شبكة تشكيل النبض

شبكة توليد النبضات ( PFN ) هي دائرة كهربائية تُخزّن الطاقة الكهربائية على مدى فترة زمنية طويلة نسبيًا، ثم تُطلق الطاقة المُخزّنة على شكل نبضة مربعة الشكل ذات مدة قصيرة نسبيًا، وذلك لتطبيقات الطاقة النبضية المختلفة . في شبكة توليد النبضات، تُشحن مكونات تخزين الطاقة، مثل المكثفات والمحاثات وخطوط النقل ، بواسطة مصدر طاقة عالي الجهد ، ثم تُفرّغ بسرعة في الحمل عبر مفتاح عالي الجهد ، مثل فجوة الشرارة أو ثايراترون الهيدروجين . تتراوح معدلات التكرار من نبضة واحدة إلى حوالي 10⁴ ^نبضة في الثانية. تُستخدم شبكات توليد النبضات لإنتاج نبضات كهربائية منتظمة قصيرة المدة لتشغيل أجهزة مثل مذبذبات أنبوب الكليسترون أو الماغنترون في أجهزة الرادار ، والليزر النبضي ، ومسرعات الجسيمات ، وأنابيب الوميض ، ومعدات اختبار المرافق عالية الجهد.

تُشغَّل العديد من معدات البحث عالية الطاقة بنظام النبضات، وذلك لتقليل تبديد الحرارة، ولأن فيزياء الطاقة العالية غالباً ما تحدث على نطاقات زمنية قصيرة، لذا تُستخدم شبكات النبضات الكبيرة على نطاق واسع في أبحاث الطاقة العالية. وقد استُخدمت هذه الشبكات لإنتاج نبضات نانوثانية بفولتية تصل إلى 10⁶ ^- 10⁷ ^فولت وتيارات تصل إلى 10⁶ ^أمبير ، مع قدرة ذروة في نطاق التيراواط، تُشبه قوة البرق .

تتكون شبكة نقل النبضات (PFN) من سلسلة من المكثفات والمحاثات عالية الجهد لتخزين الطاقة . تُربط هذه المكونات معًا على شكل " شبكة سلمية " تعمل بشكل مشابه لخط نقل . لهذا السبب، تُسمى شبكة نقل النبضات أحيانًا " خط نقل اصطناعي ". تُخزن الطاقة الكهربائية مبدئيًا داخل مكثفات شبكة نقل النبضات المشحونة بواسطة مصدر طاقة تيار مستمر عالي الجهد. عند تفريغ شبكة نقل النبضات، تُفرغ المكثفات بالتتابع، مما يُنتج نبضة مستطيلة الشكل تقريبًا. تُنقل هذه النبضة إلى الحمل عبر خط النقل . يجب أن تكون معاوقة شبكة نقل النبضات متوافقة مع معاوقة الحمل لمنع انعكاس الطاقة عائدةً إلى الشبكة.

يمكن استخدام جزء من خط النقل كشبكة لتشكيل النبضات. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وهذا يمكن أن ينتج نبضات مسطحة القمة إلى حد كبير، ولكن مع عيب استخدام طول كبير من الكابل.

في مولد نبضات خط نقل مشحون بسيط (الرسم المتحرك، على اليمين)، يتم توصيل جزء من خط النقل، مثل _كابل محوري، _عبر مفتاح بحمل مطابق RL عند أحد طرفيه، وبمصدر جهد مستمر V عند الطرف الآخر عبر مقاومة RS _، وهي قيمة كبيرة مقارنةً بالممانعة المميزة Z₀ للخط. ^{[ 1 ]} عند توصيل مصدر الطاقة، يتم شحن سعة الخط ببطء عبر RS _. عند إغلاق المفتاح، يتم تطبيق جهد يساوي V /2 على الحمل، وتبدأ الشحنة المخزنة في الخط بالتفريغ عبر الحمل بتيار V / 2Z₀ _، وتنتقل نبضة جهد عبر الخط باتجاه المصدر. ^{[ 2 ]} يكون طرف المصدر للخط دائرة مفتوحة تقريبًا نظرًا لارتفاع قيمة RS _، [ ^{1 ]} لذا تنعكس النبضة دون انعكاس وتعود نزولًا عبر الخط باتجاه الحمل ^. والنتيجة هي تطبيق نبضة جهد على الحمل لمدة تساوي 2D / c ، حيث D هو طول الخط، و c هي سرعة انتشار النبضة في الخط. ^{[ 1 ]} عادةً ما تكون سرعة الانتشار في خطوط النقل النموذجية أكثر من 50% من سرعة الضوء . على سبيل المثال، في معظم أنواع الكابلات المحورية، تبلغ سرعة الانتشار حوالي ثلثي سرعة الضوء، أو 20 سم/نانو ثانية. 

