспроизводить ЭМИ напряженностью 10-ки и сотки киловольт на метр с фронтами продолжительностью сотки пикосекунд. Такие ЭМИ отлично нарушают работу радиоэлектронной аппаратуры и могут быть применены с террористическими целями [2]. При разработке средств защиты от схожих угроз нужно проводить тесты, которые должны быть подходящим образом метрологически обеспечены.
Также наметился прогресс в разработке средств измерений импульсных полей на базе оптических кристаллов, в каких реализуются разные электро — и магнитооптические явления: Фарадея, Поккельса, Керра и др. Их достоинство заключается в том, что они не искажают структуру измеряемого поля, также имеют сравнимо куцее время нарастания переходной свойства. Во ВНИИОФИ были проведены экспериментальные исследования сверхширокополосного измерительного преобразователя напряженности импульсного электронного поля на базе DAST-кристалла, разработанного в Институте общей физики ран [4]. Определено, что нижняя граница спектра измерений такового преобразователя начинается от 1 кВ/м (свойственное к примеру, при зондировании материала гауссовским импульсом продолжительностью 10 пс, может быть получить отклик в полосе частот до 40 ГГц. Гауссовский импульс имеет равномерный диапазон, но в неких вариантах нужно прирастить чувствительность измерений в области низких частот. Для этого предлагается источать импульсы трапецеидальной формы с помощью широкополосных плоских биконических диполей (антенн типа «бабочка»). Расчеты демонстрируют, что чем больше длина плеча вибратора, тем больше продолжительность излучаемого импульса и тем большая толика энергии сосредоточена в области низких частот [5]. Для измерения характеристик трапецеидальных зондирующих и отраженных сигналов нужно применять средства измерений, имеющие ступенчатую переходную характеристику достаточной продолжительности (единицы-десятки наносекунд) с временем нарастания десятки-сотни пикосекунд. Соответственно для калибровки схожих средств измерений, нужны установки для проигрывания массивных эталонных ЭМИ большенный продолжительности (не наименее 10 нс) с субнаносекундной продолжительностью фронта.
По изложенным выше причинам проходили поочередные усовершенствования образца в 1993, 2009 и 2013 годах. Целью их было расширение амплитудно-временного спектра воспроизводимых импульсов. В истинное время спектр проигрывания единиц составляет до 300 кВ/м (800 А/м) при продолжительности фронта импульсов до 100 пс.
Животрепещущим является обеспечение научных центров и испытательных лабораторий эталонными источниками ЭМИ для способности калибровки средств измерений на местах.
Исходя из этого, целью работы является разработка полеобразующей системы вторичного образца единиц напряженностей импульсных электронного и магнитного полей, обеспечивающей проигрывание единиц в спектре до 300 кВ/м (800 А/м) при продолжительности фронта до 100 пс.
Для этого решены последующие задачки:
1) проведен анализ полеобразующих систем для проигрывания массивных эталонных ЭМИ субнаносекундной продолжительности; сформулированы главные требования к метрологическим чертам установки для калибровки средств измерений в данном спектре;
2) выбрана принципная схема и структура эталонного источника массивных субнаносекундных электромагнитных импульсов; проведены теоретические исследования и расчеты полеобразующей системы на базе ТЕМ-ячейки с расщепленным возможным электродом;
3) сделан макет высоковольтной полеобразующей системы, включающий узел ввода, конические переходы и согласованную нагрузку;
4) проведены экспериментальные исследования метрологических черт разработанной высоковольтной полеобразующей системы;
5) разработан и изучен компаратор для передачи единиц на базе полоскового измерительного преобразователя.
высоковольтная субнаносекундная полеобразующая система
Результаты работы могут быть применены при разработке вторичных стандартов единиц напряженности импульсных электронного и магнитного полей.
1. Аналитический обзор систем проигрывания эталонных импульсов электромагнитного поля
В установках, создающих эталонные электронные и магнитные поля с расчётными чертами (напряженностью, продолжительностью и фронтом) должны определяться последующие главные метрологические свойства средств измерений (СИ):
— спектр измерений;
— коэффициент преобразования: отношение амплитуды импульса поля к амплитуде выходного импульса преобразователя;
— время нарастания переходной свойства;
— продолжительность переходной свойства (измеряемое «временное окно»).
Общий принцип работы разных типов эталонных установок заключается в разработке однородных ступенчатых (либо близких к ступенчатым) по форме импульсных электронных и магнитных полей в объеме полеобразующей системы, в которую помещается калибруемый преобразователь. Сложность данной задачки заключается в том, что нужно создавать эталонные поля большенный напряженности (электронного поля — до сотен киловольт на метр), с недлинной продолжительностью фронта — до единиц пикосекунд, большенный продолжительности — минимум единицы-десятки наносекунд, с высочайшей степенью однородности. При всем этом в полеобразующей системе обязана распространяться ТЕМ-волна, соответственно подступают лишь двухэлектродные системы (не волноводы).
