Главная База знаний "Allbest" Физика и энергетика Разработка и согласование узлов высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы

Разработка и согласование узлов высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы

Характеристика эталонных установок для воспроизведения электромагнитных импульсов в России. Определение структуры эталонного источника мощных субнаносекундных электромагнитных импульсов. Разработка высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	дипломная работа
Язык	русский
Дата добавления	02.10.2016
Размер файла	1,5 M

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Определения, обозначения и сокращения
Введение
1. Аналитический обзор систем воспроизведения 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 воспроизведения ЭМИ в России
1.6 Выводы по разделу
2. Определение структуры эталонного источника мощных субнаносекундных электромагнитных импульсов
2.1 Требования к характеристикам эталонного источника ЭМИ
2.2 Выбор принципиальной схемы и структуры
2.2.1 Конфигурация и принципы построения субнаносекундной полеобразующей системы
2.2.2 Требования к узлу согласования полеобразующей системы поверочной установки (эталона) 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 электрического 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 характеристик высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы
4.1 Исследуемые характеристики
4.2 Средства экспериментальных исследований
4.3 Методы экспериментальных исследований
4.4 Результаты экспериментальных исследований
4.5 Исследование неопределенности воспроизведения единиц
4.6 Исследование характеристик компаратора
4.7 Выводы по разделу
Заключение
Список использованных источников

Определения, обозначения и сокращения

ЭМИ - электромагнитный импульс

ЯВ - ядерный взрыв

СИ - средство измерений

ИППЛ - измерительный преобразователь на основе полосковой линии

ПС - полеобразующая система

ПХ - переходная характеристика

ГСЭ - государственный специальный эталон

ДДРВ - дрейфовый диод с резким восстановлением

Введение

В результате первых испытаний ядерного оружия были обнаружены новые поражающие факторы, нехарактерные для химических взрывных веществ. Одним из них является электромагнитный импульс (ЭМИ). Напряженности импульсных электромагнитных полей достигают десятков-сотен киловольт на метр и сотен ампер на метр на удалениях от центра взрыва в сотни и даже тысячи километров. ЭМИ ядерного взрыва (ЯВ) и в настоящее время остается практически единственным поражающим фактором, способным выводить из строя современные системы связи и управления на очень большом расстоянии [1]. Оценочные расчеты напряженностей импульсных электромагнитных полей, сопровождающих ядерный взрыв, делались Энрико Ферми еще до первого испытания ядерного оружия в 1945 году.

В 1963 году СССР, США и Великобритания подписали договор о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах: в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Это послужило началом работ по созданию имитаторов воздействующих факторов ядерного взрыва и, в том числе, ЭМИ. В США под руководством К. Баума, начиная с середины 1960-х годов, был создан ряд имитаторов ЭМИ ЯВ (ALECS, ATLAS, ARES и другие). Соответственно, в это же время им предлагаются первые типы средств измерений параметров воспроизводимых в имитаторах ЭМИ: малых электрических и магнитных широкополосных диполей, получивших в англоязычной литературе названия D-dot и B-dot. Широкие исследования средств измерений ЭМИ, методов и средств их калибровки проводятся в Национальном институте стандартов и технологий США (М. Канда, А. Ондрейка, Р. Лоутон), начиная с 1970-х годов. В частности, предложен преобразователь на основе ТЕМ-рупора с распределенной резистивной нагрузкой, а также моноконическая полеобразующая система для калибровки измерительных преобразователей ЭМИ в свободном пространстве.

В СССР в 1978 году под руководством А.А. Соколова создается первый имитатор ЭМИ для калибровки спутниковой аппаратуры регистрации ЯВ. Имитатор представлял собой антенную решетку из 4-х синхронных несимметричных вибраторов высотой 10 м, возбуждаемую искровым генератором с рабочим напряжением до 1 МВ. Аналогов подобного излучателя в мировой практике не было. Впервые был проведен аналитический расчет нестационарного поля излучения подобной структуры с оценкой взаимовлияния вибраторов.

Цикл работ по исследованию излучателей ЭМИ и средств измерений их параметров позволил создать во ВНИИОФИ в 1985 году Государственный первичный эталон единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей. В полеобразующей системе эталона на основе прямоугольного коаксиала (ТЕМ-ячейки) воспроизводились ЭМИ с напряженностями электрического поля до 200 кВ/м и магнитного поля до 500 А/м с фронтами в наносекундном диапазоне [2, 3]. Дальнейшее совершенствование эталона по расширению амплитудно-временного диапазона воспроизведения ЭМИ было обусловлено несколькими причинами. Во-первых, по мере совершенствования излучателей появилась возможность на сравнительно больших расстояниях (десятки и сотни метров) воспроизводить ЭМИ напряженностью десятки и сотни киловольт на метр с фронтами длительностью сотни пикосекунд. Такие ЭМИ эффективно нарушают работу радиоэлектронной аппаратуры и могут быть использованы с террористическими целями [2]. При разработке средств защиты от подобных угроз необходимо проводить испытания, которые должны быть соответствующим образом метрологически обеспечены.

Также наметился прогресс в создании средств измерений импульсных полей на основе оптических кристаллов, в которых реализуются различные электро - и магнитооптические явления: Фарадея, Поккельса, Керра и др. Их достоинство состоит в том, что они не искажают структуру измеряемого поля, а также имеют сравнительно короткое время нарастания переходной характеристики. Во ВНИИОФИ были проведены экспериментальные исследования сверхширокополосного измерительного преобразователя напряженности импульсного электрического поля на основе DAST-кристалла, разработанного в Институте общей физики РАН [4]. Определено, что нижняя граница диапазона измерений такого преобразователя начинается от 1 кВ/м (характерное значение), а время нарастания переходной характеристики составляет десятки пикосекунд. Таким образом, вторая причина актуальности расширения амплитудно-временного диапазона воспроизведения ЭМИ в эталоне ГЭТ 148 заключается в необходимости калибровки новых типов измерительных преобразователей, в частности, электрооптических.

