Генерирование мощных наносекундных импульсов на основе полупроводниковых прерывателей тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, доктор технических наук в форме науч. докл. Рукин, Сергей Николаевич

• Рукин, Сергей Николаевич
• доктор технических наук в форме науч. докл.
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук в форме науч. докл. Рукин, Сергей Николаевич

содержание

общая характеристика работы

основное содержание работы

введение

1. физические основы работы мощных полупроводниковых прерывателей тока

1.1. Наносекундный обрыв тока в полупроводниках

1.2. Обнаружение и экспериментальное исследование БОЭ-эффекта

1.3. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре в режиме БОё-эффекта

2. генераторы маркса с полупроводниковым прерывателем тока

2.1. Схемы накачки и выбор параметров прерывателя тока

2.2. Генераторы с промышленными полупроводниковыми диодами

3. генераторы с твердотельной системой коммутации

3.1. Блок-схема генераторов

3.2. Звено магнитной компрессии энергии и его согласование с прерывателем тока

3.3. Установки с твердотельной системой коммутации

3.4. Сравнительный анализ предложенного подхода

4. боэ-диоды: новые приборы для наносекундного обрыва тока в мощных импульсных системах

4.1. Разработка БОв-диодов

4.2. Характеристики ЗОЭ-диодов

5. импульсные генераторы на основе 808-ди0д0в

5.1. Малогабаритные частотные генераторы

5.2. Генератор с напряжением 1 МВ и средней мощностью 30 кВт

5.3. Генератор с субнаносекундным временем обрыва тока

в БОБ-диоде

заключение

литература

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Мощная наносекундная импульсная техника, получившая становление в 60-е годы, традиционно имеет два основных направления своего развития. Первое направление состоит в поиске путей увеличения импульсной мощности и создании установок с максимально возможными величинами импульсного тока и напряжения. Установки этого направления представляют собой уникальные сооружения с рекордно высокими параметрами по импульсной мощности и используются в различных исследовательских программах по инерциальному термоядерному синтезу, получению мощных импульсов лазерного, рентгеновского, нейтронного излучения и т.д. Такие требования к импульсным устройствам, как высокая средняя мощность, частота следования импульсов, срок службы, компактность здесь не являются определяющими.

Второе направление, получившее наиболее интенсивное развитие в последнее десятилетие, связано с технологическим применением мощных наносекундных импульсов. В первую очередь это относится к решению экологических задач по очистке выбросов электрических и тепловых станций, обработке отходов медицины и вредных производств, очистке питьевой воды, стерилизации продукции, а также к созданию новых радиационных технологий. Основой наносекундной импульсной техники в обоих направлениях является генератор мощных импульсов тока и напряжения, энергия которых используется либо непосредственно, либо переводится в энергию соответствующих видов излучения. Для технологических применений наиболее важными характеристиками генераторов становятся высокая частота повторения импульсов и средняя мощность, компактность, надежность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет. Требуемый для этих целей уровень средней мощности лежит в диапазоне 10 - 1000 кВт при относительно невысоких значениях импульсной мощности 108 - Ю10 Вт, а ресурс установок, предназначенных для промышленного применения, составляет 1010 - 1011 импульсов, что может быть достигнуто разработкой новых систем коммутации энергии с использованием только твердотельных элементов.

Основным процессом в области мощной наносекундной импульсной техники выступает процесс коммутации энергии, и именно успехи в исследовании и разработке новых принципов сильноточной наносекундной коммутации определяют развитие всей области. В связи с этим разработка импульсных наносекундных устройств на основе новых принципов коммутации энергии, позволяющих расширить диапазон частоты следования импульсов

и средней мощности, а также увеличить ресурс и надежность работы, является актуальной научно-технической задачей.

Целями диссертационной работы являлись:

• исследование эффекта наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниковых диодах;

• разработка новых сильноточных наносекундных прерывателей тока для мощных импульсных генераторов частотного режима работы;

• разработка схемного подхода для построения мощных наносекундных генераторов с твердотельной системой коммутации энергии на основе полупроводниковых прерывателей тока;

• создание мощных компактных генераторов наносекундного диапазона с высокой частотой повторения импульсов для научных и практических целей.

Научная новизна

Основные результаты работы относятся к категории полученных впервые. Наиболее важные из них:

1. Обнаружен и экспериментально исследован БОБ-эффект: наносекунд-ный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках. Показано, что эффект наблюдается в р+- р - п - п+ -структурах при времени накачки порядка Ю-8 - Ю-6 с и плотности обратного тока 1 - 60 кА/см2. Время обрыва тока при этих условиях лежит в диапазоне от единиц до десятков наносекунд.

2. Установлено, что качественное отличие ЗОБ-эффекта от других принципов коммутации тока в полупроводниковых приборах состоит в том, что развитие процесса обрыва тока происходит не в базе структуры, а в ее узких высоколегированных областях. При этом база структуры во время обрыва тока остается заполненной плотной избыточной плазмой.

3. Показано, что при ЗОБ-эффекте на стадии обрыва тока существует механизм автоматического равномерного распределения напряжения по последовательно соединенным полупроводниковым структурам. Впервые реализован наносекундный сильноточный генератор, полупроводниковый прерыватель которого состоит из 1200 штук последовательно соединенных структур и работает при напряжении 1 МВ.

4. Экспериментально обнаружен субнаносекундный обрыв тока в р+- р - п - п+ -структуре. Показано, что при уменьшении времени обратной накачки с 30 до 10 не время обрыва тока уменьшается с 4 - 5 не до 500 пс.

5. Предложен и реализован способ увеличения импульсной мощности емкостных генераторов Маркса с помощью полупроводникового прерывателя тока на основе высоковольтных выпрямительных диодов. Впервые \ в полупроводниковом прерывателе тока достигнута разрывная мощность 5 ГВт, обрываемый ток 45 кА и скорость обрыва тока 1012 А/с.

6. Разработан новый схемный подход для построения мощных наносе-кундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии, в котором функцию оконечного усилителя импульсной мощности выполняет полупроводниковый прерыватель тока.

7. Созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса -SOS-диоды, представляющие собой твердотельные наносекундные прерыватели тока высокой плотности и имеющие рабочее напряжение в сотни кВ, обрываемый ток - единицы и десятки кА, время обрыва тока - единицы наносекунд и частоту следования импульсов килогерцового диапазона.

8. Разработан субнаносекундный SOS-диод с рекордным значением ско- \ рости обрыва плотности тока, составляющей 6-1012 А/см2 с. Впервые I полупроводниковым прерывателем тока сформированы импульсы с амплитудой 150 кВ, скоростью нарастания напряжения 1014 В/с, длительностью 2 не и частотой следования 5 кГц при обрыве тока величиной 1 кА за время 500 пс.

Положения, выносимые на защиту

1. SOS-эффект - наносекундный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках - наблюдается в р+- р - п - п+ кремниевых структурах при времени накачки порядка Ю-8 - 10"6 с и плотности обратного тока 1 - 60 кА/см2 и представляет собой качественно новый принцип отключения ^ тока в полупроводниковых приборах с токовой инжекцией заряда.

2. На стадии обрыва тока SOS-эффект характеризуется автоматическим равномерным распределением напряжения по последовательно соединенным структурам, что дает возможность создавать прерыватели тока с напряжением мегавольтного уровня путем последовательного соединения структур без использования внешних делителей напряжения.

3. Применение высоковольтных выпрямительных диодов в качестве полупроводникового прерывателя тока позволяет увеличить импульсную мощность емкостных генераторов Маркса. Такой прерыватель тока характеризуется разрывной мощностью гигаваттного диапазона, обрываемым током в десятки кА, скоростью обрыва тока порядка 1012 А/с и рабочим напряжением в сотни кВ.

4. Для создания мощных наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии преимуществами обладает подход, в котором используется полупроводниковый прерыватель тока, выполняющий функцию оконечного усилителя мощности. Такой подход исключает необходимость применения звеньев магнитного сжатия энергии наносекундного диапазона времени, упрощает устройство и повышает его удельные характеристики.

5. Разработанные ЭОЭ-диоды, представляющие собой твердотельные на-носекундные прерыватели тока высокой плотности, имеют рабочее напряжение в сотни кВ, обрываемый ток - единицы и десятки кА, время обрыва тока - единицы наносекунд, частоту следования импульсов ки-логерцового диапазона, и для увеличения мощности допускают параллельно-последовательное соединение без применения выравнивающих элементов.

6. На базе БОБ-диодов возможна разработка наносекундных импульсных генераторов с твердотельной системой коммутации со следующим диапазоном выходных параметров: энергия импульса - 10~1 - 104 Дж; напряжение - 104 - 106 В; ток - 102 - 105 А; длительность импульса - 10" 7 - 10"9 с; частота следования импульсов - 10"1 - 104 Гц; средняя мощность - 101 - 105 Вт.

7. Уменьшение времени обратной накачки до 10 - 15 не при плотности обратного тока 103 - 104 А/см2 приводит к субнаносекундному обрыву тока в ЗОЭ-диоде. Время обрыва тока величиной 1 кА составляет 500 пс, а на БОЗ-диоде формируется импульс длительностью 2 не со скоростью нарастания напряжения 1014 В/с.

Практическая ценность работы определена созданием мощных наносекундных импульсных устройств нового класса на основе полупроводниковых прерывателей тока. Разработанные устройства имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии, в связи с чем сочетают высокую частоту следования импульсов и среднюю мощность, компактность, надежность и имеют практически неограниченный срок службы. Именно эти качества позволяют устройствам данного класса получить широкое практическое применение в различных электрофизических промышленных технологиях.

Реализация результатов работы

Мощные наносекундные генераторы с полупроводниковым прерывателем тока применялись при проведении прикладных исследований в раз-

личных областях электрофизики: для генерирования сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, исследования электрофизических свойств полупроводников и диэлектриков, накачки газовых лазеров, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей, а также в качестве источников питания широкополосных электромагнитных излучателей. Ниже перечислены российские и зарубежные организации, использующие результаты диссертационной работы и эксплуатирующие коммерческие образцы разработанных устройств и приборов:

1. Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург

2. Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск

3. Всероссийский НИИ технической физики, Снежинск (Челябинск-70)

4. Компания British Aerospace Defence, Ltd., Бристоль, Великобритания

5. Ливерморская национальная лаборатория, Ливермор, США

6. Компания Vitronics, Inc., Итэнтаун, США

7. Исследовательский центр Карлсруэ, Карлсруэ, Германия

8. Техасский технический университет, Лаббок, США

9. Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, США

10. Компания LG Industrial Systems, Ltd., Аниянг, Южная Корея

11. Ядерный исследовательский центр SOREQ NRC, Йавне, Израиль

12. Университет Кумамото, Кумамото, Япония

Апробация работы и публикации

Материалы работы докладывались на научных семинарах в Институте электрофизики УрО РАН, Екатеринбург; Институте сильноточной электроники СО РАН, Томск; Институте общей физики РАН, Москва; на семинарах зарубежных организаций: Ливерморской национальной лаборатории им. Ло-уренса, Ливермор, США; фирмы Бритиш Аэроспэйс, Бристоль, Великобритания; Техасского технического университета, Лаббок, США; компании LG Индастриал Системз, Аниянг, Корея, а также на национальных и международных конференциях: VII, VIII, IX Симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, 1988; Свердловск, 1990; Пермь-Москва, 1992); Научно-технической конференции "Создание комплексов электротехнического оборудования сильноточной техники", Москва, 1989; IX, X, XI Международных конференциях по мощным пучкам частиц (США, 1992, 1994 и Чешская Республика, 1996); Международной конференции общества SPIE (США, 1995); IX, X, XI Международных конференциях по мощной импульсной технике (США, 1993, 1995, 1997).