В эталоне IEEE 1309-2013 «Калибровка измерительных преобразователей электромагнитного поля в спектре частот от 9 кГц до 40 ГГц» приводятся главные типы установок для проигрывания эталонных полей [6]:
— ТЕМ-ячейка Кроуфорда (Crawford TEM-cell);
— GTEM-ячейка (GTEM-cell);
— Плоская двухпроводная линия (parallel plate transmission line);
— Коническая линия (conical transmission line);
Основным образом данные установки различаются меж собой по амплитудно-временным спектрам воспроизводимых ЭМИ. Конструкции данных установок предложены в 1970-90-е годы в США (Соединённые Штаты Америки — системы для калибровки измерительных преобразователей в вольном пространстве. В данном случае они не рассматриваются, потому что не могут обеспечить проигрывание массивных (напряженностью сотки киловольт на метр) полей.
1.1 ТЕМ-ячейка Кроуфорда
ТЕМ-ячейка была разработана М. Кроуфордом в Государственном Бюро Эталонов (США (Соединённые Штаты Америки — одной стороны входной частотный разъем, а с иной — перегрузка. Как правило, геометрические размеры ТЕМ-ячейки выбирают таковым образом, чтоб ее волновое сопротивление составляло 50±2 Ом.
Набросок 1. ТЕМ-ячейка Кроуфорда
Широкополосность ТЕМ-ячейки определяется, основным образом, величиной зазора меж возможным электродом и экраном: чем меньше это расстояние, тем выше 1-ая резонансная частота. Главные геометрические размеры ТЕМ-ячейки показаны на рисунке 2.
Набросок 2. Главные геометрические размеры ТЕМ-ячейки
Волновое сопротивление ТЕМ-ячейки определяется выражением [7]:
где a, b, g — размеры из рисунка 2, ДC — поправка к погонной емкости, е0 — относительная диэлектрическая проницаемость среды.
Резонансная частота определяется выражением:
где b1, b2 и d — из рисунка 2.
Для ТЕМ-ячейки с рабочим зазором порядка 150 мм резонансная частота составляет порядка 1 ГГц (что соответствует продолжительности фронта импульса порядка 350 пс). Не считая того, имеет пространство краевой эффект, выражающийся в сгущении силовых линий к границам потенциального электрода, что нарушает однородность поля в рабочей зоне. Исходя из этого, ТЕМ-ячейка может применяться на сравнимо низких частотах и при малых напряженностях полей.
Последующие усовершенствования ячейки имели собственной целью повышение рабочего размера и расширение широкополосности в сторону наиболее больших частот. Для роста широкополосности была изготовлена попытка угнетения высокочастотных резонансов ячейки при помощи поглотителей, размещенных на поверхности конических участков. К геометрической разности хода добавилась разность хода, сплетенная с поглотителями, нарушалась однородность поля. часть энергии, распространяясь вдоль потенциального электрода, возбуждала наиболее высочайшие резонансы в рабочем объеме [7].
Бессчетные опыты проявили, что большая широкополосность достигается при использовании конических линий, нагруженных на нагрузку, распределенную в раскрыве, при этом перегрузка комбинированная — резистивная (для низких частот) и всасывающая (для больших частот).
1.2 GTEM-ячейка
Развитием ТЕМ-ячейки стала GTEM-ячейка (буковка G значит Gigahertz, другими словами то, что ячейка работает в гигагерцовом спектре).
Набросок 3. GTEM-ячейка
GTEM ячейка представляет собой исходную коническую часть ТЕМ-ячейки в раскрыве которой устанавливается распределенная перегрузка: резистивная для поглощения на низких частотах и из радиопоглощающих материалов для работы на больших частотах. Центральный электрод подвешивают таковым образом, чтоб волновое сопротивление ячейки составляло 50 Ом. Наружный вид GTEM ячейки показан на рисунке 3.
Достоинство GTEM ячейки в том, что она имеет существенно больший рабочий размер, чем ТЕМ-ячейка, без утраты широкополосности. В связи с тем, что в тракте GTEM-ячейки нет значимых неоднородностей, спектр ее рабочих частот простирается до 20 ГГц. Это соответствует способности проигрывания ступенчатых импульсов с фронтом порядка 20 пс при рабочем межэлектродном зазоре до 0,5 м и наиболее. Следующие варианты являются, по существу, разными усовершенствованиями GTEM ячейки. Амплитуда выходного сигнала в GTEM ячейке ограничивается электронной прочностью входного разъема. При продолжительности импульса в несколько наносекунд — это значение не превосходит 100 В. Таковым образом, при межэлектродном зазоре 0,5 м наибольшая напряженность поля составляет ~200 В/м. Решение задачки распределения поля в рабочем объеме GTEM ячейки быть может выполнено строго на частотах до нескольких сотен мгц. На больших частотах неоднородность поля может достигать ±4 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений) [6].
1.3 Плоская двухпроводная линия
иной электродинамической системой для проигрывания эталонных импульсных электромагнитных полей является плоская двухпроводная линия (parallel plate transmission line). В рабочей зоне распространяется плоская электромагнитная волна с высочайшей степенью однородности. Результаты расчета поля в данной полеобразующей системе получены К. Баумом.
С 1-го конца полосы через конический переход подключается возбуждающий генератор, а с другого конца подключают нагрузку. Она быть может сосредоточенной либо распределенной в сечении полосы. Распределенная (либо комбинированная) перегрузка предпочтительней, потому что переизлучение на извивах конических переходных секций ведет к переотражениям волны и, как следствию, размыванию фронта эталонного импульса. Наружный вид полеобразующей системы показан на рисунке 4.
