超緊湊型高壓納秒脈沖源的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種超緊湊型高壓納秒脈沖源，所述脈沖變壓器設計變比為17，使用硅鋼磁芯，含4個繞組，兩初級繞組連接外部儲能電源，兩高壓繞組連接同軸結(jié)構(gòu)的高壓電極；所述高壓電極與外筒構(gòu)成諧振電容；所述諧振電感采用漆包線在絕緣件上繞制，兩端分別連接高壓電極和納秒脈沖形成線的內(nèi)筒；所述納秒脈沖形成線內(nèi)筒的另一端過渡為球形，作為自擊穿開關(guān)的一極，由自擊穿開關(guān)調(diào)整充電電壓；所述傳輸線采用單層同軸結(jié)構(gòu)，將脈沖高壓傳輸至負載。本實用新型的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)極為緊湊，輸出脈沖寬度約4ns，電壓最高800kV，總重量小于100kg，為脈沖硬X射線輻射場、高功率微波以及電磁脈沖等研究提供可移動的輸出功率。
【專利說明】超緊湊型高壓納秒脈沖源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及快脈沖高電壓產(chǎn)生技術(shù)，尤其涉及一種超緊湊型高壓納秒脈沖源。

【背景技術(shù)】
[0002]快脈沖高電壓產(chǎn)生技術(shù)是脈沖功率技術(shù)及其相關(guān)應用領(lǐng)域的核心研究內(nèi)容。脈沖源產(chǎn)生的高電壓脈沖輸出至真空電子束二極管、高功率微波負載和電磁脈沖負載等，可產(chǎn)生相應的輻射脈沖，在閃光照相、高功率微波武器以及輻射和電磁脈沖效應等研究領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。
[0003]在很多應用條件下，需要脈沖源產(chǎn)生的電壓幅度盡可能高(數(shù)百千伏至兆伏)，時間寬度盡可能小(幾納秒至幾百皮秒)，且結(jié)構(gòu)緊湊易于移動。例如，產(chǎn)生峰值電壓500kV以上、時間寬度小于5ns的脈沖電壓，加載至真空電子束二極管的陰陽極間，陰極靶面出射電子束并加速轟擊陽極靶，產(chǎn)生平均能量?lOOkeV、脈沖寬度小于5ns的超短脈沖硬X射線，用于爆轟物理實驗、等離子體內(nèi)爆靶丸壓縮等物理過程的瞬態(tài)透射圖像診斷，或用于快響應閃爍體對X射線的探測性能等的實驗研究。
[0004]與本實用新型相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)包括:
[0005]一、采用快Marx發(fā)生器技術(shù)，多個電容串聯(lián)放電，可產(chǎn)生電壓幅度數(shù)百kV、脈沖寬度數(shù)十納秒的脈沖電壓。該技術(shù)存在的缺點是脈沖寬度無法達到納秒量級，裝置體積大。
[0006]二、采用脈沖變壓器加形成線技術(shù)，如特斯拉變壓器，可產(chǎn)生電壓幅度數(shù)百kV、脈沖寬度在納秒量級的脈沖電壓。該技術(shù)存在的缺點是，要在高壓輸出時實現(xiàn)可靠絕緣，需要裝置的體積大，難以移動。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型克服了現(xiàn)在技術(shù)中的缺點，提供了一種超緊湊型高壓納秒脈沖源，結(jié)構(gòu)極為緊湊，輸出脈沖寬度約4ns，總重量小于100kg，為脈沖硬X射線輻射場、高功率微波以及電磁脈沖等研究提供可移動的輸出功率。