Одним из перспективных применений ЭМИ является зондирование радиопоглощающих материалов и покрытий. Ширина спектра ЭМИ обратно пропорциональна его длительности, а это означает, что, например, при зондировании материала гауссовским импульсом длительностью 10 пс, возможно получить отклик в полосе частот до 40 ГГц. Гауссовский импульс имеет равномерный спектр, однако в некоторых случаях необходимо увеличить чувствительность измерений в области низких частот. Для этого предлагается излучать импульсы трапецеидальной формы при помощи широкополосных плоских биконических диполей (антенн типа "бабочка"). Расчеты показывают, что чем больше длина плеча вибратора, тем больше длительность излучаемого импульса и тем большая доля энергии сосредоточена в области низких частот [5]. Для измерения параметров трапецеидальных зондирующих и отраженных сигналов необходимо использовать средства измерений, имеющие ступенчатую переходную характеристику достаточной длительности (единицы-десятки наносекунд) с временем нарастания десятки-сотни пикосекунд. Соответственно для калибровки подобных средств измерений, необходимы установки для воспроизведения мощных эталонных ЭМИ большой длительности (не менее 10 нс) с субнаносекундной длительностью фронта.

По изложенным выше причинам проходили последовательные усовершенствования эталона в 1993, 2009 и 2013 годах. Целью их было расширение амплитудно-временного диапазона воспроизводимых импульсов. В настоящее время диапазон воспроизведения единиц составляет до 300 кВ/м (800 А/м) при длительности фронта импульсов до 100 пс.

Актуальным является обеспечение научных центров и испытательных лабораторий эталонными источниками ЭМИ для возможности калибровки средств измерений на местах.

Исходя из этого, целью работы является разработка полеобразующей системы вторичного эталона единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей, обеспечивающей воспроизведение единиц в диапазоне до 300 кВ/м (800 А/м) при длительности фронта до 100 пс.

Для этого решены следующие задачи:

1) проведен анализ полеобразующих систем для воспроизведения мощных эталонных ЭМИ субнаносекундной длительности; сформулированы основные требования к метрологическим характеристикам установки для калибровки средств измерений в данном диапазоне;

2) выбрана принципиальная схема и структура эталонного источника мощных субнаносекундных электромагнитных импульсов; проведены теоретические исследования и расчеты полеобразующей системы на основе ТЕМ-ячейки с расщепленным потенциальным электродом;

3) изготовлен макет высоковольтной полеобразующей системы, включающий узел ввода, конические переходы и согласованную нагрузку;

4) проведены экспериментальные исследования метрологических характеристик разработанной высоковольтной полеобразующей системы;

5) разработан и исследован компаратор для передачи единиц на основе полоскового измерительного преобразователя.

высоковольтная субнаносекундная полеобразующая система

Результаты работы могут быть использованы при создании вторичных эталонов единиц напряженности импульсных электрического и магнитного полей.

1. Аналитический обзор систем воспроизведения эталонных импульсов электромагнитного поля

В установках, создающих эталонные электрические и магнитные поля с расчётными характеристиками (напряженностью, длительностью и фронтом) должны определяться следующие основные метрологические характеристики средств измерений (СИ):

- диапазон измерений;

- коэффициент преобразования: отношение амплитуды импульса поля к амплитуде выходного импульса преобразователя;

- время нарастания переходной характеристики;

- длительность переходной характеристики (измеряемое "временное окно").

Общий принцип работы различных типов эталонных установок заключается в создании однородных ступенчатых (или близких к ступенчатым) по форме импульсных электрических и магнитных полей в объеме полеобразующей системы, в которую помещается калибруемый преобразователь. Сложность данной задачи состоит в том, что необходимо создавать эталонные поля большой напряженности (электрического поля - до сотен киловольт на метр), с короткой длительностью фронта - до единиц пикосекунд, большой длительности - минимум единицы-десятки наносекунд, с высокой степенью однородности. При этом в полеобразующей системе должна распространяться ТЕМ-волна, соответственно подходят только двухэлектродные системы (не волноводы).

В стандарте IEEE 1309-2013 "Калибровка измерительных преобразователей электромагнитного поля в диапазоне частот от 9 кГц до 40 ГГц" приводятся основные типы установок для воспроизведения 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);

Главным образом данные установки различаются между собой по амплитудно-временным диапазонам воспроизводимых ЭМИ. Конструкции данных установок предложены в 1970-90-е годы в США К. Баумом, М. Кандой, М. Кроуфордом, и др.

Кроме того, существуют полеобразующие системы для калибровки измерительных преобразователей в свободном пространстве. В данном случае они не рассматриваются, так как не могут обеспечить воспроизведение мощных (напряженностью сотни киловольт на метр) полей.

1.1 ТЕМ-ячейка Кроуфорда

ТЕМ-ячейка была разработана М. Кроуфордом в Национальном Бюро Стандартов (США) в 1973 году. Внешний вид ТЕМ-ячейки показан на рисунке 1. В сечении она представляет собой двухэлектродную систему: плоский потенциальный электрод заключен в прямоугольный экран. На концах ячейки существуют конические переходы, к которым подключаются с одной стороны входной высокочастотный разъем, а с другой - нагрузка. Как правило, геометрические размеры ТЕМ-ячейки выбирают таким образом, чтобы ее волновое сопротивление составляло 50±2 Ом.

