本發(fā)明涉及高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源技術(shù)領(lǐng)域的脈沖形成線，尤其是一種基于高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)的卷繞型帶狀脈沖形成線。

背景技術(shù)：

高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源是將能量以較低的功率儲(chǔ)存起來，通過開關(guān)、脈沖調(diào)制等技術(shù)在很短的時(shí)間內(nèi)把能量釋放給負(fù)載，從而在負(fù)載上獲得具有特定波形的高功率電脈沖。近些年來，在高性能脈沖驅(qū)動(dòng)源裝置的應(yīng)用需求牽引下，準(zhǔn)方波高功率電脈沖在高功率微波、高能量脈沖激光、介質(zhì)阻擋放電、沖擊波發(fā)生器、材料表面改性、工業(yè)廢氣廢水處理、生物醫(yī)學(xué)以及食品殺菌消毒等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注和快速的發(fā)展，并取得了豐碩的研究成果。脈沖形成線是高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源在負(fù)載上獲得準(zhǔn)方波高功率電脈沖的核心組成部分，直接決定了驅(qū)動(dòng)源的工作性能和應(yīng)用前景。

高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源技術(shù)領(lǐng)域中的脈沖形成線可以等效為一臺(tái)高性能脈沖電容器，脈沖形成線所儲(chǔ)存的能量在很大程度上決定了驅(qū)動(dòng)源的應(yīng)用范圍，是衡量脈沖形成線工作能力的核心參量之一。根據(jù)脈沖形成線儲(chǔ)能公式(其中，E為脈沖形成線儲(chǔ)存的能量，C為脈沖形成線等效電容值，V為脈沖形成線的工作電壓)。脈沖形成線儲(chǔ)存的能量正比于等效電容的電容值，而電容值正比于儲(chǔ)能介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε_r，即脈沖形成線儲(chǔ)存的能量E與儲(chǔ)能介質(zhì)的介電常數(shù)ε_r的平方成正比?？紤]到絕緣設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)器件體積、重量等方面的要求，提高儲(chǔ)能介質(zhì)的介電常數(shù)ε_r是增加電脈沖能量、拓寬驅(qū)動(dòng)源應(yīng)用領(lǐng)域的有效途徑。

脈沖形成線的電長(zhǎng)度，即負(fù)載上獲得的電脈沖半高寬(電脈沖峰值幅值的一半對(duì)應(yīng)的脈沖寬度)是衡量高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源工作性能的另一核心參數(shù)，直接決定了驅(qū)動(dòng)源的工作性能和應(yīng)用范圍。根據(jù)脈沖形成線電長(zhǎng)度的表達(dá)式(其中，τ為脈沖形成線的電長(zhǎng)度，l為脈沖形成線內(nèi)的導(dǎo)體長(zhǎng)度，c為真空中的光速)。可以看出，脈沖形成線的電長(zhǎng)度一方面正比于儲(chǔ)能介質(zhì)的二分之一次方，另一方面正比于導(dǎo)體長(zhǎng)度，即提高儲(chǔ)能介質(zhì)介電常數(shù)和增加形成線導(dǎo)體長(zhǎng)度是提高驅(qū)動(dòng)源負(fù)載電脈沖半高寬的重要方法。綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)器件絕緣設(shè)計(jì)和體積、重量等方面的要求，提高儲(chǔ)能介質(zhì)的介電常數(shù)ε_r同樣是增加脈沖形成線的電長(zhǎng)度的有效途徑。

目前，廣泛使用的脈沖形成線儲(chǔ)能介質(zhì)可以分為液體介質(zhì)和固體介質(zhì)兩大類。固體介質(zhì)用作脈沖形成線的儲(chǔ)能介質(zhì)時(shí)，不需要額外進(jìn)行維護(hù)。然而，這類介質(zhì)通常體積大、重量大且研制成本較高。更為重要的是，固體介質(zhì)發(fā)生絕緣失效時(shí)，介質(zhì)表面或內(nèi)部會(huì)形成放電通道，使得介質(zhì)損壞，必須進(jìn)行更換。部分陶瓷材料的相對(duì)介電常數(shù)可以達(dá)到數(shù)百甚至數(shù)千量級(jí)，但這類材料的絕緣能力有限，且工藝水平及工作穩(wěn)定性較差，尚需進(jìn)一步發(fā)展；性能相對(duì)穩(wěn)定的絕緣膜類材料，介電常數(shù)小于5，儲(chǔ)能密度相對(duì)較低；相對(duì)而言，液體介質(zhì)具有儲(chǔ)能密度較高(數(shù)十量級(jí))、自我恢復(fù)性能好、費(fèi)用低廉和形狀適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源中脈沖形成線的儲(chǔ)能介質(zhì)。