[0008]本實用新型的技術(shù)方案是:一種超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:包括外筒和依次設置在外筒內(nèi)的脈沖變壓器、高壓電極、諧振電感、納秒脈沖形成線、自擊穿開關(guān)和傳輸線；所述脈沖變壓器設計變比為17，使用硅鋼磁芯，含4個繞組，高壓端過渡至同軸結(jié)構(gòu)；所述高壓電極由絕緣子與脈沖變壓器進行高壓隔離；所述諧振電感采用漆包線在絕緣件上繞制而成，所述絕緣件的兩端通過螺紋分別與高壓電極和納秒脈沖形成線的內(nèi)筒連接，所述納秒脈沖形成線內(nèi)筒的另一端過渡為球形，作為自擊穿開關(guān)的一極。
[0009]所述外筒包括外筒端部及依次連接的外筒磁芯段、外筒高壓段、外筒形成線段和外筒傳輸線段。
[0010]所述外筒端部與脈沖變壓器相鄰的面為內(nèi)球面。
[0011]所述外筒磁芯段插入外筒高壓段內(nèi)部，二者緊密配合并使用膠圈密封。
[0012]所述外筒形成線段包括漸縮型過渡段和形成線直管段。
[0013]所述外筒傳輸線段包括漸縮型過渡段和傳輸線直管段。
[0014]所述脈沖變壓器包括由鋁質(zhì)緊固件固定的磁芯組件。
[0015]所述磁芯組件包括四個相同尺寸的半月形磁芯；所述鋁質(zhì)緊固件的中間部位設置有繞組絕緣子。
[0016]所述繞組絕緣子形狀為3/4個紡錘形筒體，且表面有刻槽。
[0017]所述脈沖變壓器的初次級線圈各兩組，等效于兩個變壓器并聯(lián)；兩個初級繞組在繞組絕緣子的兩端繞制，使用帶絕緣皮的導線分別繞制兩匝，繞組的一端連接至輸入電纜接頭，另一端連接至鋁質(zhì)緊固件作為接地端，兩繞組繞線方向保證各自產(chǎn)生的磁場同向；兩個次級繞組使用銅質(zhì)漆包線繞制，導線直徑1mm，分別從繞組絕緣子的兩端向中心各繞制33.5匝，在脈沖變壓器的另一端面引出兩個接頭，焊接后接入高壓電極，每匝漆包線均繞制在繞組絕緣子的刻槽中，每隔一槽在槽底墊四根直徑0.8_的尼龍線，靠近磁芯側(cè)面段每隔一匝套一根塑料螺旋管，兩繞組繞線方向保證各自產(chǎn)生的磁場同向。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點是:采用巧妙的變壓器設計，獨特的磁芯形狀和繞線方式實現(xiàn)了變壓器的同軸輸出，巧妙的繞組絕緣設計保證了變壓器的絕緣性能。利用三諧振變壓技術(shù)，在增加脈沖形成線充電電壓的同時，減小了變壓器繞組和高壓電極的電壓，保證脈沖源的可靠運行；解決了絕緣可靠性與裝置緊湊性之間的矛盾，并基于單層同軸脈沖形成線技術(shù)，實現(xiàn)4ns脈沖輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]本實用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0020]圖1是高壓納秒脈沖源的原理圖，其中CO為儲能電容，Sffl為氫閘管開關(guān)，TXl和TX2為脈沖變壓器的兩對繞組分別組成的變壓器，Cl為諧振電容，LI為諧振電感，Tl為脈沖形成線，SW2為自擊穿開關(guān)。
[0021]圖2是高壓納秒脈沖源的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖3是脈沖變壓器結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖4是高壓電極和絕緣子的結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖5是納秒脈沖形成線和自擊穿開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖6是諧振電容(矩形)和納秒脈沖形成線的充電電壓理論波形圖。

【具體實施方式】
[0026]現(xiàn)結(jié)合實施例和附圖對本實用新型作進一步闡述:
[0027]如圖2所示,本實施例包括:由磁芯1、繞組絕緣子7及繞組14和緊固件15組成的脈沖變壓器、高壓電極2、諧振電感3、納秒脈沖形成線4、自擊穿開關(guān)5、將脈沖傳輸至負載的傳輸線6以及裝置殼體，殼體包括外筒端部9、外筒磁芯段10、外筒高壓段11、外筒形成線段12和外筒傳輸線段13。