Рисунок 1. ТЕМ-ячейка Кроуфорда

Широкополосность ТЕМ-ячейки определяется, главным образом, величиной зазора между потенциальным электродом и экраном: чем меньше это расстояние, тем выше первая резонансная частота. Основные геометрические размеры ТЕМ-ячейки показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Основные 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 длительности фронта импульса порядка 350 пс). Кроме того, имеет место 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 сравнительно низких частотах и при малых напряженностях полей.

Дальнейшие усовершенствования ячейки имели своей целью увеличение рабочего объема и расширение широкополосности в сторону более высоких частот. Для увеличения широкополосности была сделана попытка подавления высокочастотных резонансов ячейки с помощью поглотителей, размещенных на поверхности конических участков. К геометрической разности хода добавилась разность хода, связанная с поглотителями, нарушалась однородность поля. Часть энергии, распространяясь вдоль потенциального электрода, возбуждала более высокие резонансы в рабочем объеме [7].

Многочисленные эксперименты показали, что наибольшая широкополосность достигается при использовании конических линий, нагруженных на нагрузку, распределенную в раскрыве, причем нагрузка комбинированная - резистивная (для низких частот) и поглощающая (для высоких частот).

1.2 GTEM-ячейка

Развитием ТЕМ-ячейки стала GTEM-ячейка (буква G означает Gigahertz, то есть то, что ячейка работает в гигагерцовом диапазоне).

Рисунок 3. GTEM-ячейка

GTEM ячейка представляет собой начальную коническую часть ТЕМ-ячейки в раскрыве которой устанавливается распределенная нагрузка: резистивная для поглощения на низких частотах и из радиопоглощающих материалов для работы на высоких частотах. Центральный электрод подвешивают таким образом, чтобы волновое сопротивление ячейки составляло 50 Ом. Внешний вид GTEM ячейки показан на рисунке 3.

Достоинство GTEM ячейки в том, что она имеет значительно больший рабочий объем, чем ТЕМ-ячейка, без потери широкополосности. В связи с тем, что в тракте GTEM-ячейки нет значительных неоднородностей, диапазон ее рабочих частот простирается до 20 ГГц. Это соответствует возможности воспроизведения ступенчатых импульсов с фронтом порядка 20 пс при рабочем межэлектродном зазоре до 0,5 м и более. Последующие варианты являются, по существу, различными усовершенствованиями GTEM ячейки. Амплитуда выходного сигнала в GTEM ячейке ограничивается электрической прочностью входного разъема. При длительности импульса в несколько наносекунд - это значение не превышает 100 В. Таким образом, при межэлектродном зазоре 0,5 м максимальная напряженность поля составляет ~200 В/м. Решение задачи распределения поля в рабочем объеме GTEM ячейки может быть выполнено строго на частотах до нескольких сотен мегагерц. На высоких частотах неоднородность поля может достигать ±4 дБ [6].

1.3 Плоская двухпроводная линия

Другой электродинамической системой для воспроизведения эталонных импульсных электромагнитных полей является плоская двухпроводная линия (parallel plate transmission line). В рабочей зоне распространяется плоская электромагнитная волна с высокой степенью однородности. Результаты расчета поля в данной полеобразующей системе получены К. Баумом.

С одного конца линии через конический переход подключается возбуждающий генератор, а с другого конца подключают нагрузку. Она может быть сосредоточенной или распределенной в сечении линии. Распределенная (или комбинированная) нагрузка предпочтительней, так как переизлучение на изгибах конических переходных секций ведет к переотражениям волны и, как следствию, размыванию фронта эталонного импульса. Внешний вид полеобразующей системы показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Плоская двухпроводная линия

Для устранения негативного влияния изгибов конических переходов на высоких частотах К. Баумом получено выражение, связывающее длину конического перехода L, угол конической секции и и расстояние между пластинами h:

L = h [cosec (и) - ctg (и)].

Чем меньше расстояние между пластинами и длина конического перехода - тем более широкополосной является данная полеобразующая система. Тем не менее, в такой электродинамической структуре также проявляется краевой эффект.

1.4 Коническая линия

Если использовать в качестве эталонной полеобразующей системы только коническую часть плоской двухпроводной линии, то можно избежать негативного влияния переотражений на изгибах. При этом распределенная нагрузка устанавливается на конце линии (см. рисунок 5).

Распределенная нагрузка может быть выполнена в виде цепочек резисторов, которые при параллельном подключении согласуются с импедансом линии. Промежутки между цепочками резисторов позволяют свободно излучать в пространство высокочастотные гармоники, что не дает отражений в линии.

Рисунок 5. Коническая линия

Индуктивность нагрузки может быть уменьшена некоторыми конструктивными приемами, что улучшит КСВН системы на средних частотах. Такая эталонная установка может применяться для калибровки СИ с временем нарастания переходной характеристики до 40 пс [6].