Набросок 4. Плоская двухпроводная линия
Для устранения негативного воздействия извивов конических переходов на больших частотах К. Баумом получено выражение, связывающее длину конического перехода L, угол конической секции и и расстояние меж пластинами h:
L = h [cosec (и) — ctg (и)].
Чем меньше расстояние меж пластинами и длина конического перехода — тем наиболее широкополосной является данная полеобразующая система. Тем не наименее, в таковой электродинамической структуре также проявляется краевой эффект.
1.4 Коническая линия
Если применять в качестве эталонной полеобразующей системы лишь коническую часть плоской двухпроводной полосы, то реально избежать негативного воздействия переотражений на извивах. При всем этом распределенная перегрузка устанавливается на конце полосы (см. набросок 5).
Распределенная перегрузка быть может выполнена в виде цепочек резисторов, которые при параллельном подключении согласуются с импедансом полосы. Промежутки меж цепочками резисторов разрешают свободно источать в место высокочастотные гармоники, что не дает отражений в полосы.
Набросок 5. Коническая линия
Индуктивность перегрузки быть может уменьшена некими конструктивными приемами, что сделает лучше КСВН системы на средних частотах. Таковая эталонная установка может применяться для калибровки СИ с временем нарастания переходной свойства до 40 пс [6].
1.5 Эталонные установки для проигрывания ЭМИ в Рф
В Рф принципы сотворения установок для проигрывания эталонных импульсных электронных и магнитных полей (электромагнитных импульсов — ЭМИ) были сформулированы А.А. Соколовым еще на рубеже 1970-80-х годов в работе [8]. Предложено создавать калибровку и поверку измерительных преобразователей массивных ЭМИ (напряженностью сотки киловольт на метр в наносекундном и субнаносекундном спектре) в полеобразующих системах типа прямоугольного коаксиала (ТЕМ-ячейках), где воспроизводятся ступенчатые (либо близкие к ступенчатым по форме) быстронарастающие эталонные ЭМИ. На базе данного подхода в 1985 году был сотворен Муниципальный первичный особый идеал единиц наибольших напряженностей импульсных электронного и магнитного полей ГЭТ 148. Для проигрывания массивных однократных эталонных импульсов употребляется ТЕМ-ячейка наносекундного спектра (ПС-1), возбуждаемая генератором с емкостным накопителем и искровым газонаполненным разрядником. Данная полеобразующая система представляет собой отрезок полосы передачи типа прямоугольного коаксиала, имеющий согласованную распределенную нагрузку на конце (cм. набросок 6).
В межэлектродный зазор полеобразующей системы помещается калибруемое либо поверяемое средство измерений. Амплитуда эталонных ЭМИ в ПС-1 может составлять до 200 кВ/м (530 А/м) при продолжительности фронта до 8 нс. Также полеобразующая система ПС-1 может возбуждаться генератором циклических ступенчатых импульсов с накопителем на длинноватых линиях. Продолжительность фронта таковых эталонных ЭМИ амплитудой до 100 кВ/м (260 А/м) составляет не наиболее 1 нс.
Набросок 6. Полеобразующая система ПС-1 образца ГЭТ 148: 1 — центральная секция (h=0,48 м); 2 — боковые секции (h=0,24 м); 3 — согласующая перегрузка; 4 — газонаполненный разрядник; 5 — конденсаторный накопитель; 6 — провода, образующие боковые стены; 7 — центральный электрод; 8 — противокоронные электроды; 9 — рабочие зоны
В 1993 году в состав образца была включена субнаносекундная полеобразующая система ПС-2 (см. набросок 7), улучшенная в 2013 году. Она представляет собой синфазно возбуждаемую двухпроводную линию в экране. С 1-го конца ПС-2 размещен входной разъем, а с другого — перегрузка. Улучшение ячейки в 2013 году позволило расширить спектр проигрывания единиц до 300 кВ/м.
Набросок 7. Полеобразующая система ПС-2 образца ГЭТ 148 (1993 год)
1.6 Выводы по разделу
Для калибровки измерительных преобразователей напряженности электронного и магнитного полей употребляются разные типы электродинамических структур (полеобразующие системы), построенные на базе отрезков линий передач. К ним относятся ТЕМ-ячейка, GTEM-ячейка, плоская двухпроводная линия, коническая линия и остальные. В итоге анализа определены главные недочеты данных структур, ограничивающие их применение в спектре сотен киловольт на метр при субнаносекундных длительностях фронта импульсов.
Во-1-х, во всех системах с плоскими возможными электродами велико воздействие краевого эффекта — сгущение силовых линий к краю электрода. Это нарушает однородность поля в рабочей зоне и приводит к значимой погрешности калибровки. ТЕМ-ячейка не владеет достаточной широкополосностью и электронной прочностью. В GTEM ячейке может быть воспроизводить массивные поля в частотном спектре до 20 ГГц, но неоднородность поля на больших частотах добивается ±4 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений), что неприемлемо. В конической полосы затруднена калибровка измерительных преобразователей значимой протяженности.