劉錫三在《高功率脈沖技術(shù)》一書中介紹了高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源領(lǐng)域中脈沖形成線工作原理如圖1所示。其中，1為高壓導(dǎo)體(長(zhǎng)度為l)，2為接地導(dǎo)體，Z₀和τ為分別為脈沖形成線的本征阻抗和電長(zhǎng)度，3為儲(chǔ)能介質(zhì)(介電常數(shù)為ε_r)，4為閉合開關(guān)，5為負(fù)載(阻抗為Zr)。書中第41-45頁(yè)詳細(xì)闡述了脈沖形成線的電長(zhǎng)度τ正比于高壓導(dǎo)體1的長(zhǎng)度l和儲(chǔ)能介質(zhì)3的介電常數(shù)ε_r。高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源中的脈沖形成線可以在開關(guān)的配合下，產(chǎn)生準(zhǔn)方波電脈沖，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)脈沖形成線的本征阻抗Z₀與負(fù)載5的阻抗Zr相等時(shí)，可以在負(fù)載5上獲得電壓幅值為脈沖形成線充電電壓幅值一半、半高寬為脈沖形成線電長(zhǎng)度兩倍的準(zhǔn)方波電脈沖。具有這種輸出波形的高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源能夠適應(yīng)更為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合且能量效率更高，是未來該領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

劉錫三在《高功率脈沖技術(shù)》一書中介紹了一種基于變壓器油介質(zhì)的直筒型脈沖形成線，以下簡(jiǎn)稱技術(shù)方案一。該脈沖形成線的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由金屬外筒6，直筒內(nèi)導(dǎo)體7，變壓器油介質(zhì)8，前端支撐板9，后端支撐板10，閉合開關(guān)11組成，前端指靠近閉合開關(guān)11的一端，后端指遠(yuǎn)離閉合開關(guān)11的一端。金屬外筒6由一段金屬圓管構(gòu)成，外壁接地。金屬外筒6與直筒內(nèi)導(dǎo)體7共同構(gòu)成脈沖形成線的等效電容，用于儲(chǔ)存能量，同時(shí)還可以起到電磁屏蔽的作用。變壓器油介質(zhì)8的相對(duì)介電常數(shù)為2.3，可以同時(shí)起到絕緣和儲(chǔ)能介質(zhì)兩方面作用。直筒內(nèi)導(dǎo)體7由一段長(zhǎng)度約為5000mm的圓柱體制成。前端支撐板9由高分子絕緣材料制成，在前端支撐板9幾何中心處鉆孔(孔徑與直筒內(nèi)導(dǎo)體7前端的凸臺(tái)12相匹配)，將凸臺(tái)12插入孔中對(duì)脈沖形成線的直筒內(nèi)導(dǎo)體7起支撐作用。后端支撐板10同樣由高分子絕緣材料制成，在后端支撐板10幾何中心處鉆孔(孔徑與直筒內(nèi)導(dǎo)體7后端的凸臺(tái)13相匹配)，與直筒內(nèi)導(dǎo)體7后端的凸臺(tái)13共同對(duì)脈沖形成線的直筒內(nèi)導(dǎo)體7起支撐作用。該脈沖形成網(wǎng)絡(luò)配合閉合開關(guān)6使用時(shí)，可以在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)脈沖寬度約為50ns的準(zhǔn)方波脈沖輸出，但其體積、重量較大，且產(chǎn)生準(zhǔn)方波電脈沖的脈沖寬度較小，很難適應(yīng)更為廣泛的應(yīng)用需求。