1.5 Эталонные установки для воспроизведения ЭМИ в России

В России принципы создания установок для воспроизведения эталонных импульсных электрических и магнитных полей (электромагнитных импульсов - ЭМИ) были сформулированы А.А. Соколовым еще на рубеже 1970-80-х годов в работе [8]. Предложено производить калибровку и поверку измерительных преобразователей мощных ЭМИ (напряженностью сотни киловольт на метр в наносекундном и субнаносекундном диапазоне) в полеобразующих системах типа прямоугольного коаксиала (ТЕМ-ячейках), где воспроизводятся ступенчатые (или близкие к ступенчатым по форме) быстронарастающие эталонные ЭМИ. На основе данного подхода в 1985 году был создан Государственный первичный специальный эталон единиц максимальных напряженностей импульсных электрического и магнитного полей ГЭТ 148. Для воспроизведения мощных однократных эталонных импульсов используется ТЕМ-ячейка наносекундного диапазона (ПС-1), возбуждаемая генератором с емкостным накопителем и искровым газонаполненным разрядником. Данная полеобразующая система представляет собой отрезок линии передачи типа прямоугольного коаксиала, имеющий согласованную распределенную нагрузку на конце (cм. рисунок 6).

В межэлектродный зазор полеобразующей системы помещается калибруемое или поверяемое средство измерений. Амплитуда эталонных ЭМИ в ПС-1 может составлять до 200 кВ/м (530 А/м) при длительности фронта до 8 нс. Также полеобразующая система ПС-1 может возбуждаться генератором повторяющихся ступенчатых импульсов с накопителем на длинных линиях. Длительность фронта таких эталонных ЭМИ амплитудой до 100 кВ/м (260 А/м) составляет не более 1 нс.

Рисунок 6. Полеобразующая система ПС-1 эталона ГЭТ 148: 1 - центральная секция (h=0,48 м); 2 - боковые секции (h=0,24 м); 3 - согласующая нагрузка; 4 - газонаполненный разрядник; 5 - конденсаторный накопитель; 6 - провода, образующие боковые стенки; 7 - центральный электрод; 8 - противокоронные электроды; 9 - рабочие зоны

В 1993 году в состав эталона была включена субнаносекундная полеобразующая система ПС-2 (см. рисунок 7), усовершенствованная в 2013 году. Она представляет собой синфазно возбуждаемую двухпроводную линию в экране. С одного конца ПС-2 расположен входной разъем, а с другого - нагрузка. Совершенствование ячейки в 2013 году позволило расширить диапазон воспроизведения единиц до 300 кВ/м.

Рисунок 7. Полеобразующая система ПС-2 эталона ГЭТ 148 (1993 год)

1.6 Выводы по разделу

Для калибровки измерительных преобразователей напряженности электрического и магнитного полей используются различные типы электродинамических структур (полеобразующие системы), построенные на основе отрезков линий передач. К ним относятся ТЕМ-ячейка, GTEM-ячейка, плоская двухпроводная линия, коническая линия и другие. В результате анализа определены основные недостатки данных структур, ограничивающие их применение в диапазоне сотен киловольт на метр при субнаносекундных длительностях фронта импульсов.

Во-первых, во всех системах с плоскими потенциальными электродами велико влияние краевого эффекта - сгущение силовых линий к краю электрода. Это нарушает однородность поля в рабочей зоне и приводит к значительной погрешности калибровки. ТЕМ-ячейка не обладает достаточной широкополосностью и электрической прочностью. В GTEM ячейке возможно воспроизводить мощные поля в частотном диапазоне до 20 ГГц, но неоднородность поля на высоких частотах достигает ±4 дБ, что неприемлемо. В конической линии затруднена калибровка измерительных преобразователей значительной протяженности.

Для воспроизведения мощных субнаносекундных эталонных ЭМИ перспективной является ТЕМ-ячейка на основе двухпроводной линии в экране, впервые включенная в состав эталона ГЭТ 148 в 1993 году и усовершенствованная в 2013 году. Предложено изготовить вторичный эталон на основе данной электродинамической структуры, доработав его с учетом электрической прочности и широкополосности, необходимой для воспроизведения ЭМИ с амплитудой 300 кВ/м при длительности фронта до 100 пс.

2. Определение структуры эталонного источника мощных субнаносекундных электромагнитных импульсов

2.1 Требования к характеристикам эталонного источника ЭМИ

Для калибровки (поверки) новых типов средств измерений параметров ЭМИ (например, электрооптических), необходимо воспроизводить эталонные ступенчатые электрические и магнитные поля субнаносекундной длительности большой амплитуды. Для этого эталонный источник мощных субнаносекундных ЭМИ должен иметь следующие метрологические характеристики:

- максимальная напряженность импульсного электрического поля - 300 кВ/м;

- максимальная напряженность импульсного магнитного поля - 800 А/м;

- длительность фронта импульсов, не более - 100 пс;

- расширенная неопределенность, не более - 7%.

Вторичный эталон целесообразно построить на основе полеобразующей системы ПС-2 из состава ГЭТ 148. Разрабатываемая полеобразующая система должна содержать входной высокочастотный разъем, обеспечивающий электрическую прочность при напряжениях 20-40 кВ. Кроме того, необходимо увеличить длину перехода от конического узла ввода к плоскопараллельной рабочей зоне и далее к нагрузке, что приведёт к существенным уменьшениям искажений на фронте и вершине воспроизводимых импульсов поля. При этом необходимо обеспечить достаточную электрическую прочность всех узлов и широкополосность.

2.2 Выбор принципиальной схемы и структуры

2.2.1 Конфигурация и принципы построения субнаносекундной полеобразующей системы

из состава действующего эталона ГЭТ 148-2009 являются наиболее оптимальными для воспроизведения электромагнитного поля с субнаносекундной длительностью фронта и могут быть взяты за основу для создания высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы эталонного источника (ЭИ). При этом полеобразующая система ЭИ будет возбуждаться с помощью генератора импульсов напряжения с амплитудой U_ген ~ 25 кВ и вследствие этого необходимо разработать новые узлы и элементы ПС.