Для проигрывания массивных субнаносекундных эталонных ЭМИ многообещающей является ТЕМ-ячейка на базе двухпроводной полосы в экране, в первый раз включенная в состав образца ГЭТ 148 в 1993 году и улучшенная в 2013 году. Предложено сделать вторичный идеал на базе данной электродинамической структуры, доработав его с учетом электронной прочности и широкополосности, нужной для проигрывания ЭМИ с амплитудой 300 кВ/м при продолжительности фронта до 100 пс.
2. Определение структуры эталонного источника массивных субнаносекундных электромагнитных импульсов
2.1 Требования к чертам эталонного источника ЭМИ
Для калибровки (поверки) новейших типов средств измерений характеристик ЭМИ (к примеру, электрооптических), нужно воспроизводить эталонные ступенчатые электронные и магнитные поля субнаносекундной продолжительности большенный амплитуды. Для этого эталонный источник массивных субнаносекундных ЭМИ должен иметь последующие метрологические свойства:
— наибольшая напряженность импульсного электронного поля — 300 кВ/м;
— наибольшая напряженность импульсного магнитного поля — 800 А/м;
— продолжительность фронта импульсов, не наиболее — 100 пс;
— расширенная неопределенность, не наиболее — 7%.
Вторичный идеал целенаправлено выстроить на базе полеобразующей системы ПС-2 из состава ГЭТ 148. Разрабатываемая полеобразующая система обязана содержать входной частотный разъем, обеспечивающий электронную крепкость при напряжениях 20-40 кВ. Не считая того, нужно прирастить длину перехода от конического узла ввода к плоскопараллельной рабочей зоне и дальше к перегрузке, что приведёт к значимым уменьшениям искажений на фронте и верхушке воспроизводимых импульсов поля. При всем этом нужно обеспечить достаточную электронную крепкость всех узлов и широкополосность.
2.2 Выбор принципной схемы и структуры
2.2.1 Конфигурация и принципы построения субнаносекундной полеобразующей системы
из состава работающего образца ГЭТ 148-2009 являются более хорошими для проигрывания электромагнитного поля с субнаносекундной продолжительностью фронта и могут быть взяты за базу для сотворения высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы эталонного источника (ЭИ). При всем этом полеобразующая система ЭИ будет возбуждаться при помощи генератора импульсов напряжения с амплитудой Uген ~ 25 кВ и вследствие этого нужно создать новейшие узлы и элементы ПС.
Предлагаемая принципная схема эталонного источника приведена на рисунке 8.
Набросок 8. Предлагаемая принципная схема эталонного источника
Опыт эксплуатации ГСЭ ГЭТ 148-2009 при проведении исследовательских работ метрологических черт разных типов средств измерений, имеющих различные габаритные размеры, показал, что межэлектродный зазор в ПС целенаправлено избрать равным h = 0,074 м. Это обеспечит как нужную точность измерений, так и применимые габаритные размеры полеобразующей системы.
Для роста полезного размера рабочей зоны при сохранении требуемой неоднородности поля систему ПС предлагается выполнить симметричной (в поперечном сечении), при всем этом центральный электрод ПС предлагается выполнить в виде многотрубчатой конструкции, а земельный — в виде плоскости.
Таковым образом, при использовании обозначенной конфигурации, в центральной части рабочей зоны ПС, где поле однородно, будут воспроизводиться импульсные электронное и магнитное поля с последующими наивысшими значениями:
ЕЭИ = Uген / h = 25 кВ / 0,074 м ? 330 кВ/м,
НЭИ = ЕЭИ / 120Чр = 330 кВ / 120 Ч 377 ? 850 А/м,
что соответствует требованиям по наибольшей напряженности воспроизводимых импульсных электронного и магнитного полей.
установка будет генерировать ступенчатые импульсы электронного поля с продолжительностью в 10-ки наносекунд. Продолжительность фронта импульса электромагнитного поля будет определяться продолжительностью фронта импульса напряжения на выходе возбуждающего генератора и составит не наиболее 100 пс. свойства воспроизводимого электромагнитного поля будут определяться при помощи измерительного преобразователя напряженности импульсного электронного поля типа ИППЛ-Л.
Беря во внимание требования п.2.1, результаты разработки и эксплуатации ГСЭ ГЭТ 148-2009 и опыт, скопленный во ВНИИОФИ при разработке эталонных комплексов, предлагается последующее.
1. Полеобразующую систему новейшего образца выполнить на базе ТЕМ-ячейки с расщепленным возможным электродом. Межэлектродный зазор рабочей зоны принять равным h = 0,074 м.
2. Для подключения возбуждающих высоковольтных генераторов импульсного напряжения создать систему и сделать с учетом конструктивных особенностей имеющейся ПС узел согласования полеобразующей системы поверочной установки (образца) и генераторов.
3. Для обеспечения способности реализации разных режимов работы и проигрывания импульсов напряженностей электронного и магнитного полей различной продолжительностью провести обзор и избрать генератор высоковольтных импульсов высочайшего напряжения ступенчатой формы и разглядеть варианты использования обычных генераторов повторяющихся импульсов низкого напряжения.