劉振祥、張建德在學(xué)術(shù)論文《螺旋線型水介質(zhì)長(zhǎng)脈沖形成線的設(shè)計(jì)與改進(jìn)》【強(qiáng)激光與粒子束,2006,Vol.18,No.12,pp:2078-2081】報(bào)道了一種基于去離子水介質(zhì)且具有螺旋形內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的脈沖形成線，以下簡(jiǎn)稱技術(shù)方案二。該脈沖形成線的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由金屬外筒6，去離子水工作介質(zhì)14，螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15，前端支撐板9，后端支撐板10，閉合開關(guān)11，介質(zhì)輸入口16和介質(zhì)輸出口17組成。金屬外筒6是一段內(nèi)、外壁半徑分別為190mm和200mm，長(zhǎng)度為1100mm的金屬圓管，在金屬圓管正下方靠近脈沖形成線前端的位置焊接介質(zhì)輸入口16，在金屬圓管正上方靠近脈沖形成線后端的位置焊接介質(zhì)輸出口17。金屬外筒6接地，與螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15共同構(gòu)成脈沖形成線等效電容。螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15在靠近閉合開關(guān)11的一側(cè)(前端)幾何中心處分別焊接圓柱形凸臺(tái)12，便于支撐和電連接。在遠(yuǎn)離閉合開關(guān)11的一側(cè)(后端)幾何中心處焊接圓柱形凸臺(tái)13，便于支撐和電連接。螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15機(jī)械長(zhǎng)度為3360mm，這一長(zhǎng)度直接決定了脈沖形成線輸出方波電脈沖的脈沖寬度。后端支撐板10和前端支撐板9均由高分子絕緣材料制成，后端支撐板10的幾何中心處鉆孔(孔徑與螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15后端的凸臺(tái)13相匹配)，將凸臺(tái)13插入孔中對(duì)脈沖形成線的螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15起支撐作用。閉合開關(guān)11靠近螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15鉆孔，將圓柱型凸臺(tái)12插入孔中對(duì)脈沖形成線的螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15起支撐作用。介質(zhì)輸入口16為空心圓管，主要作用是實(shí)現(xiàn)去離子水介質(zhì)14的灌注，介質(zhì)輸出口17同樣為空心圓管，主要作用是實(shí)現(xiàn)去離子水介質(zhì)14的輸出，便于循環(huán)。該脈沖形成線配合閉合開關(guān)11使用時(shí)，在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)了脈寬約為200ns的準(zhǔn)方波脈沖輸出。

相比直筒型內(nèi)導(dǎo)體，螺旋形內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以在更小的體積內(nèi)，提高脈沖形成線輸出方波電脈沖的脈沖寬度，有利于裝置適應(yīng)更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，考慮螺旋形內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的色散因素，螺旋形結(jié)構(gòu)依舊很難滿足日益提升的應(yīng)用需求。研究人員的視線逐步轉(zhuǎn)移到卷繞型內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

李嵩,錢寶良,楊漢武,等人在學(xué)術(shù)論文《An improved rolled strip pulse forming line》【Song Li,Baoliang Qian,Hanwu Yang,et al.“An improved rolled strip pulse forming line”(一種改進(jìn)型卷繞型帶狀脈沖形成線),Review of Scientific Instruments,Vol.84,064704,pp:1-6】報(bào)道了一種基于絕緣膜介質(zhì)的卷繞型帶狀脈沖形成線，以下簡(jiǎn)稱技術(shù)方案三。圖4為該脈沖形成線結(jié)構(gòu)示意圖，由絕緣膜和導(dǎo)體帶共同構(gòu)成。其中，絕緣膜由上絕緣膜18，中絕緣膜19和下絕緣膜20組成，導(dǎo)體帶由上導(dǎo)體帶21、中導(dǎo)體帶22和下導(dǎo)體帶23組成。將各部分以由下向上的順序?yàn)橄陆^緣膜20-下導(dǎo)體帶23-中絕緣膜19-中導(dǎo)體帶22-上絕緣膜18-上導(dǎo)體帶21，并以內(nèi)半徑R_r＝55mm進(jìn)行卷繞，制成卷繞型帶狀脈沖形成線。上絕緣膜18，中絕緣膜19和下絕緣膜20均由寬度為250mm、長(zhǎng)度為23000mm、厚度為0.2mm的聚脂薄膜聚酯纖維紙復(fù)合材料(DMD)制成。這種材料的相對(duì)介電常數(shù)為2.3，同時(shí)起到絕緣和介質(zhì)儲(chǔ)能兩方面作用。上導(dǎo)體帶21、中導(dǎo)體帶22和下導(dǎo)體帶23均由寬度為80mm、長(zhǎng)度為22000mm、厚度為0.15mm的銅帶制成。卷繞后脈沖形成線呈圓筒狀，內(nèi)半徑R_r為55mm，外直徑為230mm，軸向長(zhǎng)度為250mm。脈沖形成線的總重量小于20kg。該脈沖形成網(wǎng)絡(luò)配合閉合氣體開關(guān)使用時(shí)，在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)了脈寬約為250ns的準(zhǔn)方波脈沖輸出。