Предлагаемая принципиальная схема эталонного источника приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Предлагаемая принципиальная схема эталонного источника

Опыт эксплуатации ГСЭ ГЭТ 148-2009 при проведении исследований метрологических характеристик различных типов средств измерений, имеющих разные габаритные размеры, показал, что межэлектродный зазор в ПС целесообразно выбрать равным h = 0,074 м. Это обеспечит как необходимую точность измерений, так и приемлемые габаритные размеры полеобразующей системы.

Для увеличения полезного объема рабочей зоны при сохранении требуемой неоднородности поля конструкцию ПС предлагается выполнить симметричной (в поперечном сечении), при этом центральный электрод ПС предлагается выполнить в виде многотрубчатой конструкции, а земляной - в виде плоскости.

Таким образом, при использовании указанной конфигурации, в центральной части рабочей зоны ПС, где поле однородно, будут воспроизводиться импульсные электрическое и магнитное поля с следующими максимальными значениями:

Е_ЭИ = U_ген / h = 25 кВ / 0,074 м ? 330 кВ/м,

Н_ЭИ = Е_ЭИ / 120Чр = 330 кВ / 120 Ч 377 ? 850 А/м,

что соответствует требованиям по максимальной напряженности воспроизводимых импульсных электрического и магнитного полей.

Установка будет генерировать ступенчатые импульсы электрического поля с длительностью в десятки наносекунд. Длительность фронта импульса электромагнитного поля будет определяться длительностью фронта импульса напряжения на выходе возбуждающего генератора и составит не более 100 пс. Характеристики воспроизводимого электромагнитного поля будут определяться с помощью измерительного преобразователя напряженности импульсного электрического поля типа ИППЛ-Л.

Учитывая требования п.2.1, результаты разработки и эксплуатации ГСЭ ГЭТ 148-2009 и опыт, накопленный во ВНИИОФИ при разработке эталонных комплексов, предлагается следующее.

1. Полеобразующую систему нового эталона выполнить на основе ТЕМ-ячейки с расщепленным потенциальным электродом. Межэлектродный зазор рабочей зоны принять равным h = 0,074 м.

2. Для подключения возбуждающих высоковольтных генераторов импульсного напряжения разработать конструкцию и изготовить с учетом конструктивных особенностей существующей ПС узел согласования полеобразующей системы поверочной установки (эталона) и генераторов.

3. Для обеспечения возможности реализации различных режимов работы и воспроизведения импульсов напряженностей электрического и магнитного полей различной длительностью провести обзор и выбрать генератор высоковольтных импульсов высокого напряжения ступенчатой формы и рассмотреть варианты использования стандартных генераторов периодических импульсов низкого напряжения.

4. Для поглощения мощности электромагнитного импульса на выходе ПС разработать распределенную нагрузку, выполненную на основе твердотельных высоковольтных резисторов (типа ТВО, нихрома или аналогичных), состоящую из нескольких цепочек. Цепочки должны быть расположены вдоль силовых линий электрического поля ТЕМ волны, плотность их распределения должна быть пропорциональна плотности силовых линий электрического поля.

2.2.2 Требования к узлу согласования полеобразующей системы поверочной установки (эталона) и генератора

Узел согласования полеобразующей системы поверочной установки (эталона) и генератора состоит из двух частей:

- высоковольтный высокочастотный разъем для подключения генератора (входной высоковольтный (50 кВ) узел коаксиально-рупорного перехода с полосой не менее 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 (эталона) и генератора антенной системы - преобразовать импульс напряжения, поступающий от генератора импульсов высокого напряжения субнаносекундной длительности в импульс поля в рабочей зоне полеобразующей системы без искажений. Причем на фронтовой части импульс поля в рабочей зоне ПС должен максимально повторять фронт импульса напряжения на выходе генератора. Однако на практике неизбежны потери в узле согласования. Это приводит к увеличению длительности фронта импульса поля в ПС по отношению к фронту импульса возбуждения. В импульсных измерениях для описания подобных процессов используют понятие "переходная характеристика" - отклик на ступенчатый сигнал. Очевидно, что переходная характеристика узла согласования должна быть не более времени нарастания 70 пс.

Одним из основных требований к узлу согласования является также требование по обеспечению электрической прочности его конструкции. Оно определяется тем, что на его вход будут подаваться импульсы с амплитудой U_ген ~ 25 кВ, что требует принятия специальных мер по предотвращению пробоев по изоляции и высоковольтным частям узла ввода.

Для подключения полупроводникового генератора разработан высоковольтный высокочастотный разъем. Данный разъем отличается малым значением времени нарастания переходной характеристики Т_пх ~ 40пс, а также высокой электрической прочностью и "гибкостью" конструкции, позволяющей адаптировать его к различным условиям эксплуатации. Допустимая амплитуда входного напряжения составляет не менее 50 кВ.

Время нарастания переходной характеристики также определяется длиной конического перехода, а также степенью согласования его начальной части с входным коаксиальным разъемом. Экраны конического перехода и рабочей части ячейки соединяются под некоторым углом, величина которого определяется длиной перехода. Чем острее этот угол, тем больше переизлучение и отражение распространяющего импульса на данном изгибе, что, в свою очередь, приводит к затягиванию его фронта. Слишком длинный переход изготовить также затруднительно, так как в таком случае требуются крепления и поддержки, представляющие дополнительные неоднородности в тракте полеобразующей системы. Длина перехода определена путем математического моделирования переходных процессов во временной области методом "заданных токов". Она составила L = 460 мм от вершины конусов до соединения с рабочей частью.