4. Для поглощения мощности электромагнитного импульса на выходе ПС создать распределенную нагрузку, выполненную на базе твердотельных высоковольтных резисторов (типа ТВО, нихрома либо подобных), состоящую из нескольких цепочек. Цепочки должны быть размещены вдоль силовых линий электронного поля ТЕМ волны, плотность их распределения обязана быть пропорциональна плотности силовых линий электронного поля.
2.2.2 Требования к узлу согласования полеобразующей системы поверочной установки (образца) и генератора
Узел согласования полеобразующей системы поверочной установки (образца) и генератора состоит из 2-ух частей:
— высоковольтный частотный разъем для подключения генератора (входной высоковольтный (50 кВ) узел коаксиально-рупорного перехода с полосой не наименее 6 ГГц);
— волновой распределенный переход от входного разъема к рабочей зоне полеобразующей системы (рупорный переход с элементами для корректировки волнового сопротивления).
Основное требование к узлу согласования полеобразующей системы поверочной установки (образца) и генератора антенной системы — конвертировать импульс напряжения, поступающий от генератора импульсов высочайшего напряжения субнаносекундной продолжительности в импульс поля в рабочей зоне полеобразующей системы без искажений. При этом на фронтовой части импульс поля в рабочей зоне ПС должен очень повторять фронт импульса напряжения на выходе генератора. Но на практике неминуемы утраты в узле согласования. Это приводит к повышению продолжительности фронта импульса поля в ПС по отношению к фронту импульса возбуждения. В импульсных измерениях для описания схожих действий употребляют понятие «переходная черта» — отклик на ступенчатый сигнал. Разумеется, что переходная черта узла согласования обязана быть не наиболее времени нарастания 70 пс.
Одним из главных требований к узлу согласования является также требование по обеспечению электронной прочности его конструкции. Оно определяется тем, что на его вход будут подаваться импульсы с амплитудой Uген ~ 25 кВ, что просит принятия особых мер по предотвращению пробоев по изоляции и высоковольтным частям узла ввода.
Для подключения полупроводникового генератора разработан высоковольтный частотный разъем. Данный разъем различается малым значением времени нарастания переходной свойства Тпх ~ 40пс, также высочайшей электронной прочностью и «гибкостью» конструкции, позволяющей адаптировать его к разным условиям эксплуатации. Допустимая амплитуда входного напряжения составляет не наименее 50 кВ.
время нарастания переходной свойства также определяется длиной конического перехода, также степенью согласования его исходной части с входным коаксиальным разъемом. Экраны конического перехода и рабочей части ячейки соединяются под неким углом, величина которого определяется длиной перехода. Чем острее этот угол, тем больше переизлучение и отражение распространяющего импульса на данном извиве, что, в свою очередь, приводит к затягиванию его фронта. очень длиннющий переход сделать также проблемно, потому что в таком случае требуются крепления и поддержки, представляющие доп неоднородности в тракте полеобразующей системы. Длина перехода определена методом математического моделирования переходных действий во временной области способом «данных токов». Она составила L = 460 мм от верхушки конусов до соединения с рабочей частью.
2.2.3 Обзор вариантов возбуждающих вариантов генераторов
В истинное время употребляются генераторы импульсов напряжений 2-ух типов: полупроводниковые и искровые с масляной и газовой изоляцией.
Во ВНИИОФИ накоплен значимый опыт по разработке массивных однократных и частотных масляных искровых генераторов нано — и субнаносекундного спектра с выводом сигнала на антенное устройство (имитаторы ЭМИ «Репер-Р», 1978г. и «Актив», 1992 г.) [9]. В отличие от генераторов, разработанных в США (Соединённые Штаты Америки — работу в течение рабочего денька. Это достигается непрерывной чисткой масла в процессе работы генератора и регулировкой зазоров разрядников. Чистка масла делается как от жестких, так и от газообразных товаров разряда. Разработана аппаратура глубочайшей чистки и регенерации масла в стационарных критериях, что дозволяет производить его повторное внедрение. Необходимо подчеркнуть, что не считая качественной изоляции масляная система сразу решает другую самую важную делему массивных частотных генераторов — съем тепла с активных частей генератора. Продолжительность фронта генерируемых импульсов разработанных генераторов лежит поблизости значения 0,3 нс, наибольшая частота следования — до 1 кГц и наибольшая достигнутая импульсная мощность при частоте 700 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) составляет 1 ГВт.
Главные недочеты масляных искровых генераторов — разложение масла и эрозия электродов, что ограничивает ресурс и усложняет эксплуатацию разрядника. нужно сдвигать электроды разрядника, временами их поменять. Достоинства — компактность и безупречное остывание электродов.
Для заслуги тех же результатов по продолжительности фронта и амплитуде сигнала газовые искровые генераторы должны работать при давлении газа до 100 атм. Достоинства — отсутствие эрозии электродов и деградации изоляционной среды (при использовании водорода). Недочеты — отсутствие действенного теплосъема и массивность конструкции.
Перспективы у искровых генераторов с масляной и газовой изоляцией на долгосрочную работу в частотном режиме нет.