[0028]脈沖變壓器結(jié)構(gòu)如圖3所示。其磁芯I包含4個相同尺寸的半月形磁芯組件，通過招質(zhì)緊固件固定。組件采用厚0.08_、寬64_的娃鋼薄帶繞制,卷繞厚度27_。4個磁芯的總有效截面積為61.7cm2，提供的最大伏秒數(shù)為9.5mVs。鋁緊固件的中間部位放置有機玻璃加工的繞組絕緣子，其形狀為3/4個紡錘形筒體，表面刻槽以便繞制線圈。
[0029]變壓器的初次級線圈各兩組，等效于兩個變壓器并聯(lián)。兩個初級繞組在絕緣子的兩端繞制，使用帶絕緣皮的導線(內(nèi)部為7根Φ 0.3銅線并聯(lián))分別繞制兩匝，繞組的一端連接至輸入電纜接頭，另一端連接至鋁質(zhì)緊固件作為接地端，兩繞組繞線方向保證各自產(chǎn)生的磁場同向。次級繞組使用銅質(zhì)漆包線繞制，導線直徑1mm，分別從絕緣子的兩端向中心各繞制33.5匝，在變壓器的另一端面引出兩個接頭，焊接后接入后面的高壓電極。每匝漆包線均繞制在有機玻璃絕緣子的刻槽中，每隔一槽在槽底墊4根直徑0.8mm的尼龍線，從而增加導線之間的絕緣距離?？拷判緜?cè)面段每隔一匝套一根塑料螺旋管，保證導線之間的有效絕緣。兩繞組繞線方向保證各自產(chǎn)生的磁場同向。
[0030]繞制后的變壓器總重量為32kg，結(jié)構(gòu)緊湊且實現(xiàn)了可靠絕緣，同時便于次級連接同軸結(jié)構(gòu)，空間利用率極高。在10kHz的測試頻率下，初級繞組電感為16.3 μ H，次級繞組電感為4.4mH，耦合系數(shù)為0.95。
[0031]變壓器次級繞組的兩個高壓抽頭焊接后接入高壓電極2，高壓電極由電極絕緣子8與變壓器進行高壓隔離。高壓電極及其絕緣子的結(jié)構(gòu)如圖4所示。高壓電極與外筒構(gòu)成結(jié)構(gòu)電容，電容值為70pF。
[0032]諧振電感3采用漆包線在柱形有機玻璃絕緣件上繞制，電感值為ImH。絕緣件的兩端通過螺紋分別與高壓電極和脈沖形成線4的內(nèi)筒連接。脈沖形成線結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用單筒同軸結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒的一端與諧振電感連接，另一端過渡為球形，作為自擊穿開關(guān)5的一極。形成線外筒直徑160mm，內(nèi)筒直徑80mm，波阻抗?30 Ω。直線段長度為162mm，考慮兩端的過渡部分，整個形成線的電長度?Ins。內(nèi)筒的另一極過渡為球形結(jié)構(gòu)，半徑48.6_，作為自擊穿開關(guān)的一極，開關(guān)另一極近似為半徑30_的球面結(jié)構(gòu)。兩級之間的間隙可調(diào)，參考值為12_。脈沖傳輸線6將形成線產(chǎn)生的納秒脈沖傳輸至負載。
[0033]脈沖變壓器連同高壓電極絕緣子8 一起通過尼龍螺釘固定至外筒磁芯段10的端面上，高壓電極絕緣子、高壓電極、諧振電感和納秒脈沖形成線通過螺紋連接，從而整體緊固。外筒端部9與脈沖變壓器相鄰的面設計為內(nèi)球面，使變壓器線圈的絕緣距離隨線圈電壓的增加而增大，保證可靠絕緣。外筒磁芯段10插入外筒高壓段11內(nèi)部，二者緊密配合并使用膠圈密封。外筒形成線段12逐漸過渡至較小的內(nèi)徑，傳輸線段13過渡至更小的內(nèi)徑，在實現(xiàn)可靠絕緣的同時減小整體尺寸。整個筒體采用鋁加工，內(nèi)部注變壓器油。從外筒端面至傳輸線段的端面長度為827mm，灌油后的總重量為81kg。