2.2.3 Обзор вариантов возбуждающих вариантов генераторов

В настоящее время используются генераторы импульсов напряжений двух типов: полупроводниковые и искровые с масляной и газовой изоляцией.

Во ВНИИОФИ накоплен значительный опыт по разработке мощных однократных и частотных масляных искровых генераторов нано - и субнаносекундного диапазона с выводом сигнала на антенное устройство (имитаторы ЭМИ "Репер-Р", 1978г. и "Актив", 1992 г.) [9]. В отличие от генераторов, разработанных в США, генераторы ВНИИОФИ передвижные, компактные, с автономным питанием и рассчитаны на непрерывную работу в течение рабочего дня. Это достигается непрерывной очисткой масла в процессе работы генератора и регулировкой зазоров разрядников. Очистка масла производится как от твердых, так и от газообразных продуктов разряда. Разработана аппаратура глубокой очистки и регенерации масла в стационарных условиях, что позволяет осуществлять его повторное использование. Следует отметить, что кроме высококачественной изоляции масляная система одновременно решает другую важнейшую проблему мощных частотных генераторов - съем тепла с активных элементов генератора. Длительность фронта генерируемых импульсов разработанных генераторов лежит вблизи значения 0,3 нс, максимальная частота следования - до 1 кГц и максимальная достигнутая импульсная мощность при частоте 700 Гц составляет 1 ГВт.

Основные недостатки масляных искровых генераторов - разложение масла и эрозия электродов, что ограничивает ресурс и усложняет эксплуатацию разрядника. Необходимо сдвигать электроды разрядника, периодически их менять. Преимущества - компактность и идеальное охлаждение электродов.

Для достижения тех же результатов по длительности фронта и амплитуде сигнала газовые искровые генераторы должны работать при давлении газа до 100 атм. Преимущества - отсутствие эрозии электродов и деградации изоляционной среды (при использовании водорода). Недостатки - отсутствие эффективного теплосъема и массивность конструкции.

Перспективы у искровых генераторов с масляной и газовой изоляцией на длительную работу в частотном режиме нет.

Более 25 лет назад в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) под руководством А.Ф. Кардо-Сысоева была начата разработка нового типа полупроводниковых ключей на основе кремния - дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [10]. Генератор, использующий дрейфовые приборы совместно с индуктивными накопителями, позволяет создавать импульсы высокого напряжения наносекундной длительности амплитудой в десятки киловольт. Далее с помощью полупроводникового обострителя формируется фронт импульса длительностью порядка 0,1 - 0,2 нс. Спектр импульса при этом близок к равномерному до частот в несколько гигагерц. Принцип действия диодного обострителя такой же, как у искровых разрядников. При превышении порогового уровня подаваемого на них напряжения происходит лавинообразное переключение прибора в проводящее состояние с низким сопротивлением.

Накопление энергии происходит при малых уровнях первичного напряжения. Высокое напряжение возникает на нагрузке только на короткое время импульса, что существенно увеличивает ресурс прибора. Ресурс этих ключей лежит в области 10¹¹ импульсов, что при частоте 1 кГц соответствует наработке на отказ в течение 30000 часов.

Группа исследователей под руководством В.М. Ефанова ("НПАО ФИД-Технология") разработала новые кремниевые переключатели с большими уровнями рабочих напряжений. В начале 2000-х годов импульсная мощность генератора на основе одного полупроводникового ключа составляла десятки мегаватт, а фронт при использовании полупроводникового обострителя достигал 0,2 нс. В настоящее время импульсная мощность генератора на основе одного полупроводникового ключа приближается к значению 0,2 ГВт, а длительность фронта при использовании полупроводникового обострителя составляет порядка 0,1 нс. Второе чрезвычайно важное достижение: при амплитуде 10-50 кВ в интервале частот 0-10 кГц выходное напряжение генератора отличается исключительной стабильностью по амплитудно-временным характеристикам. Массогабаритные характеристики также замечательны. Генератор с рабочим напряжением до 25 кВ и частотой 1 кГц имеет вес ~ 4 кг при габаритах ~ 40 200 100 мм.

Учитывая неизбежные трудности, возникающие при работе с искровыми генераторами и проблемами, связанными с их эксплуатацией в течение длительного времени, а, главное, учитывая нестабильность амплитудно-временных параметров импульсов напряжения на их выходе, что совершенно неприемлемо в работе эталонной установки, остановимся на выборе полупроводникового генератора.

Выберем амплитуду импульса напряжения генератора с запасом U_ген= 25 кВ с длительностью фронта ~ 90 пс. Данные значения напряжения и длительности фронта являются достижимыми при выполнении генератора в полупроводниковом варианте.

2.3 Выводы по разделу

Определены требования к метрологическим характеристикам эталонного источника мощных субнаносекундных ЭМИ: амплитуда воспроизводимых импульсов - 300 кВ/м (800 А/м) при длительности фронта импульсов до 100 пс. Расширенная неопределенность должна составлять не более 7 %.

Определен состав эталонного источника, включающий полеобразующую систему на основе ТЕМ-ячейки с расщепленным потенциальным электродом и возбуждающий генератор высоковольтных импульсов на основе полупроводникового ключа. Выходное напряжение генератора импульсов - 25 кВ, форма импульсов - ступенчатая.