Наиболее 25 лет вспять в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) под управлением А.Ф. Кардо-Сысоева была начата разработка новейшего типа полупроводниковых ключей на базе кремния — дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [10]. генератор, использующий дрейфовые приборы вместе с индуктивными накопителями, дозволяет создавать импульсы высочайшего напряжения наносекундной продолжительности амплитудой в 10-ки киловольт. Дальше при помощи полупроводникового обострителя формируется фронт импульса продолжительностью порядка 0,1 — 0,2 нс. Диапазон импульса при всем этом близок к равномерному до частот в несколько гигагерц. Принцип деяния диодного обострителя таковой же, как у искровых разрядников. При превышении порогового уровня подаваемого на их напряжения происходит лавинообразное переключение устройства в проводящее состояние с низким сопротивлением.
Скопление энергии происходит при малых уровнях первичного напряжения. Высочайшее напряжение возникает на перегрузке лишь на куцее время импульса, что значительно наращивает ресурс устройства. Ресурс этих ключей лежит в области 1011 импульсов, что при частоте 1 кГц соответствует наработке на отказ в течение 30000 часов.
Группа исследователей под управлением В.М. Ефанова («НПАО ФИД-разработка«) разработала новейшие кремниевые переключатели с большенными уровнями рабочих напряжений. Сначала 2000-х годов импульсная мощность генератора на базе 1-го полупроводникового ключа составляла 10-ки мегаватт, а фронт при использовании полупроводникового обострителя достигал 0,2 нс. В истинное время импульсная мощность генератора на базе 1-го полупроводникового ключа приближается к значению 0,2 ГВт, а продолжительность фронта при использовании полупроводникового обострителя составляет порядка 0,1 нс. 2-ое очень принципиальное достижение: при амплитуде 10-50 кВ в интервале частот 0-10 кГц выходное напряжение генератора различается исключительной стабильностью по амплитудно-временным чертам. Массогабаритные свойства также замечательны. генератор с рабочим напряжением до 25 кВ и частотой 1 кГц имеет вес ~ 4 кг при габаритах ~ 40 200 100 мм.
Беря во внимание неминуемые трудности, возникающие при работе с искровыми генераторами и неуввязками, связанными с их эксплуатацией в течение долгого времени, а, основное, беря во внимание непостоянность амплитудно-временных характеристик импульсов напряжения на их выходе, что совсем неприемлемо в работе эталонной установки, остановимся на выборе полупроводникового генератора.
Выберем амплитуду импульса напряжения генератора с припасом Uген= 25 кВ с продолжительностью фронта ~ 90 пс. Данные значения напряжения и продолжительности фронта являются достижимыми при выполнении генератора в полупроводниковом варианте.
2.3 Выводы по разделу
Определены требования к метрологическим чертам эталонного источника массивных субнаносекундных ЭМИ: амплитуда воспроизводимых импульсов — 300 кВ/м (800 А/м) при продолжительности фронта импульсов до 100 пс. Расширенная неопределенность обязана составлять не наиболее 7 %.
Определен состав эталонного источника, включающий полеобразующую систему на базе ТЕМ-ячейки с расщепленным возможным электродом и возбуждающий генератор высоковольтных импульсов на базе полупроводникового ключа. Выходное напряжение генератора импульсов — 25 кВ, форма импульсов — ступенчатая.
Предложено сделать высоковольтную полеобразующую систему, используя результаты, приобретенные в процессе разработки и эксплуатации системы ПС-2 из состава ГЭТ 148. В конструкции новейшей ячейки с учетом требований к широкополосности и электронной прочности должны быть переработаны узлы ввода, увеличена длина переходных секций, разработана новенькая распределенная перегрузка. Опосля этого нужен провести теоретический анализ картины распределения поля в сечении ячейки.
3. Разработка высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы
В согласовании с принципной схемой эталонного источника в его состав входят высоковольтная субнаносекундная полеобразующая система и генератор импульсов высочайшего напряжения. На основании разработанной структурной схемы эталонного источника (см. раздел 2) и подготовительных расчетов было проведено проектирование и разработана система высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы эталонного источника для проигрывания электромагнитных импульсов амплитудой до 300 кВ/м и продолжительностью фронта не наиболее 100 пс. Структурная схема высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы эталонного источника приведена на рисунке 9.
Набросок 9. Структурная схема высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы эталонного источника
3.1 Расчет распределения электронного и магнитного полей в рабочем объеме полеобразующей системы
При помощи интерактивной системы моделирования двумерных краевых задач способом конечных частей «ELCUT» был проведен расчет напряженности электронного поля в рабочей зоне полеобразующей системы. При построении модели полеобразующей системы на внутренних и наружных границах области задачки учитывались граничные условия Дирихле, задающие на части границы (возможный электрод ПС) узнаваемый электронный потенциал U0 = 1 В. Результаты расчета приведены на рисунке 10.
Расчет проводился при последующих размерах частей полеобразующей системы (размеры приведены для полного сечения): ширина земельного электрода — 420 мм; расстояние меж земельными электродами — 166 мм; поперечник центрального электрода (всякого) — 50 мм; расстояние меж элементами центрального электрода — 108,5 мм.