Материалы диссертации опубликованы в 37 печатных работах. По материалам работы получено 5 авторских свидетельств на изобретения и 5 патентов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти частей и заключения. В первой части рассмотрены физические основы работы мощных полупроводниковых прерывателей тока. Приведены результаты исследований ЗОЭ-эффекта. Свойства вОБ-эффекта анализируются в сравнении с другими механизмами коммутации тока в полупроводниках. Во второй части рассмотрены вопросы обострения мощности емкостных генераторов с помощью индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока на основе промышленных выпрямительных диодов. Третья часть посвящена описанию схемных решений по построению сильноточных наносекундных устройств с полностью твердотельной системой коммутации, в которой полупроводниковый прерыватель тока выполняет функцию оконечного усилителя мощности. Предложенный подход анализируется в сравнении с известными схемными решениями на основе магнитных ключей. В четвертой части приведены результаты разработки ЗОЭ-диодов - новых высоковольтных приборов для наносекундного обрыва тока высокой плотности. Описаны характеристики ЗОЭ-диодов и даны рекомендации по их использованию в мощной импульсной технике. В пятой части дано описание частотных импульсных генераторов на основе ЗОЗ-диодов и приведены результаты экспериментов по субнаносекундному обрыву тока. В заключении приведены основные результаты, полученные в работе, и список литературы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генерирование мощных наносекундных импульсов на основе полупроводниковых прерывателей тока»

ВВЕДЕНИЕ

Для генерирования мощных наносекундных импульсов наиболее широко распространены два основных подхода, отличающиеся друг от друга способом накопления энергии. Первый способ основан на накоплении энергии электрического поля в быстрых емкостных накопителях, в качестве которых используются низкоиндуктивные конденсаторы и формирующие линии с жидким диэлектриком, с последующей передачей энергии в нагрузку через замыкающие устройства - сильноточные наносекундные коммутаторы [1, 2]. Во втором способе накопление энергии происходит в магнитном поле индуктивного контура с током, а для ее передачи в нагрузку применяются прерыватели тока [3]. Последний метод наиболее перспективен для развития мощной импульсной техники, поскольку плотность запасаемой энергии в индуктивных накопителях примерно на два порядка выше, чем в емкостных. С другой стороны, проблема быстрого обрыва большого импульсного тока в техническом плане является существенно более сложной задачей, чем проблема коммутации. В наибольшей степени эта проблема выражена при формировании мощных импульсов наносекундного диапазона, где прерыватель должен выдерживать напряжения мегавольтного уровня и обеспечивать обрыв тока в десятки и сотни кА за время порядка единиц и десятков не. Этим требованиям удовлетворяют два основных типа наносекундных прерывателей: плазменные прерыватели тока с наносекундной [4] и микросекундной [5] накачкой и прерыватели тока на основе электрического взрыва проволочек [6]. Однако такие прерыватели либо принципиально не способны работать в частотном режиме (взрывающиеся проволочки), либо имеют низкую частоту повторения импульсов и ограниченный ресурс из-за эрозии электродов (плазменные прерыватели).

Для создания качественно новой мощной импульсной техники, способной выйти на технологические применения, необходим поиск новых принципов коммутации энергии больших плотностей. В этом направлении наиболее перспективными являются схемы с индуктивными накопителями энергии и твердотельными прерывателями тока, на основе которых возможна разработка мощных импульсных устройств с высокими удельными характеристиками и практически неограниченным сроком службы. Основная проблема здесь состоит в разработке мощного частотного твердотельного размыкателя тока, способного в наносекундном диапазоне времени отключать килоамперные токи и выдерживать напряжения порядка 106 В. Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕРЫВАТЕЛЕЙ ТОКА

1.1. Наносекундный обрыв тока в полупроводниках

Известные физические принципы наносекундного отключения тока в твердом теле основаны либо на создании высокой проводимости в собственном полупроводнике под действием электронного пучка или лазерного излучения [7, 8] с последующим быстрым отключением источника ионизации, либо на токовой инжекции заряда в базу р+ - п - п+ структуры с последующим выводом накопленного заряда обратным током [9-11]. В работе [7] рассмотрен вопрос о возможности создания мощных полупроводниковых коммутаторов на основе облучения кристалла арсенида галлия электронным пучком. Для этих целей в экспериментах использовался электронный ускоритель с энергией электронов 100 - 150 кэВ. При плотности тока электронного пучка 36 мА/см2 была достигнута плотность коммутируемого тока в кристалле 53 А/см2. Показано, что такие коммутаторы могут обрывать ток с характерным временем рекомбинации носителей порядка нескольких наносекунд. В работе [8] в качестве твердотельного размыкателя тока исследовался образец из кристалла арсенида галлия, легированного кремнием и компенсированного медью. В качестве источника ионизации использовался лазер. При облучении кристалла первым лазерным импульсом с длиной волны X = 1.06 мкм происходит переход кристалла в проводящее состояние, что дает возможность пропустить через кристалл ток накачки индуктивного накопителя энергии. При облучении кристалла вторым лазерным импульсом с X = 1.7 мкм происходит высвобождение дырок из глубоких центров атомов меди. Рекомбинация избыточных электронов и дырок с характерным для GaAs временем порядка Ю-9 с приводит к переключению тока индуктивного накопителя из кристалла в нагрузку. На 200-омной нагрузке в работе были получены импульсы с напряжением 6,2 кВ длительностью около 20 не при обрыве тока величиной около 100 А за время 5 не. Очевидные технические сложности первого метода, связанные с необходимостью применения ускорителей заряженных частиц или лазеров для управления работой размыкателя тока, наряду с низкими параметрами отключаемых токов и выдерживаемых напряжений практически исключают его использование в мощной импульсной технике.

Метод токовой инжекции заряда для резкого обрыва обратного тока в полупроводниковых диодах был основан в 50-е годы, когда интенсивно развивались работы по созданию быстродействующих импульсных диодов. Диоды с эффектом резкого обрыва тока получили название диодов с накоплением заряда (ДНЗ) [9]. Принцип работы ДНЗ основан на существовании

встроенного тормозящего поля в базе диффузионного диода, образованного градиентом концентрации донорных атомов. На стадии накопления заряда прямым током встроенное электрическое поле, направленное из п- базы в р- область, препятствует распространению инжектируемых дырок в глубь базы и удерживает заряд вблизи р-п перехода. За счет этого при прохождении обратного тока практически весь накопленный заряд успевает выйти из базы диода на стадии высокой обратной проводимости. Малая величина остаточного заряда в базе к моменту образования объемного заряда у р-п перехода приводит к резкому обрыву обратного тока за время 10'9 - Ю-10 с. Работа диода в режиме ДНЗ возможна только при низком уровне инжекции и при высоком уровне легирования базы донорной примесью. Переход к сильноточному режиму работы (высокий и сверхвысокий уровень инжекции), а также снижение уровня легирования п- базы для увеличения обратного напряжения диода приводит к исчезновению встроенного электрического поля и эффекта резкого обрыва тока. В связи с чем характерные для ДНЗ со встроенным полем величины рабочих токов составляют 10 - 100 мА, обратных напряжений - 10 - 50 В.

В 1983 г. профессором И.В. Греховым был предложен и реализован сильноточный режим работы р+- п - п+ структуры с плотностью обрываемого тока до 200 А/см2, временем обрыва тока около 2 не и рабочим напряжением 1 кВ [10]. Такие диоды получили название дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [11]. Принцип работы ДДРВ состоит в следующем. За счет короткой длительности импульса прямого тока (сотни не) в базе возле р-п перехода создается тонкий слой инжектированной плазмы, в котором сосредоточена основная часть накопленного заряда. При протекании тока обратной накачки происходит рассасывание плазменного слоя у р-п перехода с одновременным дрейфовым выносом дырок из остальной части базы. Подбором параметров структуры (длина базы и уровень легирования) и режима накачки (длительность и плотность тока) достигается условие, когда к моменту удаления из структуры всех неравновесных носителей плотность дрейфового тока достигает максимального значения для данного уровня легирования базы. При выполнении этого условия процесс обрыва обратного тока представляет собой удаление из базы равновесных носителей с максимально возможной скоростью насыщения порядка 107 см/с. В связи с этим ДДРВ имеет ограничение по плотности тока через структуру. Для получения обратных напряжений на структуре около 1 - 2 кВ уровень донорной примеси в базе не может превышать 1014 см-3, что на стадии отключения соответствует максимальной плотности тока около 160 - 200 А/см2. Однако путем увеличения площади структуры и создания

сборок из последовательно соединенных структур возможно увеличение рабочих параметров прерывателя по току и напряжению. Рекордные для ДДРВ параметры получены в работе [12], в которой с помощью последовательно соединенных ДДРВ формируются импульсы с амплитудой 80 кВ, током 800 А и частотой следования 1 кГц.

В [13] сообщается о разработке нового полупроводникового прерывателя тока, принцип работы которого основан на инверсном механизме восстановления диода. Специальная структура диода позволяет увеличить длительность прямой и обратной накачки, а также поднять плотность обрываемого тока. Однако работа диода также основана на принципе удаления избыточной плазмы из базы на стадии высокой обратной проводимости. На основе такого диода разработан генератор с напряжением 30 кВ, током 600 А и частотой следования импульсов 1 кГц. Краткость данного сообщения не позволяет более подробно проанализировать механизм работы и оценить его возможности.

В более общем случае процесс восстановления силового полупроводникового диода описан в многочисленной литературе, где основополагающим исследованием является работа Бенде и Шпенке [14]. Силовой диод работает при высоком уровне инжекции и концентрация плазмы в базе может на несколько порядков превосходить исходную концентрацию донорной примеси. Плотность тока, ограниченная тепловыми процессами перегрева структуры, при коротких импульсах тока может достигать единиц и десятков кА/см2. При протекании обратного тока через структуру силового диода на фазе высокой обратной проводимости в первую очередь происходит освобождение р-п и п-п+ переходов от избыточной плазмы по краям структуры, и к моменту начала спада обратного тока практически вся база остается заполненной плотной избыточной плазмой. При этих условиях стадия спада обратного тока представляет собой процесс медленного выноса остаточной плазмы из базы диода с характерным временем от десятых долей до нескольких мкс.

