Импульсная формирующая сеть ( PFN ) представляет собой электрическую цепь , которая накапливает электрическую энергию в течение сравнительно длительного времени, а затем высвобождает накопленную энергию в виде относительно прямоугольного импульса сравнительно короткой длительности для различных применений импульсной мощности . В PFN компоненты хранения энергии, такие как конденсаторы , индукторы или линии передачи, заряжаются с помощью источника питания высокого напряжения , затем быстро разряжаются в нагрузку через высоковольтный переключатель , такой как искровой разрядник или водородный тиратрон . Частота повторения варьируется от одиночных импульсов до примерно 10 4 в секунду. PFN используются для создания однородных электрических импульсов короткой длительности для питания таких устройств, как клистронные или магнетронные трубчатые генераторы в радарных установках, импульсные лазеры , ускорители частиц , импульсные лампы и высоковольтное испытательное оборудование.
Большая часть высокоэнергетического исследовательского оборудования работает в импульсном режиме, как для снижения тепловыделения, так и потому, что физика высоких энергий часто происходит в коротких временных масштабах, поэтому большие PFN широко используются в высокоэнергетических исследованиях. Они использовались для создания импульсов наносекундной длительности с напряжением до 10 6 –10 7 вольт и током до 10 6 ампер, с пиковой мощностью в диапазоне тераватт, подобно молниям .
PFN состоит из ряда высоковольтных конденсаторов и индукторов для хранения энергии . Эти компоненты соединены между собой как « лестничная сеть », которая ведет себя аналогично длине линии передачи . По этой причине PFN иногда называют « искусственной или синтетической линией передачи ». Электрическая энергия изначально хранится в заряженных конденсаторах PFN с помощью источника питания постоянного тока высокого напряжения. Когда PFN разряжается, конденсаторы разряжаются последовательно, создавая приблизительно прямоугольный импульс. Импульс проводится к нагрузке через линию передачи . PFN должен быть согласован по сопротивлению с нагрузкой, чтобы предотвратить отражение энергии обратно к PFN.
В качестве сети формирования импульсов можно использовать отрезок линии передачи. [1] [2] Это может дать импульсы с существенно плоской вершиной, несмотря на неудобства, связанные с использованием кабеля большой длины.
В простом генераторе импульсов заряженной линии передачи (анимация, справа) отрезок линии передачи, такой как коаксиальный кабель , подключен через переключатель к согласованной нагрузке R L на одном конце, а на другом конце к источнику постоянного напряжения V через резистор R S , который велик по сравнению с характеристическим сопротивлением Z 0 линии. [1] Когда источник питания подключен, он медленно заряжает емкость линии через R S . Когда переключатель замкнут, к нагрузке прикладывается напряжение, равное V /2, заряд, накопленный в линии, начинает разряжаться через нагрузку с током V /2 Z 0 , и скачок напряжения перемещается вверх по линии к источнику. [2] Конец источника линии представляет собой приблизительно разомкнутую цепь из-за высокого R S , [1] поэтому скачок отражается неинвертированным и перемещается обратно по линии к нагрузке. В результате на нагрузку подается импульс напряжения длительностью 2 D / c , где D — длина линии, а c — скорость распространения импульса в линии. [1] Скорость распространения в типичных линиях передачи обычно составляет более 50% скорости света . Например, в большинстве типов коаксиального кабеля скорость распространения составляет примерно 2/3 скорости света, или 20 см/нс.
Высокомощные PFN обычно используют специализированные линии передачи, состоящие из труб, заполненных маслом или деионизированной водой в качестве диэлектрика, чтобы выдерживать высокие энергетические нагрузки. [2]
Недостатком простых генераторов импульсов PFN является то, что поскольку линия передачи должна быть согласована с сопротивлением нагрузки R L для предотвращения отражений, напряжение, сохраняемое на линии, делится поровну между сопротивлением нагрузки и характеристическим сопротивлением линии, поэтому импульс напряжения, подаваемый на нагрузку, составляет только половину напряжения источника питания. [1] [2]
Схема линии передачи, которая обходила указанную выше проблему, производя выходной импульс, равный напряжению источника питания V , была изобретена в 1937 году британским инженером Аланом Блюмлейном [3] и широко используется сегодня в PFN. [1] В генераторе Блюмлейна (анимация справа) нагрузка подключается последовательно между двумя линиями передачи одинаковой длины, которые заряжаются источником постоянного тока на одном конце (обратите внимание, что правая линия заряжается через сопротивление нагрузки). [1] Для запуска импульса переключатель замыкает линию на конце источника питания, заставляя отрицательный скачок напряжения перемещаться в сторону нагрузки. Поскольку характеристическое сопротивление Z 0 линии сделано равным половине сопротивления нагрузки R L , скачок напряжения наполовину отражается и наполовину передается, [1] что приводит к двум симметричным скачкам напряжения противоположной полярности, которые распространяются от нагрузки, создавая между ними падение напряжения V / 2 − (− V / 2) = V на нагрузке. Скачки напряжения отражаются от концов и возвращаются, заканчивая импульс. Как и в других генераторах линий заряда, длительность импульса равна 2 D / c , где D — длина отдельных линий передачи. [1] Второе преимущество геометрии Блюмлейна заключается в том, что коммутационное устройство может быть заземлено, а не расположено на высоковольтной стороне линии передачи, как в типичной заряженной линии, что усложняет электронику запуска.
По команде высоковольтный переключатель передает энергию, накопленную в PFN, в нагрузку. Когда переключатель « срабатывает » (замыкается), сеть конденсаторов и индукторов в PFN создает приблизительно прямоугольный выходной импульс короткой длительности и высокой мощности. Этот мощный импульс становится кратковременным источником высокой мощности для нагрузки.
Иногда между PFN и нагрузкой подключается специально разработанный импульсный трансформатор . Этот метод улучшает согласование импеданса между PFN и нагрузкой, чтобы повысить эффективность передачи мощности . Импульсный трансформатор обычно требуется при управлении устройствами с более высоким импедансом, такими как клистроны или магнетроны, от PFN. Поскольку PFN заряжается в течение относительно длительного времени, а затем разряжается в течение очень короткого времени, выходной импульс может иметь пиковую мощность в мегаватты или даже тераватты.
Комбинацию источника высокого напряжения, PFN, высоковольтного переключателя и импульсного трансформатора (при необходимости) иногда называют « модулятором мощности » или « генератором импульсов ».