Набросок 10. Результаты расчета напряженности электронного поля в рабочей зоне полеобразующей системы
При данных критериях, напряженность электронного поля в рабочей зоне полеобразующей системы составляет 13,5 В/м. Таковым образом, при амплитуде импульсов возбуждающего генератора порядка 25 кВ, напряженность электронного поля в ячейке составит 337 кВ/м, что соответствует требованиям, сформулированным в п.2.1 Наибольшая амплитуда магнитного поля составит 893 А/м.
3.2 Разработка и согласование узлов высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы
Изометрические проекции конструктивных узлов разработанной полеобразующей системы приведены на рисунке 11.
Набросок 11. Изометрическая системы показан на рисунке 12. Длина перехода определена в итоге математического моделирования переходных действий во временной области способом данных токов [11] и составила 460 мм от вершин конусов до соединения с рабочей частью. Длина перехода составляет 460 мм. Опосля проведения сборочных работ были выполнены настроечные и юстировочные работы, по окончании которых проведены измерительные и калибровочные работы, показавшие, что сделанная высоковольтная субнаносекундная полеобразующая система с учетом данных геометрических отклонений соответствует требованиям разработанной конструкторской документации, и дальше могут быть проведены исследования ее метрологических черт с внедрением низковольтных тестовых генераторов импульсов.
Набросок 12. Входной разъем и конический переход полеобразующей системы
В согласовании с разработанными требованиями на данном шаге работы вместе с компанией ЗАО «НПО (Научно-производственное объединение, также научно-производственное предприятие — организация любой организационно-правовой формы, проводящая научные исследования и разработки) «ФИД-техника» г. Санкт-Петербург, являющейся на нынешний денек фаворитом в области разработки и производства высоковольтной полупроводниковой техники, был разработан генератор высоковольтных импульсов амплитудой до 25 кВ с продолжительностью фронта до 100 пс ГИВН-20-0,1.
В согласовании с разработанными требованиями генератор ГИВН-20-0,1 выполнен в едином законченном конструктивном корпусе, включающем высоковольтный модуль, блоки управления режимами работы, блоки питания, также оконечный формирователь-обостритель фронта импульса субнаносекундного спектра. Наружный вид разработанного генератора показан на рисунке 13.
Набросок 13. Наружный вид разработанного генератора высоковольтных импульсов амплитудой до 25 кВ с продолжительностью фронта до 100 пс: а) лицевая сторона, б) оборотная сторона, в) выходной разъем
На лицевой стороне генератора ГИВН-20-0,1 размещен высоковольтный 50_омный разъем с интегрированным полупроводниковым обострителем фронта импульсов напряжения (см. набросок 13в). Полупроводниковый обостритель фронта импульсов напряжения предназначен для уменьшения продолжительности фронта импульсов напряжения, сформированных генератором высоковольтных импульсов до субнаносекундных значений. Как и задано, обостритель размещен на лицевой панели генератора в объеме выходного высоковольтного частотного 50-омного разъема сечением 30 мм и встроен в него и не может употребляться раздельно от генератора.
Таковая конфигурация нужна для минимизации количества резьбовых сочленений и уменьшения высокочастотных утрат, также для улучшения термический обстановки при работе обострителя. На выходе разъема формируются импульсы напряжения с субнаносекундной продолжительностью фронта и данными чертами. На задней панели генератора размещены органы управления и включения генератора.
3.3 Разработка компаратора для передачи единиц
На рис.14 показаны значения напряженности электронного поля Е на различном расстоянии х от заземленного электрода при разности потенциалов на электродах 1 В (начало правосторонней системы координат на краю заземленного электрода).
Набросок 14. Зависимость напряженности электронного поля Е в сечении системы от расстояния х от заземленного электрода
Расчеты выполнены в программке ELCUT. На рис.14 условно выделены две области: А — на расстоянии x1 = 185 мм от края заземленного электрода и Б — по его центру (x2 = 210 мм). В области А можно отметить слабенькую зависимость Е от координаты y, т.е. от высоты над заземленным электродом, а в области Б свойственна слабенькая зависимость от x. Для передачи единиц нужно использовать компаратор, представляющий из себя измерительный преобразователь напряженности импульсного электронного (магнитного) поля [12]; его можно расположить как в области А, так и в области Б. Но в области А смещение компаратора на несколько мм относительно точки x1 = 185 мм приведет к сильному изменению напряженности Е, потому что область А размещена на участках кривых с большенный крутизной. Зависимость от ординаты в данном случае несущественна, так как компаратор имеет определенную высоту. В области Б периодическая погрешность, сплетенная с некорректностью расположения компаратора в рабочей зоне, много ниже даже при значимой высоте компаратора. В данной области кривые напряженности поля имеют наименьшую крутизну, потому конкретно в ней целенаправлено располагать компаратор; по определению , где Uвх — разность потенциалов на электродах полеобразующей системы; dэф — действенный зазор меж электродами, по результатам расчета dэф = 0,074 мм.
Компаратор, помещенный в систему, уменьшает dэф, как следует, растут напряженности эталонных электронного и магнитного полей. Потому при передаче единицы нужно вводить поправочный коэффициент б, связывающий сигнал на выходе компаратора в вольном пространстве и в полеобразующей системе. электронного и магнитного полей [13]. Определение поляризуемости тела случайной формы является сложной вычислительной задачей. В [10] приведено подтверждение, что поляризуемость проводящего вписанного тела меньше поляризуемости описанного, а поэтому, вписав измерительный преобразователь случайной формы в некую ординарную геометрическую фигуру (куб, сферу, цилиндр и проч.) с известной поляризуемостью, можно получить оценку сверху. Потому что для передачи единицы от первичного образца вторичным (рабочим) стандартам будет употребляться компаратор известной конструкции, то коэффициент можно вычислить при помощи моделирования в программке ELCUT.