Предложено изготовить высоковольтную полеобразующую систему, используя результаты, полученные в ходе разработки и эксплуатации системы ПС-2 из состава ГЭТ 148. В конструкции новой ячейки с учетом требований к широкополосности и электрической прочности должны быть переработаны узлы ввода, увеличена длина переходных секций, разработана новая распределенная нагрузка. После этого необходим провести теоретический анализ картины распределения поля в сечении ячейки.

3. Разработка высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы

В соответствии с принципиальной схемой эталонного источника в его состав входят высоковольтная субнаносекундная полеобразующая система и генератор импульсов высокого напряжения. На основании разработанной структурной схемы эталонного источника (см. раздел 2) и предварительных расчетов было проведено проектирование и разработана конструкция высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы эталонного источника для воспроизведения электромагнитных импульсов амплитудой до 300 кВ/м и длительностью фронта не более 100 пс. Структурная схема высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы эталонного источника приведена на рисунке 9.

Рисунок 9. Структурная схема высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы эталонного источника

3.1 Расчет распределения электрического и магнитного полей в рабочем объеме полеобразующей системы

С помощью интерактивной системы моделирования двумерных краевых задач методом конечных элементов "ELCUT" был проведен расчет напряженности электрического поля в рабочей зоне полеобразующей системы. При построении модели полеобразующей системы на внутренних и внешних границах области задачи учитывались граничные условия Дирихле, задающие на части границы (потенциальный электрод ПС) известный электрический потенциал U₀ = 1 В. Результаты расчета приведены на рисунке 10.

Расчет проводился при следующих размерах элементов полеобразующей системы (размеры приведены для полного сечения): ширина земляного электрода - 420 мм; расстояние между земляными электродами - 166 мм; диаметр центрального электрода (каждого) - 50 мм; расстояние между элементами центрального электрода - 108,5 мм.

Рисунок 10. Результаты расчета напряженности электрического поля в рабочей зоне полеобразующей системы

При данных условиях, напряженность электрического поля в рабочей зоне полеобразующей системы составляет 13,5 В/м. Таким образом, при амплитуде импульсов возбуждающего генератора порядка 25 кВ, напряженность электрического поля в ячейке составит 337 кВ/м, что соответствует требованиям, сформулированным в п.2.1 Максимальная 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.

Рисунок 11. Изометрическая проекция разработанной полеобразующей системы

С одного конца ВСПС установлен конический переход и высоковольтный коаксиальный высокочастотный разъем, а на другом конце - нагрузка из нескольких параллельных цепочек резисторов ТВО общим сопротивлением 50 Ом.

Разработанный, изготовленный и собранный конический переход высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы показан на рисунке 12. Длина перехода определена в результате математического моделирования переходных процессов во временной области методом заданных токов [11] и составила 460 мм от вершин конусов до соединения с рабочей частью. Длина перехода составляет 460 мм. После проведения сборочных работ были выполнены настроечные и юстировочные работы, по завершении которых проведены измерительные и калибровочные работы, показавшие, что изготовленная высоковольтная субнаносекундная полеобразующая система с учетом заданных геометрических отклонений соответствует требованиям разработанной конструкторской документации, и далее могут быть проведены исследования ее метрологических характеристик с использованием низковольтных тестовых генераторов импульсов.

Рисунок 12. Входной разъем и конический переход полеобразующей системы

В соответствии с разработанными требованиями на данном этапе работы совместно с фирмой ЗАО "НПО "ФИД-Техника" г. Санкт-Петербург, являющейся на сегодняшний день лидером в области разработки и изготовления высоковольтной полупроводниковой техники, был разработан генератор высоковольтных импульсов амплитудой до 25 кВ с длительностью фронта до 100 пс ГИВН-20-0,1.

В соответствии с разработанными требованиями генератор ГИВН-20-0,1 выполнен в едином законченном конструктивном корпусе, включающем высоковольтный модуль, блоки управления режимами работы, блоки питания, а также оконечный формирователь-обостритель фронта импульса субнаносекундного диапазона. Внешний вид разработанного генератора показан на рисунке 13.

Рисунок 13. Внешний вид разработанного генератора высоковольтных импульсов амплитудой до 25 кВ с длительностью фронта до 100 пс: а) лицевая сторона, б) обратная сторона, в) выходной разъем

На лицевой стороне генератора ГИВН-20-0,1 расположен высоковольтный 50_омный разъем с встроенным полупроводниковым обострителем фронта импульсов напряжения (см. рисунок 13в). Полупроводниковый обостритель фронта импульсов напряжения предназначен для уменьшения длительности фронта импульсов напряжения, сформированных генератором высоковольтных импульсов до субнаносекундных значений. Как и задано, обостритель расположен на лицевой панели генератора в объеме выходного высоковольтного высокочастотного 50-омного разъема сечением 30 мм и встроен в него и не может использоваться отдельно от генератора.

Такая конфигурация необходима для минимизации количества резьбовых сочленений и уменьшения высокочастотных потерь, а также для улучшения тепловой обстановки при работе обострителя. На выходе разъема формируются импульсы напряжения с субнаносекундной длительностью фронта и заданными характеристиками. На задней панели генератора расположены органы управления и включения генератора.

3.3 Разработка компаратора для передачи единиц

На рис.14 показаны значения напряженности электрического поля Е на различном расстоянии х от заземленного электрода при разности потенциалов на электродах 1 В (начало правосторонней системы координат на краю заземленного электрода).