Тем не менее широко известно, что при переключении силовых полупроводниковых диодов с прямого направления на обратное в контурах с индуктивным характером нагрузки на них возникают перенапряжения, связанные с тем, что при восстановлении диода длительность спада обратного тока в определенных условиях может быть меньше длительности фазы высокой обратной проводимости. В традиционной области применения диодов в качестве выпрямителей переменного тока этот эффект является нежелательным, поскольку снижает надежность работы диода и других элементов электрической схемы. Разработано большое количество способов для по-

давления этого эффекта. Способы основаны либо на подборе определенного распределения легирующих примесей в структуре, либо на использовании специальных схемных решений по подавлению перенапряжений на диоде (шунтирующие варисторы или комбинации R - С элементов). Исключением является работа [15], где импульс перенапряжения амплитудой 95 кВ и длительностью фронта 80 не, полученный при восстановлении высоковольтного выпрямительного диода, полезно использовался для запуска искрового разрядника. Следует отметить, что авторы этой работы вплотную подошли к обнаружению эффекта наносекундного обрыва сверхплотных токов. Однако полученный результат был интерпретирован с позиций механизма работы дрейфового диода с резким восстановлением.

Таким образом основное противоречие, препятствующее разработке мощного наносекундного полупроводникового прерывателя на основе метода токовой инжекции заряда, состоит в том, что процесс обрыва тока развивается в низколегированной протяженной базе диода. При этом возможно либо получение наносекундного времени отключения тока с низкой плотностью, которая определяется собственной проводимостью базы, свободной от избыточной плазмы (ДНЗ, ДДРВ), либо получение высокой плотности отключаемого тока при его последующем медленном спаде через структуру, база которой заполнена плотной избыточной плазмой (выпрямительный силовой диод).

1.2. Обнаружение и экспериментальное исследование SOS-эффекта

Цель первых экспериментов, в которых был обнаружен эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов [44], состояла в исследовании возможности ввода в диод большого обратного тока, сравнимого по величине с током прямой накачки. Эксперименты проводились в одноконтурной LC-схеме (Рис. 1) при использовании в качестве первичных емкостных накопителей См генераторов Маркса с запасаемой энергией от 10 Дж до 2 кДж и выходным напряжением Um от 50 до 150 кВ. Ток накачки ограничивался индуктивностью LM, которая представляла собой либо собственную индуктивность генератора Маркса, либо добавочную внешнюю катушку индуктивности.

Полупроводниковые прерыватели тока SOS (Semiconductor Opening Switch) собирались из кремниевых высоковольтных выпрямительных столбов типа КЦ105, КЦ108, КЦ201, СДП 0,4 - 800 (1300, 1600). Эти диоды имеют полупроводниковую структуру р+ - р - п - п+ типа, в которой в качестве n-базы используется электронно легированный кремний с концентрацией донорной примеси Nd ~ 1014 см-3 (р = 50 Ом-см). Длина базы составляет 100

Рис. 1. Схема эксперимента. См, Um -емкость и выходное напряжение генератора Маркса; Lm - индуктивность контура; SOS - полупроводниковый прерыватель тока; Rh - нагрузка.

Рис. 2. Стилизованные осциллограммы тока через прерыватель и напряжения на нагрузке.

сдл

J+, кА/см2

t0, не

КЦ105

J+, кА/см2

t0, не

0.1

1-0 t , МКС

0.1

0.2

0.3

Рис. 3. Зависимости плотности тока прямой накачки и+ (кривая 1) и времени обрыва тока ^ (кривая 2) от длительности прямой накачки Г1" для диодов серии СДЛ.

Рис. 4. Зависимости плотности тока прямой накачки и+ (кривая 1) и времени обрыва тока ^ (кривая 2) от длительности прямой накачки Г1" для диодов типа КЦ105.

4-200 мкм, площадь структуры - 0,02-н0,2 см2. Число последовательно соединенных структур в столбе зависит от рабочего напряжения диода и изменяется от 14 (КЦ105Д, иРАБ = 10 кВ) до 132 (СДЛ 0,4 - 1600, иРАБ = 160 кВ). Исследовались одиночные структуры, входящие в состав диодов, сами диоды, а также сборки из диодов. Общее число структур при параллельно-последовательном соединении диодов в прерыватель достигало 12 000.

Эксперименты показали, что выбором величины тока прямой накачки 1+ и времени прямой накачки t+ (см. рис. 2) можно реализовать такой режим работы прерывателя, когда ток обратной накачки I" за время обратной накачки t" достигает своего максимального значения, и затем обрывается за время to- При этом длительность спада тока to может быть на порядок меньше длительности обратного тока t-. При обрыве тока на прерывателе SOS и сопротивлении нагрузки RH возникает импульс напряжения с амплитудой Usos и длительностью tp ~ íq. Резкий обрыв обратного тока был обнаружен во всех типах исследованных диодов. При наносекундных значениях t0 (от 10 до 50 не) плотность обрываемого тока достигала значений 10 кА/см2 для диодов типа СДЛ (длина базы ~ 200 мкм, площадь структуры ~ 0,2 см2) и 60 кА/см2 для диодов типа КЦ105 (длина базы -100 мкм, площадь структуры ~ 0,02 см2). Это явление наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниковых диодах получило название SOS-эффекта [31].

График на рис. 3 в координатах плотность прямого тока J+ - время прямой накачки t+ демонстрирует область существования SOS-эффекта для диодов типа СДЛ в одноконтурной схеме накачки. График снимался следующим образом. Для выбранных значений t+ плотность J+ прямого тока подбиралась так, чтобы обрыв тока наступал в момент максимального значения обратного тока. При этом условии измерялось и время обрыва тока t0. В области I, лежащей правее и выше кривой 1, происходит раннее отключение обратного тока, до достижения им максимального значения. При J+ < 250 А/см2 и t+ ~ 4-5 мке максимальная величина обратного тока не превышает 15-20% от амплитуды прямого тока, а диод переходит в классический режим восстановления блокирующих свойств с медленным спадом обратного тока, длительность которого соизмерима с длительностью стадии высокой обратной проводимости. Ниже и левее кривой 1 (область II) происходит позднее отключение обратного тока, после его перехода через максимальное значение. При дальнейшем уменьшении J+ или t+ диод переходит в режим короткого замыкания, когда обрыв обратного тока полностью отсутствует, и генератор Маркса разряжается через SOS в режиме затухающих колебаний. Как следует из рис. 3 для диодов типа СДЛ SOS-

эффект, характеризующийся наносекундным временем обрыва тока -1050 не), наблюдается в области значений 1:+ ~ 150+600 не и ~ 1+10 кА/см2. Вне этой области происходит резкое возрастание времени обрыва тока.

На рис. 4 приведены аналогичные зависимости для диодов типа КЦ105Д, которые имеют более короткую базу 100 мкм) и примерно на порядок меньшее время жизни неосновных носителей в базе по сравнению с диодами типа СДП. Для этих диодов область существования БОб-эффекта ~ 8-12 не) сдвигается влево до значений ^ ~ 100+200 не и поднимается вверх по плотности тока до ~ 10+60 кА/см2.

Основной вывод по результатам экспериментов состоял в том, что в силовом полупроводниковом диоде подбором параметров по плотности тока и времени накачки возможна реализация наносекундного обрыва сверхплотных токов. При этом полупроводниковая структура диода на стадии обрыва тока остается заполненной плотной избыточной плазмой. Поскольку распределение инжектированной электронно-дырочной плазмы в структуру при сверхвысоком уровне инжекции имеет характерный концентрационный минимум, в котором ток переносится только дрейфовой составляющей полного тока, то в предположении насыщенной скорости частиц в этом сечении структуры перед началом обрыва тока можно оценить минимальное значение концентрации избыточной плазмы. Такая оценка для плотностей тока 10 - 60 кА/см2, полученных в эксперименте, дает минимальное значение концентрации избыточной плазмы (0,6+4)1016 см-3, что на два порядка превышает исходный уровень легирования базы.

1.3. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре в режиме вОв-эффекта

Для объяснения ЗОЭ-эффекта и исследования процессов в полупроводниковой структуре разработана физико-математическая модель [63, 67], позволяющая анализировать динамику электронно-дырочной плазмы при сверхвысоких уровнях инжекции. Модель учитывает реальный профиль легирования полупроводниковой р+-р-п-п+ структуры и следующие элементарные процессы в электронно-дырочной плазме: диффузию и дрейф носителей тока в сильных электрических полях, рекомбинацию на глубоких примесях, Оже-рекомбинацию, а также ударную ионизацию в плотной плазме. Расчет электрической схемы накачки прерывателя основан на решении уравнений Кирхгофа.

На рис. 5 приведена расчетная схема с двухконтурной накачкой полупроводникового прерывателя тока, содержащая два конденсатора С^ и С2 одинаковой емкости. Конденсатор С-|, предварительно заряженный до на-

пряжения Uo, после замыкания ключа S+ разряжается на конденсатор С2 через индуктивность L+ и прерыватель SOS (ключ S" при этом разомкнут). Эквивалентное значение емкости в схеме для режима прямой накачки С+ = С1/2. Процесс прямой накачки прерывателя заканчивается при переходе прямого тока через нуль. В этот момент времени ключ S+ размыкается, ключ S" замыкается, и в прерыватель начинает вводиться обратный ток от конденсатора С" = С2 через индуктивность L".

Рис. 6 иллюстрирует расчетные зависимости тока через прерыватель и напряжения на нем, полученные при следующих условиях. В качестве прерывателя были взяты два диодных столба марки СДЛ 0,4-800 и СДЛ 0,41300, соединенные последовательно. В сумме такой прерыватель содержал 196 последовательно соединенных структур, каждая из которых имела площадь 0,24 см2, длину - 350 мкм и глубину залегания р-n перехода ХР = 120 мкм. Параметры схемы накачки при короткозамкнутом прерывателе были следующими: начальное напряжение Uo на конденсаторе С^ - 100 кВ; длительность прямой накачки t+ = к -(L+-Ci/2)1/2 = 490 не; длительность обратной накачки (равная времени разряда конденсатора С2) t ■ = 0,5 я ■ (1_--С2)1/2 = 125 не. При этом расчетные максимальные плотности прямого и обратного тока через прерыватель составляли 2,0 и 7,7 кА/см2 соответственно. Сопротивление нагрузки RH составляло 200 Ом.