تستخدم شبكات نقل الطاقة عالية القدرة عمومًا خطوط نقل متخصصة تتكون من أنابيب مملوءة بالزيت أو الماء منزوع الأيونات كعازل لتحمل الإجهاد الناتج عن الطاقة العالية. ^{[ 2 ]}

من عيوب مولدات نبضات PFN البسيطة أنه نظرًا لضرورة مطابقة خط النقل مع مقاومة الحمل R_{_L} لمنع الانعكاسات، فإن الجهد المخزن على الخط ينقسم بالتساوي بين مقاومة الحمل والمعاوقة المميزة للخط، وبالتالي فإن نبضة الجهد المطبقة على الحمل لا تتجاوز نصف جهد مصدر الطاقة. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

خط نقل بلوملين

اخترع المهندس البريطاني آلان بلوملين عام 1937 دائرة خط نقل تتجاوز المشكلة المذكورة أعلاه، وتنتج نبضة خرج تساوي جهد مصدر الطاقة V ، ^{[ 3 ]} وهي تُستخدم على نطاق واسع اليوم في شبكات نقل النبضات. ^{[ 1 ]} في مولد بلوملين (الرسم المتحرك، على اليمين)، يُوصل الحمل على التوالي بين خطي نقل متساويي الطول، يُشحنان بواسطة مصدر طاقة تيار مستمر من أحد طرفيهما (لاحظ أن الخط الأيمن يُشحن عبر مقاومة الحمل). ^{[ 1 ]} ولإطلاق النبضة، يقوم مفتاح بتقصير دائرة الخط عند طرف مصدر الطاقة، مما يتسبب في انتقال نبضة جهد سالبة باتجاه الحمل. بما أن المعاوقة المميزة Z₀ للخط تساوي نصف معاوقة الحمل R₁L _{، فإن} نبضة الجهد تنعكس نصفها وتنتقل نصفها الآخر، ^{[ 1 ]} مما ينتج عنه نبضتان متناظرتان متعاكستان في القطبية تنتشران بعيدًا عن الحمل، مُحدثتين بينهما انخفاضًا في الجهد مقداره V /2 − (−V / 2) = V عبر الحمل. تنعكس نبضات الجهد من الأطراف وتعود، منهيةً النبضة. وكما هو الحال في مولدات خطوط الشحن الأخرى، فإن مدة النبضة تساوي 2D / c ، حيث D هو طول خطوط النقل الفردية. ^{[ 1 ]} ومن المزايا الأخرى لتصميم بلوملين إمكانية تأريض جهاز التبديل، بدلًا من وضعه في جانب الجهد العالي لخط النقل كما هو الحال في خط الشحن التقليدي، مما يُعقّد إلكترونيات التشغيل.  

عند تلقي الأمر، يقوم مفتاح الجهد العالي بنقل الطاقة المخزنة داخل شبكة توزيع الطاقة (PFN) إلى الحمل. وعندما يُغلق المفتاح ، تُولّد شبكة المكثفات والمحاثات داخل شبكة توزيع الطاقة نبضة خرج مربعة الشكل تقريبًا ، قصيرة المدة وعالية الطاقة. وتُصبح هذه النبضة عالية الطاقة مصدرًا قصيرًا للطاقة العالية للحمل.

أحيانًا، يُستخدم محول نبضي مصمم خصيصًا لتوصيل مُوَزِّع الطاقة النبضي (PFN) بالحمل. تُحسِّن هذه التقنية مطابقة المعاوقة بين مُوَزِّع الطاقة النبضي والحمل، مما يُحسِّن كفاءة نقل الطاقة . عادةً ما يكون استخدام محول نبضي ضروريًا عند تشغيل أجهزة ذات معاوقة عالية، مثل الكليسترونات أو الماغنيترونات، باستخدام مُوَزِّع الطاقة النبضي. نظرًا لأن مُوَزِّع الطاقة النبضي يُشحن خلال فترة طويلة نسبيًا ثم يُفرَّغ خلال فترة قصيرة جدًا، فقد تصل ذروة طاقة النبضة الخارجة إلى ميغاواط أو حتى تيراواط.

يُطلق على مجموعة مصدر الجهد العالي، وPFN، ومفتاح الجهد العالي، ومحول النبض (عند الحاجة) أحيانًا اسم " معدل الطاقة " أو " مولد النبض ".

• نبضة (معالجة الإشارات)
• مولد النبضات
• طاقة نبضية
• ثيراترون
• الثايرستور
• فجوات شرارة مُحفزة
• مولد ماركس
• كروساترون
• ليزر نبضي
• رادار

• إريك هاين، " التحويل ". قسم الإلكترونيات في NIKHEF، أمستردام، هولندا.
• ريبي، كينيث ب.، " شبكة تشكيل نبضات عالية الجهد بالميكروثانية ". مراجعة الأدوات العلمية، المجلد 48 (8)، الصفحات  1028-1030. أغسطس 1977. ( ملخص )
• Glasoe, G. Norris , Lebacqz, Jean V., " Pulse Generators “ , Mcgraw-Hill, MIT Radiation Laboratory Series, Volume 5, 1948.