[0034]具體工作過程如圖1所示:外部儲能電源的I μ F儲能電容充電至20kV，氫閘流管開關(guān)導通，電容電壓通過兩根并聯(lián)電纜輸出至脈沖變壓器的兩個初級繞組。高壓電極和脈沖形成線開始充電，同時高壓電極通過諧振電感對脈沖形成線放電，形成三諧振。在?0.35 μ S時刻，高壓電極充電至峰值?500kV，隨后開始下降，在?0.65 μ S時刻降至第一個谷值，此時，脈沖形成線充電至峰值?800kV，如圖6所示。控制自擊穿開關(guān)的間距，使其在形成線充電峰值時刻導通，輸出納秒高壓脈沖。輸出脈沖寬度的理想值為?2ns (脈沖形成線電長度的2倍)，實驗測試值為4.1ns。電壓峰值隨后端傳輸線特征阻抗增加而增大，最大值不超過形成線充電電壓。
【權(quán)利要求】
1.一種超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:包括外筒和依次設置在外筒內(nèi)的脈沖變壓器、高壓電極、諧振電感、納秒脈沖形成線、自擊穿開關(guān)和傳輸線；所述脈沖變壓器變比為17，采用硅鋼磁芯，含4個繞組，高壓端過渡至同軸結(jié)構(gòu)；所述高壓電極由絕緣子與脈沖變壓器進行高壓隔離；所述諧振電感采用漆包線在絕緣件上繞制而成，所述絕緣件的兩端通過螺紋分別與高壓電極和納秒脈沖形成線的內(nèi)筒連接，所述納秒脈沖形成線內(nèi)筒的另一端過渡為球形，作為自擊穿開關(guān)的一極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:所述外筒包括外筒端部及依次連接的外筒磁芯段、外筒高壓段、外筒形成線段和外筒傳輸線段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:所述外筒端部與脈沖變壓器相鄰的面為內(nèi)球面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:所述外筒磁芯段插入外筒高壓段內(nèi)部，二者緊密配合并使用膠圈密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:所述外筒形成線段包括漸縮型過渡段和形成線直管段。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:所述外筒傳輸線段包括漸縮型過渡段和傳輸線直管段。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:所述脈沖變壓器包括由鋁質(zhì)緊固件固定的磁芯組件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:所述磁芯組件包括四個相同尺寸的半月形磁芯；所述鋁質(zhì)緊固件的中間部位設置有繞組絕緣子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:所述繞組絕緣子形狀為3/4個紡錘形筒體，且表面有刻槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超緊湊型高壓納秒脈沖源，其特征在于:所述脈沖變壓器的初次級線圈各兩組，等效于兩個變壓器并聯(lián)；兩個初級繞組在繞組絕緣子的兩端繞制，使用帶絕緣皮的導線分別繞制兩匝，繞組的一端連接至輸入電纜接頭，另一端連接至鋁質(zhì)緊固件作為接地端，兩繞組繞線方向保證各自產(chǎn)生的磁場同向；兩個次級繞組使用銅質(zhì)漆包線繞制，導線直徑1mm，分別從繞組絕緣子的兩端向中心各繞制33.5匝，在脈沖變壓器的另一端面引出兩個接頭，焊接后接入高壓電極，每匝漆包線均繞制在繞組絕緣子的刻槽中，每隔一槽在槽底墊四根直徑0.8_的尼龍線，靠近磁芯側(cè)面段每隔一匝套一根塑料螺旋管，兩繞組繞線方向保證各自產(chǎn)生的磁場同向。
【文檔編號】H01F27/32GK204089634SQ201420469898
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】周林, 梁川, 李名加, 張建華, 祁建敏, 王文川, 張德 申請人:中國工程物理研究院核物理與化學研究所