Во время прямой накачки, когда р-n переход включен в прямом направлении, под действием возникшего электрического поля дырки из р-области начинают дрейфовать в базу диода, а электроны из n-области перемещаются в обратном направлении и постепенно заполняют р-область структуры. При прямой накачке основной вклад в общее сопротивление прерывателя вносит базовая область р+-р-п-п+ структуры, поскольку концентрация носителей заряда в ней минимальна. На начальной стадии накачки нарастание плотности тока через диод происходит быстрее, чем падение сопротивления базы, и в результате на прерывателе появляется положительный всплеск напряжения (см. рис. 6), а в базе возникает область сильного электрического поля. После того, как сопротивление структуры станет меньше, чем волновое сопротивление цепи и сопротивление нагрузки, и вплоть до образования обрыва тока прерыватель работает в режиме генератора тока, когда ток через него определяется внешней цепью, а не свойствами самой полупроводниковой структуры. Распределение концентрации инжектированных электронов и дырок к моменту завершения прямой накачки (нуль тока) приведено на рис. 7. Видно, что подавляющая часть накопленного заряда сосредоточена в высоколегированных областях структуры:

с2

+

БОБ

Рис. 5. Расчетная схема двухконтур-ной накачки полупроводникового прерывателя тока.

1в08, кА

0.0

-0.5

1.0

1.5

изов, кВ 50

■1-1-1-1-г

200 400 600

- -50

- -100

-150

Рис. 6. Зависимость тока через прерыватель (сплошная кривая) и напряжения на нем (пунктирная кривая) от времени.

О

17 -3

4-10 п,р, см

О 100 200

X, мкм

300

Рис. 7. Распределение концентрации электронов и дырок в момент завершения прямой накачки прерывателя тока.

-200 -

-300

17 -3

1.10 П, р, см

5-10

100 200 X, мкм

Рис. 8. Распределение электрического поля и концентрации электронов и дырок на стадии обрыва тока.

электроны - в р-области, дырки - в п+-области. Минимум концентрации плазмы расположен в базе и имеет величину - 1016 см-3.

После прохождения тока через нуль во время обратной накачки плазма изменяет направление своего движения на противоположное и начинает возвращаться к плоскости р-п перехода. На этой стадии концентрация неравновесных носителей соответствует высокому уровню инжекции, и основная масса плазмы движется медленнее, чем ее фронт. В результате происходит обострение фронтов профиля плазмы сначала в р-, а затем и в п-области структуры (см. рис. 8). После образования резких фронтов в пространственном распределении плазмы, области р+-р-п-п+ структуры, расположенные за фронтами, оказываются практически полностью свободными от инжектированных носителей заряда. В этих областях перенос тока осуществляется лишь основными носителями, концентрация которых минимальна на внешней стороне фронтов плазмы.

При приближении фронтов к точкам, где плотность тока, текущего через структуру, станет равна плотности тока насыщения основных носителей, абсолютная величина поля на фронтах плазмы резко увеличивается, скорость дрейфа носителей приближается к скорости насыщения, а их подвижность падает. Уменьшение подвижности носителей означает, что в области фронтов образуется участок структуры с высоким эффективным сопротивлением, что приводит к падению тока через прерыватель. Амплитуда напряженности поля за фронтом плазмы ограничивается процессами генерации электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации. При этом дополнительные носители обеспечивают прохождение тока через область с низкой концентрацией плазмы. В результате в полупроводниковой структуре возникает характерная область сильного поля с четко выраженными границами (рис. 8). Внешняя граница области, занятой полем, соответствует точке, где выполняется условие насыщения тока, и практически неподвижна, а внутренняя совпадает с положением фронта плазмы. Поскольку фронт плазмы продолжает перемещаться в сторону базы, размер области, где существует сильное поле, увеличивается, отрицательное напряжение на структуре растет, а на прерывателе формируется фронт импульса напряжения (см. рис. 6).

Выводы.

Анализ процессов динамики электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре при плотностях тока и длительностях импульсов накачки, характерных для БОЗ-эффекта, показал следующее [63, 67].

1. Удаление всей избыточной плазмы из структуры не является необходимым условием для резкого обрыва обратного тока. К моменту начала

обрыва тока в центральной части базы остается электронно-дырочная плазма, концентрация которой примерно на два порядка превышает уровень легирования базы (см. рис. 8). По этой причине существование р-п перехода не сказывается на процессе обрыва тока. Кроме этого момент начала обрыва тока также не связан с выполнением принципа равенства заряда, внесенного в структуру во время прямой накачки, и удаленного из нее во время обратной. Последнее обстоятельство позволяет наблюдать БОЗ-эффект в одноконтурной схеме накачки, при использовании которой он был первоначально обнаружен [44].

2. Обрыв тока определяется процессами, происходящими в узких высоколегированных областях р+-р-п-п+ структуры, свободных от избыточной плазмы, носит динамический характер и может быть не связан с образованием протяженного в пространстве объемного заряда из-за процессов интенсивного лавинного размножения носителей в сильном электрическом поле. В частности, из анализа данных, приведенных на рис. 8, следует, что к моменту спада обратного тока примерно на 50% область структуры, ответственная за обрыв тока, расположена в р- области и имеет протяженность около 24 мкм, а эффективное сопротивление одной структуры в этот момент времени имеет величину ~ 0,8 Ом.

Таким образом, качественное отличие ЗОБ-эффекта от других принципов коммутации тока в полупроводниковых приборах состоит в том, что развитие процесса обрыва тока происходит в узких высоколегированных областях структуры, база которой заполнена плотной избыточной плазмой. Это обстоятельство и приводит к сочетанию высокой плотности обрываемого тока и наносекундного времени его отключения.

2. ГЕНЕРАТОРЫ МАРКСА С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРЕРЫВАТЕЛЕМ ТОКА

2.1. Схемы накачки и выбор параметров прерывателя тока

Способ усиления мощности емкостных генераторов с помощью промежуточного индуктивного накопителя и прерывателя тока известен давно [16]. Способ основан на том, что индуктивность разрядного контура, представляющая собой пассивный элемент емкостного генератора и препятствующая быстрому выводу энергии из конденсаторов в нагрузку, при использовании прерывателя тока становится активным элементом и работает как индуктивный накопитель. При этом достигается усиление мощности импульса, поскольку энергия из такой системы выводится в нагрузку за существенно меньший промежуток времени. Физические принципы работы прерывателей тока, используемых в этом подходе, описаны в работе [17].

В первых экспериментах по исследованию SOS-эффекта был реализован режим усиления мощности генератора Маркса прерывателем тока на основе высоковольтных выпрямительных диодов [44, 54]. Генератор Маркса (см. п. 1.2, рис. 1) имел разрядную емкость 0,13 мкФ (три ступени на конденсаторах ИК-100-0,4) и напряжение холостого хода 150 кВ. Прерыватель тока SOS был собран из 64-х диодов СДЛ-0,4-1300 (16 параллельных ветвей по 4 последовательных диода). Ток прямой накачки прерывателя тока достигал 25 кА, обратной - 20 кА. Время ввода обратного тока составляло 300 - 400 не. При этих условиях при обрыве тока на нагрузке величиной 100 Ом формировались импульсы напряжения с амплитудой до 400 кВ и длительностью на полувысоте 40 - 60 не. В другой модификации прерыватель тока имел 20 параллельных ветвей из тех же диодов. На нагрузке 150 Ом были получены импульсы с амплитудой 420 кВ при напряжении холостого хода генератора Маркса 150 кВ. На нагрузке Rh = 5,5 Ом амплитуда импульса составляла 160 кВ при времени нарастания тока 32 не. В этом эксперименте для полупроводниковых прерывателей тока были достигнуты рекордные значения по разрывной мощности и скорости ввода тока в нагрузку, которые соответственно составляли 5 ГВт и 1012 А/с. При минимальной индуктивности разрядного контура (без добавочной индуктивности) и включении генератора Маркса непосредственно на ту же нагрузку (5,5 Ом) без прерывателя тока время нарастания тока в нагрузке составляло 180 не при амплитуде тока 25 кА. Таким образом применение полупроводникового прерывателя тока на выпрямительных диодах позволило увеличить скорость ввода тока в нагрузку примерно в 7 раз.

По техническому исполнению одноконтурная схема накачки прерывателя тока является наиболее простой. Для ее реализации требуется зашун-тировать выход генератора Маркса набором полупроводниковых диодов. Однако для выбора типа диодов и их количества в прерывателе тока требуется проведение предварительных экспериментов. Это связано с тем, что выпускаемые промышленностью различные типы высоковольтных выпрямительных столбов существенно отличаются друг от друга по параметрам, которые определяют область существования SOS-эффекта. В первую очередь к таким параметрам относятся длина базы структуры, глубина залегания р-п перехода (длина р-области), исходный уровень легирования п-кремния (удельное сопротивление), время жизни неосновных носителей в базе. По этой причине цель предварительных экспериментов состоит в определении области существования SOS-эффекта для конкретного типа диодов. Область определяется в координатах плотность тока прямой накачки J+ - время прямой накачки t+. Рис. 3 и 4 предыдущей главы иллюстрируют область

существования БОБ-эффекта для выпрямительных столбов типов СДЛ и КЦ105.

Соотношения, связывающие параметры области существования БОЭ-эффекта с параметрами генератора Маркса, контура накачки и прерывателя тока, полученные без учета активных потерь в контуре, имеют следующий вид:

= тг-См-им / Эд-Пд (1)

2-тг2-1_мЛЛ/м = (им^+)2 (2)

После выбора величин ,-1+ и на кривой 1 (рис. 3 и 4), лежащей в области БОБ-эффекта, и известной площади структуры одного диода по соотношению (1) производится согласование параметров генератора Маркса См и 11м с числом параллельных диодов пд в прерывателе тока. Количество последовательно соединенных диодов в одной ветви определяется рабочим напряжением одного диодного столба и амплитудой импульса напряжения на нагрузке. Максимальное напряжение на прерывателе тока развивается в режиме холостого хода и составляет около 3-11^. Соотношение (2) используется для оценки требуемой величины индуктивности контура накачки 1_м. Окончательная настройка генератора включает в себя оптимизацию выбранной величины индуктивности контура накачки, и числа диодов в прерывателе. Настройка проводится при работе генератора на требуемую нагрузку.

Соотношение (2) также иллюстрирует основное ограничение метода обострения мощности генераторов Маркса с сосредоточенными параметрами прерывателем тока на полупроводниковых диодах. При заданных величинах 11м и ^ запасаемая энергия генератора Маркса \Л/М ограничена сверху минимальной величиной индуктивности его разрядного контура. Увеличение \Л/м без уменьшения 1_м приводит к росту 1:+ (и к увеличению и+ если пд неизменно) и перемещению выбранной рабочей точки в область I (см. рис. 3), лежащей выше кривой 1. Эта область характеризуется ранним отключением тока до достижения им своего максимального значения. Описанные выше эксперименты с генераторами Маркса на конденсаторах ИК-100-0,4 и прерывателем тока на диодах СДЛ соответствуют области раннего отключения тока. С другой стороны, когда длительность формируемого импульса всего в несколько раз меньше длительности обратной накачки раннее отключение тока прерывателем способствует более полной передаче энергии из генератора в нагрузку. Это связано с тем, что при раннем об-

рыве тока оставшийся заряд в емкостном накопителе затем выводится из него на стадии протекания тока через нагрузку.

Двухконтурная схема, приведенная на рис. 5, содержит раздельные цепи для прямой и обратной накачки прерывателя тока, что в плане технической реализации усложняет устройство. Однако именно она позволяет организовать более эффективную работу прерывателя тока. Основные преимущества при ее использовании сводятся к следующему.