Рисунок 14. Зависимость напряженности электрического поля Е в сечении системы от расстояния х от заземленного электрода

Расчеты выполнены в программе 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 слабую зависимость Е от координаты y, т.е. от высоты над заземленным электродом, а в области Б характерна слабая зависимость от x. Для передачи единиц необходимо применять компаратор, представляющий собой измерительный преобразователь напряженности импульсного электрического (магнитного) поля [12]; его можно разместить как в области А, так и в области Б. Однако в области А смещение компаратора на несколько миллиметров относительно точки x₁ = 185 мм приведет к сильному изменению напряженности Е, так как область А расположена на участках кривых с большой крутизной. Зависимость от ординаты в данном случае несущественна, поскольку компаратор имеет конкретную высоту. В области Б систематическая погрешность, связанная с неточностью расположения компаратора в рабочей зоне, много ниже даже при значительной высоте компаратора. В этой области кривые напряженности поля имеют меньшую крутизну, поэтому именно в ней целесообразно располагать компаратор; по определению , где U_вх - разность потенциалов на электродах полеобразующей системы; d_эф - эффективный зазор между электродами, по результатам расчета d_эф = 0,074 мм.

Компаратор, помещенный в систему, уменьшает d_эф, следовательно, увеличиваются напряженности эталонных электрического и магнитного полей. Поэтому при передаче единицы необходимо вводить поправочный коэффициент б, связывающий сигнал на выходе компаратора в свободном пространстве и в полеобразующей системе. Значение зависит от тензора поляризуемости измерительного преобразователя электрического и магнитного полей [13]. Определение поляризуемости тела произвольной формы является сложной вычислительной задачей. В [10] приведено доказательство, что поляризуемость проводящего вписанного тела меньше поляризуемости описанного, а потому, вписав измерительный преобразователь произвольной формы в некоторую простую геометрическую фигуру (куб, сферу, цилиндр и проч.) с известной поляризуемостью, можно получить оценку сверху. Так как для передачи единицы от первичного эталона вторичным (рабочим) эталонам будет использоваться компаратор известной конструкции, то коэффициент можно вычислить с помощью моделирования в программе ELCUT.

Рисунок 15. Зависимость напряженности электрического поля в сечении ВСПС, когда в нее помещен компаратор (показана половина сечения): 1 - подложка, 2 - экран, 3 - диэлектрик, 4 - потенциальный элек-трод, 5 - крышка

Компаратор - это отрезок микрополосковой линии с согласованными нагрузками на его концах. В таблице 1 приведены характеристики слоев микрополосковой линии (рис.15), использованные в расчете ( - диэлектрическая проницаемость материала).

Таблица 1

Характеристики 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	Потенциальный 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 U_вых с напряженностью измеряемого электрического поля Е:

Согласно рис.14 максимальная напряженность электрического поля по оси Х составляет Е = 13,6 В/м. На рис.15 показано распределение электрического поля в сечении полеобразующей системы, когда в нее помещен компаратор, при этом E_эф = 12,8 В/м. Напряжение на выходе компаратора связано с Е_эф через коэффициент преобразования К_п

Тогда при передаче единицы вторичному эталону коэффициент К компаратора (в свободном пространстве) определяется из выражения

Конкретные размеры компаратора, для работы в субнаносекундном диапазоне можно рассчитать следующим образом. На рисунке 16 условно показана конструкция первичного измерительного преобразователя с воздушной частью [14].

Рисунок 16. Конструкция измерительного преобразователя на основе полосковой линии с воздушной частью

Условно тракт полосковой линии можно разделить на два участка: воздушный (е = 1) и с диэлектрическим заполнением (е > 1). На концах полосковой линии находятся согласованные нагрузки Z₁ = Z₂ = 50 Ом, причем нагрузка Z₁ при измерениях фактически является входным сопротивлением регистратора. С одной стороны, полосковая линия должна быть согласована с данными нагрузками, то есть ее волновое сопротивление на всех участках должно составлять W₁ = W₂ = 50 Ом (W₁ и W₂ - волновые сопротивления воздушного и заполненного диэлектриком участков). С другой стороны, переходная характеристика преобразователя должна иметь ровную вершину, без скачков в течение длительности временного окна, определяемого временем двойного пробега сигнала по полосковой линии. Это означает, что при помещении преобразователя в измеряемое электромагнитное поле в месте соединения воздушного и заполненного диэлектриком участков не должно происходить скачка напряжения за счет разности высоты размещения потенциального электрода над подложкой (d₁ и d₂ на рисунке 16 соответственно). Найти оптимальные соотношения, можно изменяя геометрические размеры (ширину и высоту размещения) потенциального электрода.

Соответственно, для изготовления первичного измерительного преобразователя необходимо определить следующие параметры:

- 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 учитывать, что диэлектрический участок выполнен из стеклотекстолита СФ-2-35, то есть толщина диэлектрика d₂ = 1 мм, толщина фольги h₂ = 0,035 мм, относительная диэлектрическая проницаемость е₂ = 4,8. Потенциальный электрод воздушного участка выполнен из бронзовой фольги толщиной h₁ = 0,2 мм, относительная диэлектрическая проницаемость соответственно е₁ = 1.

Высота диэлектрического участка определяется толщиной стеклотекстолитового листа, поэтому в данном случае необходимо рассчитать только ширину потенциального электрода. Считая толщину полоски h₂ малой по сравнению с d₂, волновое сопротивление микрополосковой линии можно найти по формуле (1) [15].

В таблице 2 приведены результаты вычисления волнового сопротивления W₂ при различных значениях ширины w₂. Волновому сопротивлению W₂ = 50 Ом соответствует ширина полоски w₂ = 1,8 мм.

Таблица 2

Расчет волнового сопротивления полосковой линии

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