Введение 3
1. Волны в передающих линиях 5
1.1. Главная волна 5
1.2. Коаксиальная линия 7
1.3. Поток энергии в передающих линиях 9
1.4. Коэффициенты отражения и поглощения 9
2. Измерение импульсов 13
2.1. Измерение импульсных токов 13
3. Экспериментальная часть 20
3.1. Описание эксперимента 20
3.2. Учёт потерь в кабеле 22
3.3. Результаты 23
3.4. Точность измерения энерговклада 25
Выводы 28
Список использованной литературы 29
Интерес к высоковольтным импульсным разрядам и их применениям не уменьшается уже несколько десятилетий. Связано это с тем, что именно с помощью импульсного высоковольтного разряда можно создать плазму с высокими значениями электрического поля и наработать значительное количество радикалов, возбужденных частиц и ионов без существенного нагрева газа [1]. К тому же, высоковольтным импульсам наносекундной длительности было найдено широкое применение: от создания
полупроводниковых квантовых генераторов с электронным возбуждением и газовых лазеров с импульсным питанием до управления пучками электронов в ускорителях и исследования разряда в газе, вакууме и в твёрдых диэлектриках [2].
Вопрос о возможности вложения в плазму энергии с максимальной эффективностью давно является предметом многочисленных исследований. Хорошее понимание вклада и распределения энергии в импульсном разряде представляет большой практический интерес, потому что это знание может быть использовано в различных приложениях плазменных технологий [3]. Однако, не смотря на хорошо развитую технику высоковольтных измерений, задача измерения энерговклада сталкивается со значительными трудностями. С одной стороны, сложность состоит в том, что сопротивление разрядного промежутка за время воздействия импульса напряжения может меняться по величине на несколько порядков, поэтому невозможно обеспечить хорошее согласование внутреннего импеданса генератора электрических импульсов с импедансом импульсного разряда. С другой стороны, сложность в том, что при измерении импульсных сигналов с высокими скоростями роста напряжения (~ 1012 - 1013 В/с) возникают искажения измеряемого сигнала в системе диагностики на монтажных ёмкостях и индуктивностях, на измерения влияют значительные электромагнитные наводки, при воздействии на нелинейную нагрузку диссипация энергии происходит с разной скоростью за время воздействия импульса напряжения.
Для определения энергии, поглощенной нелинейной нагрузкой, необходимо измерять напряжение и ток нагрузки, синхронизованные во времени, что не всегда можно сделать в силу конструктивных особенностей того или иного устройства. Однако при достаточно коротких импульсах наносекундной длительности, которые подводятся к нагрузке по передающей линии с постоянным волновым сопротивлением, связь между током и напряжением задается волновым сопротивлением линии, поэтому достаточно измерять только один параметр - ток или напряжение в линии.
Другим важным свойством длинной передающей линии является отражение энергии от несогласованной нагрузки обратно в линию. В случае линий с малым затуханием или достаточно коротких линий, когда потери в линии достаточно малы, а также мало искажение формы наносекундного импульса, можно определить величину энергии, поглощенной в несогласованной нагрузке, если сравнить энергии начального импульса и импульса, отраженного от нагрузки.
Данная работа посвящена исследованию возможности применения бесконтактного метода измерения поглощенной энергии в плазме импульсных электрических разрядов, возбуждаемых импульсами напряжения наносекундной длительности, передаваемых к нелинейной нагрузке по длинной передающей линии.
Сформулируем основные результаты работы.
1. Были зафиксированы осциллограммы тока падающего и отражённого импульсов шунтом тока, находящимся на удалении от нагрузки.
2. Был определён энерговклад и относительный энерговклад одного импульса бесконтактным методом измерения поглощенной энергии в плазме импульсных электрических разрядов, возбуждаемых высоковольтными импульсами напряжения наносекундной длительности, передаваемых к нелинейной нагрузке по длинной передающей линии.
3. Сравнение данной методики с методикой измерения высоковольтных импульсов тока с помощью дискового шунта тока и импульсов напряжения с помощью делителя напряжения, расположенных в нагрузке, показало, что бесконтактным методом измерения можно достаточно точно измерить падающий импульс, и, соответственно, энергию падающего импульса как функцию времени.
4. В ходе работы было показано, что для точной регистрации импульсов тока и напряжения, и, следовательно, для определения параметров энерговвода в плазму, качество сборки шунта тока играет решающую роль. Наличие конечной индуктивности шунта приводит к искажению измеряемого сигнала, что затрудняет расчёт мощности введённой в плазму энергии как функции времени.
В будущем планируется усовершенствование шунта тока, а именно, уменьшение его размеров, а также применение более малогабаритных чип- резисторов для уменьшения внутренней индуктивности шунта.
Также по материалам данной работы готовится статья к конференции AMPL-2017.