Разделение контуров позволяет снизить импульсную мощность генератора прямой накачки за счет уменьшения прямого тока и увеличения его длительности. При этом в процессе модуляции базы снижается величина прямого напряжения на структурах и уменьшаются соответствующие потери энергии в прерывателе. Уменьшаются также рекомбинационные потери инжектированного заряда. Отдельный контур обратной накачки позволяет реализовать режим усиления обратного тока и регулировать скорость его ввода в прерыватель независимо от контура прямой накачки. Как будет показано ниже (п. 5.3), скорость ввода обратного тока в прерыватель, работающий в условиях БОБ-эффекта, определяет его основную характеристику - время обрыва тока.

Снижение плотности тока и потерь заряда при прямой накачке позволяет при расчете прерывателя тока использовать закон сохранения заряда с некоторыми поправочными экспериментально определенными коэффициентами, что значительно упрощает выбор элементов схемы в целом. Оптимальные величины длительности прямой накачки находятся в диапазоне от 200 до 800 не, обратной - от 50 до 200 не. Отношение амплитуд обратного и прямого токов при этом лежит в диапазоне 3 - 10. Ограничение времени накачки снизу обусловлено конечным значением индуктивности контуров, а дальнейшее увеличение времени накачки приводит к потере заряда за счет рекомбинации носителей на глубоких уровнях. При плотностях обратного тока перед его обрывом в диапазоне единиц кА/см2 выведенный заряд из прерывателя на стадии обратной накачки составляет 85 - 90% от введенного заряда на стадии прямой накачки. При плотностях обратного тока в диапазоне 10-20 кА/см2 эта величина снижается до 70 - 80%. Снижение количества выведенного заряда с увеличением плотности тока при прочих равных условиях объясняется тем, что критерий начала обрыва тока, связанный с достижением основными носителями насыщенной скорости вблизи концентрационного фронта избыточной плазмы, достигается на участке с более высокой концентрацией акцепторов в р-области (см. рис. 8). Соответственно увеличивается доля заряда, оставшегося в структуре к моменту начала обрыва тока.

2.2. Генераторы с промышленными полупроводниковыми диодами

На основе проведенных исследований SOS-эффекта был разработан ряд наносекундных генераторов и ускорителей с полупроводниковым прерывателем тока на основе промышленных полупроводниковых выпрямительных диодов [49, 50, 55, 61]. В качестве питающих устройств использовались емкостные генераторы на основе схем Маркса и Фитча, а также одно- и двухконтурные схемы накачки. Генераторы имели выходное напряжение от 150 до 450 кВ и отличались друг от друга по величине запасаемой энергии на 3 порядка.

На рис. 9 приведены электрическая схема и осциллограмма выходного импульса напряжения малогабаритного генератора, представляющего собой портативный переносной блок массой 10 кГ и длиной 600 мм. Генератор Маркса содержит 4 ступени с индуктивной развязкой, которые в импульсном режиме за 20 мкс заряжаются до напряжения 18 кВ от тиристор-ного зарядного устройства. Выходные параметры генератора: емкость 0,85 нФ, напряжение 70 кВ, запасаемая энергия 2 Дж. Генератор срабатывает автоматически после окончания импульса зарядки за счет импульса запуска, вырабатываемого вторичной обмоткой импульсного зарядного трансформатора [40, 51]. Индуктивность LH промежуточного накопителя в одноконтурной схеме накачки прерывателя - 2,5 мкГн. При включении генератора Маркса импульс прямой накачки SOS длится 150 не, обратной - 80 не. Обрыв тока происходит за время около 10 не, что приводит к формированию на 180-омной нагрузке импульса напряжения амплитудой 160 кВ и длительностью на полувысоте 10 - 12 не. Обрываемый ток - около 1 кА. Прерыватель тока SOS собран из 88 штук выпрямительных диодов КЦ105Д: 4 параллельных ветви по 22 диода последовательно в каждой. Максимальная плотность тока в структуре при прямой накачке - 15 кА/см2, перед обрывом тока - 12,5 кА/см2.

Генератор выполнен в безмасляном варианте, элементы выходного узла изолированы от корпуса съемным экраном из нескольких слоев лавсановой пленки. Частота следования импульсов устройства - 50 Гц. Внешний вид при снятых панелях корпуса показан на рис. 10.

В другом варианте для накачки прерывателя тока использовался генератор Фитча (инверсионный LC-генератор). Схема генератора приведена на рис. 11. Первоначально энергия запасается в конденсаторе емкостью 50 мкФ при напряжении 600 В. При включении тиристора Т энергия передается на уровень напряжения 55 кВ через импульсный трансформатор ИТ, который в этой схеме используется также как магнитный ключ. После окончания зарядного процесса его сердечник насыщается и конденсатор, имею-

щий заземленную обкладку, перезаряжается через вторичную обмотку ИТ. При этом на выходе LC-генератора напряжение нарастает до ~ 100 кВ за время 5 мкс. В момент максимального напряжения на LC-генераторе с помощью автоматического устройства запуска АСЗ срабатывает разрядник и начинается накачка прерывателя тока через индуктивный накопитель LH. Энергия, запасаемая в LC-генераторе перед срабатыванием разрядника, составляет около 6,5 Дж. После отключения тока прерывателем SOS на нагрузке 150 Ом формируется импульс амплитудой около 200 кВ с длительностью на полувысоте ~ 20 не. Энергия импульса - 4-5 Дж.

Прерыватель генератора аналогичен прерывателю предыдущей установки, но содержит 6 параллельных ветвей диодов вместо 4. Максимальная плотность прямого тока в прерывателе - 22 кА/см2. Частота следования импульсов - 50 Гц, средняя мощность в нагрузке - до 250 Вт. Время непрерывной работы - 3 минуты с последующим перерывом 20 минут. Габариты генератора без блока питания: 650x300x300 мм3, масса 15 кГ. Высоковольтный блок также выполнен в безмасляном варианте с воздушной изоляцией (рис. 12).

На рис. 13 приведена схема более мощного сильноточного наносе-кундного ускорителя электронов с выходным напряжением до 450 кВ. Трехступенчатый генератор Маркса собран на конденсаторах ИК-100-0,4 и имеет энергозапас 1,5 кДж при выходном напряжении 150 кВ. Принципиальное отличие состоит в использовании двухконтурной накачки прерывателя в режиме усиления обратного тока. Ускоритель размещен в металлическом корпусе с размерами 1800x1000x800 мм3. Масса ~ 300 кГ. Функцию промежуточного индуктивного накопителя выполняет индуктивность генератора Маркса и индуктивность корпуса. Отсутствие сосредоточенных индуктивно-стей приводит к незначительной величине напряжения на элементах конструкции относительно корпуса во время прямой и обратной накачки SOS, что позволяет эксплуатировать ускоритель на воздухе без применения масла или сжатого газа.

Вначале подключается конденсатор прямой накачки С+, что приводит к вводу прямого тока в прерыватель. Спустя время задержки t3 (см. рис. 14) включается генератор Маркса, и происходит ввод обратного тока в прерыватель, величина которого примерно в 4-5 раз превышает величину прямого тока. Последующий обрыв тока за время t0 приводит к формированию импульса высокого напряжения на диоде ускорителя и генерации электронного пучка.

Основными параметрами, определяющими выходную мощность импульса и коэффициент перенапряжения в этой схеме, являются величина

Генератор Маркса

U

зов

160

Рис. 9. Схема и осциллограмма выходного импульса малогабаритного генератора. Накачка - генератор Маркса.

Рис. 10. Внешний вид генератора.

Рис. 11. Схема с генератором Фитча в цепи накачки SOS.

Рис. 12. Внешний вид генератора по схеме рис. 11,

-,,+ накачка (+) сПс

к<Ч1с+акачка о-|[о о-|}о о-К

Генератор Маркса (-)

БОБ

К

Рис. 13. Схема ускорителя электронов с двухконтурной накачкой прерывателя тока.

ивоз, МВ ¡БОЭ, кА

0,4 0,8

0,8 0,9

Рис. 14. Осциллограммы напряжения (сплошная) и тока через прерыватель (пунктирная линия).

емкости С+ и время задержки t3. Максимальные перенапряжения достигались при С+ = 0,05 мкФ и при времени задержки t3 около 0,75-t+, где t+ -половина периода колебаний тока в контуре прямой накачки. Коэффициент перенапряжения достигал величины 3,3 - 3,5. Время обрыва тока лежало в диапазоне 30 - 70 не, обрываемый ток достигал 45 кА при времени обратной накачки 200 - 400 не. Максимальная скорость ввода тока в нагрузку составила 2-1012 А/с. Импульс напряжения имел длительность на полувысоте 25 - 50 не с фронтом 10 - 15 не при амплитуде до 450 кВ. В диоде был получен электронный пучок с максимальной энергией 400 кэВ, током 6 кА при длительности импульса на полувысоте 30 не.

Прерыватель тока SOS содержал 90 штук диодов СДЛ-0,4-1600 с обратным напряжением 160 кВ. Конструктивно SOS состоял из двух параллельных панелей, каждая из которых содержала по 15 параллельных ветвей из трех последовательно соединенных диодов. Плотность тока прямой накачки достигала 1,8 кА/см2, обратной - 7,5 кА/см2. Фотография ускорителя приведена на рис. 15.

Выводы.

1. Разработка и испытания генераторов с полупроводниковым прерывателем тока на основе промышленных выпрямительных диодов показали, что на этом принципе возможно создание простых и дешевых лабораторных генераторов и ускорителей с воздушной изоляцией на выходное напряжение до 400-500 кВ, частотой следования импульсов порядка 50-100 Гц и энергией в импульсе от единиц Дж до единиц кДж. Искровые разрядники здесь выполняют функцию только разделительных элементов и не участвуют в процессе формирования выходного наносекундного импульса, что существенно снижает требования к величине их индуктивности, времени коммутации и стабильности величины пробивного напряжения. Для построения частотных генераторов Маркса могут применяться схемные решения по быстрой и равномерной зарядке ступеней [36, 42, 56] и схемы автоматического принудительного запуска разрядников [34, 37, 40, 41].

2. Отличительными свойствами полупроводниковых прерывателей тока при их сравнении с плазменными и ЭВП-прерывателями являются простота формирования наносекундного импульса, стабильность его параметров, высокое сопротивление в разомкнутом состоянии и возможность работы в частотном режиме.

3. При использовании вместо генераторов Маркса систем с магнитным сжатием импульса возможна разработка устройств с полностью твердотельной системой коммутации энергии, в которой полупроводниковый прерыватель тока выполняет функцию оконечного усилителя мощности.