Набросок 15. Зависимость напряженности электронного поля в сечении ВСПС, когда в нее помещен компаратор (показана половина сечения): 1 — подложка, 2 — экран, 3 — диэлектрик, 4 — возможный элек-трод, 5 — крышка
Компаратор — это отрезок микрополосковой полосы с согласованными перегрузками на его концах. В таблице 1 приведены свойства слоев микрополосковой полосы (рис.15), использованные в расчете ( — диэлектрическая проницаемость материала).
Таблица 1
свойства компаратора
Номер слоя
Слой
Толщина, мм
Ширина, мм
Материал
1
Подложка
10,0
60,0
Алюминий
2
Экран
0,035
60,0
Медь
3
Диэлектрик
2,0
60,0
Стеклотекстолит, е = 4,5
4
Возможный электрод
0,035
3,5
Медь
5
Крышка
8,0
60,0
Оргстекло, е = 3,5; ширина паза 22 мм над полосковой линией, высота паза 7 мм
Коэффициент преобразования компаратора К связывает напряжение на его выходе Uвых с напряженностью измеряемого электронного поля Е:
Согласно рис.14 наибольшая напряженность электронного поля по оси Х составляет Е = 13,6 В/м. На рис.15 показано распределение электронного поля в сечении полеобразующей системы, когда в нее помещен компаратор, при всем этом Eэф = 12,8 В/м. Напряжение на выходе компаратора соединено с Еэф через коэффициент преобразования Кп
Тогда при передаче единицы вторичному образцу коэффициент К компаратора (в вольном пространстве) определяется из выражения
Определенные размеры компаратора, для работы в субнаносекундном спектре можно высчитать последующим образом. На рисунке 16 условно показана система первичного измерительного преобразователя с воздушной частью [14].
Набросок 16. Система измерительного преобразователя на базе полосковой полосы с воздушной частью
Условно тракт полосковой полосы можно поделить на два участка: воздушный (е = 1) и с диэлектрическим наполнением (е > 1). На концах полосковой полосы находятся согласованные перегрузки Z1 = Z2 = 50 Ом, при этом перегрузка Z1 при измерениях практически является входным сопротивлением регистратора. С одной стороны, полосковая линия обязана быть согласована с данными перегрузками, другими словами ее волновое сопротивление на всех участках обязано составлять W1 = W2 = 50 Ом (W1 и W2 — волновые сопротивления воздушного и заполненного диэлектриком участков). С иной стороны, переходная черта преобразователя обязана иметь ровненькую верхушку, без скачков в течение продолжительности временного окна, определяемого временем двойного пробега сигнала по полосковой полосы. Это значит, что при помещении преобразователя в измеряемое электромагнитное поле в месте соединения воздушного и заполненного диэлектриком участков не обязано происходить скачка напряжения за счет разности высоты размещения потенциального электрода над подложкой (d1 и d2 на рисунке 16 соответственно). Отыскать рациональные соотношения, можно изменяя геометрические размеры (ширину и высоту размещения) потенциального электрода.
Соответственно, для производства первичного измерительного преобразователя нужно найти последующие характеристики:
— w1 — ширину потенциального электрода воздушного участка;
— w2 — ширину потенциального электрода диэлектрического участка;
— d1 — высоту размещения потенциального электрода воздушного участка над подложкой;
— d2 — высоту размещения потенциального электрода диэлектрического участка над подложкой.
При расчетах будем учесть, что диэлектрический участок выполнен из стеклотекстолита СФ-2-35, другими словами толщина диэлектрика d2 = 1 мм, толщина фольги h2 = 0,035 мм, относительная диэлектрическая проницаемость е2 = 4,8. Возможный электрод воздушного участка выполнен из бронзовой фольги шириной h1 = 0,2 мм, относительная диэлектрическая проницаемость соответственно е1 = 1.
Высота диэлектрического участка определяется шириной стеклотекстолитового листа, потому в данном случае нужно высчитать лишь ширину потенциального электрода. Считая толщину полосы h2 малой по сопоставлению с d2, волновое сопротивление микрополосковой полосы можно отыскать по формуле (1) [15].
В таблице 2 приведены результаты вычисления волнового сопротивления W2 при разных значениях ширины w2. Волновому сопротивлению W2 = 50 Ом соответствует ширина полосы w2 = 1,8 мм.
Таблица 2
Расчет волнового сопротивления полосковой полосы
w2, мм
W2, Ом
w2, мм
W2, Ом
1,0
65.94
2,0
46, 19
1,1
63.20
2,1
44,87
1,2
60.69
2,2
43,62
1,3
58.37
2,3
42,45
1,4
56.24
2,4
41,33
1,5
54.26
2,5
40,28
1,6
52.42
2,6
39,28
1,7
50.70
2,7
38,33
]]>