3. ГЕНЕРАТОРЫ С ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ КОММУТАЦИИ

3.1. Блок-схема генераторов

После проведения экспериментов с использованием для накачки полупроводникового прерывателя тока генераторов с искровыми разрядниками стала очевидной возможность построения наносекундных импульсных генераторов с напряжением в сотни кВ с полностью твердотельной системой коммутации энергии. Схемная идеология такого подхода в виде блок-схемы представлена на рис. 16. Тиристорное зарядное устройство ТЗУ осуществляет дозированный отбор энергии из питающей сети. Из ТЗУ энергия поступает в магнитный компрессор МК при напряжении 1 - 2 кВ за время 10 - 100 мкс. МК осуществляет сжатие энергии во времени до величины порядка 300 - 600 не и повышает напряжение до сотен кВ. SOS выступает как оконечный усилитель мощности, переводя энергию в диапазон времени 10 -100 не, повышая при этом напряжение в 2 - 3 раза.

ТЗУ содержит первичный емкостной накопитель энергии, тиристорный коммутатор, цепи зарядки и рекуперации энергии и работает в моноимпульсном режиме, когда из сети берется единичная порция энергии, величина которой необходима для формирования одного импульса на выходе всей системы [18, 19, 56]. Критерий выбора длительности импульса при переводе энергии из ТЗУ в МК содержит в себе противоречие. С одной стороны для упрощения МК, в частности для уменьшения объема сердечников и количества ступеней сжатия энергии, необходимо уменьшать длительность импульсов, формируемых в ТЗУ. С другой стороны уменьшение времени вывода энергии из ТЗУ до нескольких мкс требует применения большого числа параллельно работающих быстродействующих тиристоров, что усложняет систему первичной коммутации энергии и снижает ее надежность. В связи с этим близкое к оптимальному время вывода энергии из ТЗУ лежит в диапазоне от 10 до 100 мкс при энергии импульса от единиц до сотен Дж. Например, в ТЗУ, описанном в [56], средняя мощность в 90 кВт (450 Дж, 200 Гц) при длительности импульса около 100 мкс коммутируется единичным тиристором таблеточной конструкции, имеющем средний прямой ток 2 кА и максимальную скорость нарастания тока 1000 А/мкс.

Параметры импульсов на выходе МК определяются условиями работы полупроводникового прерывателя и параметрами импульса, которые нужно получить в нагрузке. Амплитуда импульса на выходе МК UMk = UH / Ки, где Ки - коэффициент перенапряжения при отключении тока прерывателем, а Uh - требуемая амплитуда импульса на нагрузке. Время вывода энергии из МК определяет длительность процесса прямой накачки прерывателя тока: tMK = t+.

3.2. Звено магнитной компрессии энергии и его согласование с прерывателем тока

Введение в схему звена магнитной компрессии энергии продиктовано необходимостью согласования параметров импульса с выхода ТЗУ с параметрами импульса накачки прерывателя тока. Для получения на выходе устройства в целом наносекундных импульсов с амплитудой около 1 МВ магнитный компрессор должен формировать импульсы длительностью в несколько сотен не и с напряжением в сотни кВ. Таким образом, при входном импульсе амплитудой 1 - 2 кВ длительностью 10-100 мкс МК должен обеспечить сжатие энергии во времени примерно в 100 раз и повышение напряжения в 100 - 400 раз.

На рис. 17 приведена схема магнитного компрессора, в котором реализуется сжатие энергии во времени с одновременным повышением выходного напряжения [64]. Основное схемное отличие компрессора от традиционных [20, 21] состоит в том, что емкостной накопитель каждой ячейки сжатия энергии имеет среднюю точку, или выполнен в виде двух последовательно соединенных конденсаторов одинаковой емкости. При этом выход каждой предыдущей ячейки сжатия энергии подключен к средней точке конденсатора следующей ячейки, а нижние конденсаторы каждой ячейки зашунтированы магнитными ключами. По мере сжатия энергии в компрессоре происходит повышение напряжения в каждой ячейке в 2 раза. Выходное напряжение МК без учета активных потерь энергии в 2П раз выше входного, где п - число конденсаторных ячеек.

Кроме этого предложенный МК не требует дополнительных цепей для перемагничивания сердечников магнитных ключей, поскольку в схеме этот процесс происходит автоматически из-за разного направления протекания зарядного и разрядного токов по каждому ключу (зарядные токи на рисунке показаны пунктирными стрелками, разрядные - сплошными). Еще одна отличительная особенность схемы состоит в том, что в каждой конденсаторной ячейке происходит двойное сжатие энергии за счет перезаряда нижних конденсаторов. Поэтому двух ячеек при коэффициенте сжатия Кс ~ 3 - 4 каждым магнитным ключем уже достаточно для сжатия энергии во времени на 2 порядка. Поскольку при передаче энергии от ячейки к ячейке происходит удвоение напряжения, то для согласованного режима передачи энергии емкости конденсаторов следующей ячейки должны быть в 4 раза меньше, чем емкости предыдущей. Для дополнительного повышения напряжения импульсными трансформаторами, последние могут располагаться вместо магнитных ключей, шунтирующих нижние конденсаторы ячеек. На рис. 17 изображен один импульсный трансформатор, установленный в первой ячейке сжатия. В общем случае МК может содержать несколько трансформаторов.

1-2 кВ 100-400 кВ 200-1000 кВ

10-100 мкс 300-600 не 10-100 не

Рис. 16. Блок-схема построения генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии.

ТЗУ мк

Рис. 17. Схема магнитного компрессора с удвоением напряжения в каждой ячейке сжатия энергии.

, Usos U

Рис. 19. Эпюры токов и напряжений в схеме согласования МК и SOS.

Другой важный вопрос, возникающий при передаче энергии от МК к полупроводниковому прерывателю, заключается в схемной реализации двухконтурной накачки прерывателя в режиме усиления обратного тока. Такое решение было независимо предложено в работах [22] и [49]. Схема согласования приведена на рис. 18. Между выходом магнитного компрессора и прерывателем вводятся конденсатор обратной накачки Сн и магнитный ключ обратной накачки MS" (либо импульсный трансформатор). После насыщения ключа прямой накачки MS+, который является выходным коммутатором магнитного компрессора, энергия из последней ячейки компрессора переводится в конденсатор Сн- При этом ток 1+ заряда конденсатора Сн одновременно является током прямой накачки прерывателя тока SOS (см. рис. 19). Нарастающим напряжением на Сн перемагничивается ключ MS". После его включения в прерыватель вводится обратный ток I-, превышающий 1+ в несколько раз, и энергия из Сн переводится в индуктивность контура обратной накачки (индуктивность обмотки насыщенного ключа MS" или добавочная индуктивность). После обрыва тока прерывателем энергия передается в нагрузку в виде короткого наносекундного импульса.

3.3. Установки с твердотельной системой коммутации

Для проверки вышеизложенной схемной концепции был разработан и испытан ряд установок с полностью твердотельной системой коммутации. В качестве полупроводниковых прерывателей тока также использовались высоковольтные выпрямительные столбы типов КЦ105 и СДЛ. На рис. 20 приведена схема генератора с выходным напряжением 200 кВ на нагрузке 200 Ом, длительностью импульса на полувысоте ~ 20 не и частотой следования импульсов 50 Гц. На рис. 21 показан внешний вид выемной части генератора. Размеры генератора: 650 х 350 х 240 мм3, масса - около 40 кГ.

Генератор содержит схему удвоения входного напряжения, промежуточный магнитный компрессор (конденсаторы, емкостью 60 мкФ и магнитный ключ MS1), высоковольтный магнитный компрессор (конденсаторы, емкостью 3,3 нФ и магнитные ключи прямой MS+ и обратной MS" накачки), конденсатор накачки Сн, панели прерывателя SOS и нагрузку RH. При подаче входного питающего напряжения (220 В, 50 Гц) конденсаторы промежуточного магнитного компрессора заряжаются до напряжения ~ 0,6 кВ. При этом происходит перемагничивание сердечников в MS1 и импульсном трансформаторе ИТ в требуемом направлении. Включение тиристора Т вызывает изменение полярности напряжения на нижнем конденсаторе и появление удвоенного напряжения (-1,1 кВ) на магнитном ключе MS1. После включения MS1 энергия передается через ИТ в конденсаторы высоковольт-

ного компрессора на уровень напряжения ~ 65 кВ. Конденсатор Сн во время прямой накачки прерывателя заряжается до ~ 100 кВ. Обратный ток, вводимый в прерыватель ~ 1,2 - 1,4 кА.

Низковольтные элементы зарядной цепи и промежуточный магнитный компрессор работают на воздухе. Высоковольтные элементы начиная с ИТ размещены в баке с трансформаторным маслом. SOS собран в виде четырех параллельных панелей. В каждой панели последовательно размещены 30 диодов типа КЦ105Д. Максимальная плотность обратного тока в структурах перед его обрывом - 17,5 кА/см2. Выходной импульс напряжения на резисторе с сопротивлением 200 Ом показан на рис. 22. Отсутствие газоразрядных коммутаторов в схеме обусловливает высокую стабильность формы выходного импульса. При частоте следования импульсов 50 Гц нестабильность параметров составляет десятые доли процента.

Для оценки возможности создания генераторов мегавольтного уровня напряжения со средней мощностью в десятки кВт была разработана установка «Сибирь» [58] со следующими выходными параметрами: импульсное напряжение - 1 МВ, ток - 8 кА, длительность импульса 60 - 100 не и частота следования импульсов - 150 Гц. Потребляемая мощность - 107 кВт, мощность, подводимая к прерывателю тока - 75 кВт, расчетная величина выходной мощности ~ 50 кВт. Схема установки приведена на рис. 23. Генератор состоит из трех модулей: тиристорного зарядного устройства ТЗУ, промежуточного магнитного компрессора ПМК и высоковольтного модуля ВВМ, размещенного в баке с трансформаторным маслом. Габариты ВВМ: 3,7 х 1,4 х 1,2 м3, масса около 7 т.

Генератор питается от трехфазной сети с установленной мощностью 110 кВА. Первичный накопитель С1 в ТЗУ резонансно заряжается от сети до напряжения 900 В за 5 мс. Ток заряда этого конденсатора перемагничивает сердечник импульсного трансформатора ИТ1, установленного в ПМК. После включения тиристора Т энергия из первичного накопителя передается в ПМК через ИТ1 в конденсаторы С2 на уровень напряжения 16 кВ за время ~ 100 мкс. Ток заряда верхнего конденсатора С2 перемагничивает сердечники ключа MS1 и трансформатора ИТ2. После насыщения сердечника ИТ1 нижний конденсатор С2 перезаряжается, что приводит к нарастанию напряжения на ключе MS1 до 30 кВ за время 25 мкс. Насыщение сердечника MS1 инициирует процесс передачи энергии из ПМК в ВВМ через ИТ2: конденсаторы СЗ заряжаются до ~ 240 кВ за время 8 мкс. Аналогичным образом в этом процессе происходит перемагничивание сердечников магнитных ключей MS+ и MS". Последующая инверсия напряжения на левом конденсаторе СЗ и насыщение сердечника ключа MS+ инициируют процесс прямой накач-

,, 60 мкФ

Hl—^^

+

MS1 _-Г

60 мкФ

t^Z

воздух

ИТ

масло SOS

+ II -

MS

Сн

- и + - + II -

-II—

3,3 нФ 3,3 нФ

1,6 нФ

MS

sos

220 В

50 Гц —0

Рис. 20. Схема генератора с выходным напряжением 200 кВ.

Рис. 21. Внешний вид генератора на 200 кВ. Рис. 22. Напряжение

Внизу расположены элементы высоковольтного мо- на нагрузке 200 Ом.

дуля: прерыватель тока, магнитные ключи, трансформатор и конденсаторы накачки; вверху - элементы тиристорного зарядного устройства.

ки прерывателя тока, при котором происходит заряд конденсатора С4 до ~ 400 кВ. Амплитуда прямого тока - 3 кА, длительность - 0,6 мкс. После насыщения ключа MS" в прерыватель вводится обратный ток и энергия переходит из конденсатора С4 в индуктивность обмотки ключа МБ- и индуктивный накопитель LH. Обрыв тока прерывателем переключает ток в нагрузку и генерирует на ней выходной высоковольтный импульс.

Прерыватель тока SOS состоит из 12 параллельных панелей, в каждой из которых установлено по 8 последовательных диодов СДЛ-0,4-1600. Панели окружают изолятор нагрузки, в качестве которой использовался раствор NaCI в воде, фотография этой части установки приведена на рис. 24.

При испытаниях первых двух модулей установки - ТЗУ и ПМК - была достигнута выходная средняя мощность 95 кВт в постоянном режиме работы при частоте следования импульсов 150 Гц. Энергия выводилась в охлаждаемую проточной водой нагрузку величиной 4 Ом. Полностью собранный генератор в режиме холостого хода развивал напряжение 1,1 МВ. При работе на водяную нагрузку величиной 200 Ом на выходе генератора были получены импульсы амплитудой 730 кВ, длительностью на полувысоте 120 не, частотой следования 150 Гц и средней мощностью 34 кВт. Отличие выходных характеристик, полученных при испытаниях, от расчетных связано с большой индуктивностью ключа MS" в насыщенном состоянии. По этой причине величина обратного тока, вводимого в прерыватель, составила 7 кА вместо 11 кА. Увеличенная индуктивность элемента МБ" привела также к снижению амплитуды импульса и увеличению его длительности. На рис. 25 приведены характерные осциллограммы импульсов, полученных при испытаниях генератора.

Одновременно с разработкой генератора «Сибирь» на модели его высоковольтного модуля, изготовленного в масштабе 1:10 по напряжению и 1:100 по энергии, были проведены частотные испытания диодов серии СДЛ при их работе в качестве прерывателей тока. Для уменьшения теплового сопротивления между полупроводниковыми структурами и охлаждающей средой диоды очищались от наружной эпоксидной изоляции. Короткая длительность импульса на прерывателе позволяла использовать в качестве охладителя проточную водопроводную воду. Прерыватель тока содержал 18 параллельных диодов СДП-0,4-1300. Были получены импульсы амплитудой 140 кВ, длительностью 80 - 100 не с частотой до 2 кГц. Частота ограничивалась перегревом сердечников магнитных ключей и диодов прерывателя тока. В постоянном режиме работы с частотой 1 кГц без перегрева диодов и сердечников средняя мощность в нагрузке составляла 11-12 кВт при полном к.п.д. около 50%. Эксперименты показали, что максимальная частота

• — масло ИТ2 ввм rsos

сз +„- СЗ MS С4 Rh

II II MS" IÍ II SOS

Рис. 23. Схема генератора «Сибирь».

I, кА 2

О -2 -4 -6 -8

а)

\ /

\ /

\ /

^ НС

I, кА

2

1 О -1 -2 -3

U, кВ

200

О -200 -400 -600 -800

О

200 400 600

б)

N не

400 800 1200

I / \ ,В)

\ /

* /

\i 1

и кнс

200 400 600

Рис. 24. Выходная часть установки «Сибирь»: панели прерывателя тока и нагрузка.

Рис. 25. Осциллограммы импульсов генератора «Сибирь»: а) - ток в ключе обратной накачки MS"; б) - ток четырех панелей прерывателя тока SOS (третья часть полного тока прерывателя); в) - выходное напряжение на нагрузке 200 Ом.

следования импульсов генераторов с полупроводниковым прерывателем тока не имеет принципиальных ограничений, связанных непосредственно с прерывателем, а определяется только тепловым режимом работы элементов схемы, временем заряда первичного накопителя, временем восстановления тиристоров в ТЗУ, т.е. теми же причинами, что и в обычных электротехнических преобразовательных устройствах.

Был также разработан настольный малогабаритный генератор [59] для применения в исследованиях стримерного коронного разряда в воздухе. Схема генератора приведена на рис. 26. Отличие от ранее описанных устройств состоит в использовании импульсного трансформатора вместо магнитного ключа обратной накачки. Это позволило все предварительные ступени сжатия энергии выполнить с рабочим напряжением не более 40 кВ и расположить их в корпусе с воздушной изоляцией. В масляном баке находятся только элементы обратной накачки прерывателя. Генератор имеет выходное напряжение 200 кВ, ток 1 кА, длительность импульса 40 - 50 не, частоту следования импульсов в постоянном режиме 30 - 50 Гц. В режиме пачки импульсов длительностью 1 минута частота следования импульсов составляет 300 Гц. Рис. 29 иллюстрирует внешний вид прибора. Элементы генератора смонтированы в два этажа. На нижнем этаже расположены ТЗУ и ПМК, на верхнем - масляный бак с высоковольтным модулем. Размеры корпуса - 650 х 600 х 320 мм3, масса около 80 кГ.

На рис. 27-28 приведены осциллограммы импульсов выходного напряжения и обратного тока через один из диодов прерывателя. Резкое увеличение обратного тока перед его обрывом на рис. 27 связано с переключением в этот диод тока из другого диода прерывателя, отключающего ток раньше. Нагрузочные характеристики приведены на рис. 30. Поскольку выходной каскад генератора представляет собой индуктивный накопитель энергии, то амплитуда формируемого импульса определяется величиной сопротивления нагрузки. При увеличении сопротивления от 50 до 220 Ом выходное напряжение возрастает от 100 до 215 кВ. Длительность импульса при этом изменяется от 50 до 40 не. Такой вид нагрузочной характеристики особенно предпочтителен при использовании описанных генераторов для зажигания объемных и стримерных газовых разрядов. При подаче импульса на газовый промежуток на стадии зажигания разряда, когда ток разряда незначителен, генератор работает в режиме холостого хода и обеспечивает быстрый рост перенапряжения, а на стадии горения разряда индуктивный накопитель поддерживает ток в промежутке. При этом амплитуда тока разряда и его длительность слабо зависят от напряжения горения разряда.

50 мкФ +.. -

ТЗУ

Рис. 26. Схема малогабаритного генератора с импульсным трансформатором в цепи накачки прерывателя тока.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Рукин, Сергей Николаевич

Основные результаты, полученные в работе, сводятся к следующему:

1. Обнаружен и исследован эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках, получивший название SOS-эффекта. Установлены области его существования и исследована физическая картина явления. Показано качественное отличие SOS-эффекта от других принципов коммутации тока в полупроводниковых приборах. Показано и экспериментально подтверждено, что SOS-эффект представляет собой основу для построения полупроводниковых прерывателей тока нового класса, сочетающих мегавольтный уровень рабочего напряжения и обрываемый ток в единицы и десятки кА при наносекундном времени его отключения.

2. Разработан новый схемный подход для построения мощных наносе-кундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии, в котором функцию оконечного усилителя импульсной мощности выполняет полупроводниковый прерыватель тока. Такой подход исключает необходимость применения звеньев магнитного сжатия энергии наносекундного диапазона времени, что позволяет в несколько раз увеличить частоту следования импульсов и среднюю мощность наносекундных высоковольтных генераторов.

3. Для работы в условиях SOS-эффекта разработана новая полупроводниковая структура, на основе которой созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса - SOS-диоды, представляющие собой твердотельные наносекундные прерыватели тока высокой плотности и имеющие рабочее напряжение в сотни кВ, обрываемый ток - единицы и десятки кА, время обрыва тока - единицы наносекунд и частоту следования импульсов килогерцового диапазона.

4. На основе SOS-диодов разработаны наносекундные частотные генераторы высоковольтных импульсов с полностью твердотельной системой коммутации. Эксплуатация установок продемонстрировала высокую надежность как SOS-диодов, так и генераторов в целом. Полученные результаты являются основой для создания компактных наносекундных генераторов с выходным напряжением от 100 кВ до 1 MB, средней мощностью в единицы и десятки кВт и частотой следования импульсов от сотен Гц до единиц кГц.

5. Экспериментально обнаружен субнаносекундный обрыв тока в SOS-диодах. Показано, что при уменьшении времени обратной накачки с 30 до 10 не время обрыва тока уменьшается с 4 - 5 не до 500 пс. Такие коммутационные характеристики субнаносекундного SOS-диода, как амплитуда напряжения (150 кВ), отключаемый ток (1 кА), время отключения тока (500 пс), скорость отключения плотности тока (6-Ю12 А/см2с), скорость нарастания напряжения на нагрузке (1014 В/с), являются рекордными для полупроводниковых приборов и соответствуют аналогичным характеристикам газовых искровых разрядников высокого давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук в форме науч. докл. Рукин, Сергей Николаевич, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Список цитируемой литературы

1. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Советское радио. 1974. 256 С.

2. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф. Сильноточные наносе-кундные коммутаторы. Новосибирск: Наука. 1979. 176 С.

3. Guenther A., Kristiansen М., Martin Т. Opening switches. N.Y.: Plenum Press. 1987. 313 P.

4. Mendel C.W., Goldstein S.A. A fast-opening switch for use in REB diode experiments // J. Appl. Phys. 1977. V. 48. N 3. P. 1004-1006.

5. Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. Генератор мощных наносекундных импульсов с вакуумной линией и плазменным прерывателем // Доклады Академии Наук. 1985. Т. 284. N 4. С. 857-859.

6. Котов Ю.А., Колганов Н.Г., Ковальчук Б.М. Быстродействующий размыкатель на основе электрически взрываемых проволочек // Приборы и техника эксперимента. 1974. N 6. С. 107-109.

7. Schoenbach К.Н., Lakdawala V.K., Stoudt D.C. et al. Electron-beam-controlled high-power semiconductor switches // IEEE Trans. On Electron Devices. 1989. V. 36. N 9. P. 1793-1802.

8. Stoudt D.C., Kenney J.S., Schoenbach K.H.

Inductive energy storage using a fast-opening bulk optically controlled semiconductor switch (BOSS) // Proc. 9th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA. 1993. V. 1. P. 123-126.

9. Еремин C.A., Мокеев O.K., Носов Ю.Р.

Полупроводниковые диоды с накоплением заряда и их применение. М.: Советское радио. 1966. 153 С.

10. Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Шендерей С.В. Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на полупроводниковых диодах с дрейфовым механизмом восстановления напряжения // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. Вып. 7. С. 435-439.

11. Тучкевич В.М., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.: Наука. 1988. 117 С.

12. Efanov V.M., Kardo-Sysoev A.F., Larionov М.А. et al. Powerful semiconductor 80 kV nanosecond pulser // Abstracts of 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA. 1997. P. 273.

13. Grekhov I.V. Mega and Gigawatts-ranges, repetitive mode semiconductor closing and opening switches // Abstracts of 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA. 1997. P. 108.

14. Benda H., Spenke E. Reverse recovery processes in silicon power rectifiers // Proc. IEEE. 1967. V. 55. N 8. P. 1331-1354.

15. Вечерковский В.В., Дударь А.И., Исаков Е.А. и др. Система высоковольтной синхронизации наносекундного сильноточного ускорителя // VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Т. 3. С. 216 - 218. 1990. Свердловск.

16. Кнопфель Г.

Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир. 1972. 391 С.

17. Кремнев В.В., Месяц Г.А.

Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск: Наука. 1987. 226 С.

18. Коровин С.Д. Трансформатор Тесла в сильноточных импульсно-перио-дических ускорителях. Томск: Препринт ИСЭ СО РАН N 47. 1988. 38 С.

19. Васильев В.В., Луконин Е.И., Фурман Э.Г. Импульсная система заряда формирующих линий ускорителя с высокой частотой срабатывания // Приборы и техника эксперимента. 1987. N 6. С. 81-83.

20. Меерович Л.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. М.: Советское радио. 1968. 476 С.

21. Мешков А.Н. Магнитные генераторы мощных наносекундных импульсов (обзор) // Приборы и техника эксперимента. 1990. N 1. С. 23-36.

22. Белкин B.C., Марин О.Ю., Шульженко Г.И. Формирование высоковольтных наносекундных импульсов на серийных диодах // Приборы и техника эксперимента. 1992. N 6. С. 120-124.

23. Harjes Н.С., Penn K.J., Reed K.W. et al. Status of the repetitive high energy pulsed power project // Proc. of 8th IEEE Int. Pulsed Power Conf. San Diego, CA, USA. 1991. P. 543-548.

24. Stone R., VanSant J., Bahowick S. et al. Core cooling studies at LLNL and Sandia // Int. Magnetic Pulse Compression Workshop. Granlibakken, CA, USA. February 12-14, 1990. V. 2. P. 104-113.

25. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. Л.: Энергия. 1971. 148 С.

26. Duane W.E., Ron D.W. Fast recovery epitaxial diodes (FRED'S) // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 1988. Part 1. P. 2-7.

27. Потапчук B.A., Мешков O.M. Силовые супербыстродействующие эпи-таксиально-диффузионные диоды // Электротехника. 1996. N 12. С. 14-16.

28. Assalit Н.В., Erikson L.O., Wu S.J. High power controlled soft recovery diode design and application // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 1979. P. 1056-1061.

29. Chu С.К., Johnson J.E., Spisak P.В., Kao Y.C. Design consideration on high power soft recovery rectifiers // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 1980. P. 720-722.

30. Грехов И.В., Гейфман Е.М., Костина Л.С. Исследование переходного процесса переключения силового диода с накоплением заряда // Журнал технической физики. 1983. Т. 53. Вып. 4. С. 726-729.

2. Список работ по теме диссертации

31. Дарзнек С.А., Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. SOS-эффект: наносе-кундный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках. //Доклады Академии Наук. 1994. Т. 334. N 3. С. 304 - 306.

32. Рукин С.Н. Генератор высоковольтных импульсов. //Авт. свид. N 1531190. БИ. 1989. N 47.

33. Котов Ю.А., Рукин С.Н. Зарядные и пусковые схемы мегавольтных ГИН частотного режима работы. // VII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Т. 3. С. 102. 1988. Томск.

34. Рукин С.Н. Трехэлектродный разрядник. //Авт. свид. N 1640766. БИ. 1991. N 13.

35. Новоселов Ю.Н., Рукин С.Н., Сурков Ю.С. Каскадный генератор импульсных напряжений. //Авт. свид. N 1660139. БИ. 1991. N 24.

36. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Частотный генератор Аркадьева-Маркса. // VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Т. 3. С. 32 - 34. 1990. Свердловск.

37. Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Автоматический запуск импульсных разрядников. // VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Т. 3. С. 76 - 78. 1990. Свердловск.

38. Рукин С.Н. Частотные ГИН с полупроводниковыми зарядными цепями. //Научно-техническая конференция "Создание комплексов электротехнического оборудования сильноточной техники". Тезисы докладов. Т. 2. С. 103. 1989. Москва.

39. Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Генератор высоковольтных импульсов. //Авт. свид. N 1734196. БИ. 1992. N 18.

40. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Устройство для запуска импульсного разрядника. //Патент РФ N 1769352. БИ. 1992. N 38.

41. Рукин С.Н. Импульсный разрядник. //Авт. свид. N 1792208. 1992.

42. Kotov Yu.A., Rukin S.N. High repetition rate megavolt Marx generators. // In Proc.: IX Int. Conf. on High Power Particle Beams. Washington, DC, USA, 1992. V. 1. P. 670 -675.

43. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Генератор импульсов высокого напряжения. // Патент РФ N 2012129. БИ. 1994. N 8.

44. Любутин С.К., Рукин С.Н., Тимошенков С.П. Исследование полупроводникового размыкателя тока в мощных импульсных генераторах с промежуточным индуктивным накопителем. // IX Симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. С. 218 - 219. 1992. Россия.

45. Котов Ю.А., Рукин С.Н., Филатов А.Л. Сильноточный ускоритель электронов с полупроводниковым прерывателем тока. // IX Симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. С. 220 - 221. 1992. Россия.

46. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Тимошенков С.П. Устройство запуска частотного разрядника. // IX Симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. С. 289 - 290. 1992. Россия.

47. Бушляков А.И., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Тимошенков С.П. Частотные искровые разрядники с продольной прокачкой газа. // IX Симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. С. 293 - 294. 1992. Россия.

48. Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Rukin S.N., Filatov A.L., Slovikovskii B.G., Timoshenkov S.P., Bushlyakov A.I. Megavolt repetitive high average power electron beam accelerator RUSLAN. // In Proc.: IX Int. IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, USA, 1993. V. 1. P. 151 - 155.

49. Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Rukin S.N., Filatov A.L., Lyubutin S.K. A novel nanosecond semiconductor opening switch for megavolt repetitive pulsed power technology: experiment and applications. // In Proc.: IX Int. IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, USA, 1993. V. 1. P. 134 -139.

50. Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин C.H., Филатов А.Л. Твердотельный прерыватель тока для генерирования мощных наносекундных импульсов. //Доклады Академии Наук. 1993. Т. 330. N 3. С. 315 - 317.

51. Бушляков А.И., Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Тимошенков С.П. Автоматический запуск частотных искровых разрядников. //Приборы и техника эксперимента. 1993. N 5. С. 106 - 108.

52. Рукин С.Н. Параллельное включение разрядников в генераторе Аркадьева-Маркса. //Приборы и техника эксперимента. 1987. N 6. С. 100 - 104.

53. Rukin S.N., Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Filatov A.L., Lyubutin S.K., Alichkin E.A., Darznek S.A., Telnov V.A., Slovikovskii B.G., Timoshenkov S.P., Bushlyakov A.I., Turov A.M. Pulsed power accelerator technology based on solid-state semiconductor opening switches (SOS). // In Proc.: X Int. Conf.

on High Power Particle Beams., San Diego, CA, USA, 1994. V. 1. P. 33 -36.

54. Любутин С.К., Рукин С.Н., Тимошенков С.П. Генератор импульсов высокого напряжения. // Патент РФ N 2063103. БИ. 1996. N 18.

55. Котов Ю.А., Любутин С.К., Рукин С.Н., Филатов А.Л. Сильноточный импульсный ускоритель. // Патент РФ N 2059345. БИ. 1996. N 12.

56. Бушляков А.И., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Тимошенков С.П. Мега-вольтный генератор Маркса с частотой следования импульсов 200 Гц. //Приборы и техника эксперимента. 1995. N 2. С. 107 - 116.

57. Mesyats G.A., Rukin S.N., Lyubutin S.K., Darznek S.A., Litvinov Ye:A., Tel-nov V.A., Tsiranov S.N., Turov A.M. Semiconductor opening switch research at IEP. // In Proc.: X Int. IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, USA, 1995. V. 1. P. 298 - 305.

58. Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Rukin S.N., Telnov V.A., Slovikovskii B.G., Timoshenkov S.P., Bushlyakov A.I. Megavolt nanosecond 50 kW average power all-solid-state driver for commercial applications. // In Proc.: X Int. IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, USA, 1995. V. 2. P. 1227 - 1230.

59. Rukin S.N., Lyubutin S.K., Kostirev V.V., Telnov V.A. Repetitive 200 kV nanosecond all-solid-state pulser with a semiconductor opening switch. // In Proc.: X Int. IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, USA, 1995. V. 2. P. 1211 - 1214.

60. Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Korzhenevskii S.R., Motovilov V.A., Rukin S.N., Skotnikov V.A., Filatov A.L. Compact repetitive electron beam and X-radiation generator. // In Proc.: X Int. IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, USA, 1995. V. 2. P. 1231 - 1238.

61. Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Rukin S.N., Filatov A.L., Lyubutin S.K. Nanosecond semiconductor opening switch for megavolt repetitive pulsed power technology. //In Proc.: Int. Society for Optical Engineering (SPIE), San Hose, USA, 1995. V. 2374. P. 98 - 103.

62. Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Rukin S.N., Slovikovskii B.G., Turov A.M. New solid-state opening switches for repetitive pulsed power technology. // In Proc.: XI Int. Conf. on High Power Particle Beams., Prague, Czech Republic, 1996. V. 1. P. 135 - 138.

63. Darznek S.A., Mesyats G.A., Rukin S.N., Tsiranov S.N. Theoretical model of the SOS effect. // In Proc.: XI Int. Conf. on High Power Particle Beams., Prague, Czech Republic, 1996. V. 2. P. 1241 - 1244.

64. Рукин C.H. Устройство магнитного сжатия импульса. // Патент РФ N 2089042. БИ. 1997. N 24.

65. Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Rukin S.N., Slovikovskii B.G. Repetitive nanosecond all-solid-state pulsers based on SOS diodes. // Abstracts of 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA. 1997. P. 277.

66. Lyubutin S.K., Mesyats G.A., Rukin S.N., Slovikovskii B.G. Subnanosecond high-density current interruption in SOS diodes. // Abstracts of 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Baltimore, Maryland, USA. 1997. P. 162.

67. Дарзнек C.A., Месяц Г.А., Рукин C.H. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых прерывателях сверхплотных токов. //Журнал технической физики. 1997. Т. 67. Вып. 10. С. 64-70.