上述三種脈沖形成線均使用金屬導(dǎo)體配合絕緣介質(zhì)構(gòu)成脈沖形成線，在閉合開關(guān)的作用下，產(chǎn)生高功率準(zhǔn)方波電脈沖。為了滿足應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電脈沖寬度要求的日益提升，脈沖形成線內(nèi)導(dǎo)體經(jīng)歷了由直筒型到螺旋形，再到卷繞型帶狀線的改進(jìn)。然而，技術(shù)方案一中的脈沖形成線內(nèi)導(dǎo)體為直筒型，沒有很好的利用空間尺寸，電長(zhǎng)度較??；盡管變壓器油的絕緣性能較好，但其相對(duì)介電常數(shù)較低，不利于輸出脈沖寬度較大的電脈沖。

技術(shù)方案二中的脈沖形成線分別采用了以螺旋形結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體替代直筒型結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體，增加電長(zhǎng)度、以及使用去離子水介質(zhì)替代變壓器油介質(zhì)增加儲(chǔ)能密度兩種方法提高輸出電脈沖的脈沖寬度。但其體積和重量較大，不利于實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)方案三中的脈沖形成線使用帶狀導(dǎo)體，以卷繞的方式在很小的體積、重量?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖輸出，但其使用相對(duì)介電常數(shù)較低的固體絕緣薄膜作為儲(chǔ)能介質(zhì)，在很大程度上限制了脈沖寬度的進(jìn)一步提升。且這種脈沖形成線不具有可恢復(fù)性，即一旦發(fā)生儲(chǔ)能介質(zhì)擊穿，必須更換儲(chǔ)能介質(zhì)才能繼續(xù)工作，不利于裝置的維護(hù)。同時(shí)，該脈沖形成線采用的導(dǎo)體帶很薄，不易成型，很難固定，給絕緣和屏蔽帶來一定的弊端。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有脈沖形成線由于內(nèi)導(dǎo)體幾何形狀及儲(chǔ)能介質(zhì)介電常數(shù)較低而導(dǎo)致的輸出電脈沖寬度較小、體積重量較大以及擊穿不可恢復(fù)等問題，提供一種新型基于高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)的卷繞型帶狀脈沖形成線，這種脈沖形成線采用卷繞式內(nèi)導(dǎo)體，能夠合理利用空間，在較小的空間內(nèi)獲得較大的電長(zhǎng)度；同時(shí)，采用具有較高介電常數(shù)的液體介質(zhì)作為儲(chǔ)能介質(zhì)，不僅能夠進(jìn)一步提高電脈沖寬度，還具有擊穿可恢復(fù)性，且便于裝置的維護(hù)。且這種基于高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)的卷繞型帶狀脈沖形成線電脈沖寬度較大、體積重量較小且維護(hù)方便，具有更為廣泛的適用范圍。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

本發(fā)明由高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)、金屬帶、固定板和絕緣封裝四部分構(gòu)成。金屬帶位于固定板的卡槽中，呈緊配合關(guān)系。固定板位于絕緣封裝中，固定板邊緣與絕緣封裝的內(nèi)壁呈緊配合關(guān)系。高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)由氣泵灌注于絕緣封裝內(nèi)部，包圍所有金屬帶，并充斥整個(gè)絕緣封裝的內(nèi)部區(qū)域。

金屬帶由內(nèi)金屬帶、中金屬帶、外金屬帶組成，內(nèi)金屬帶、中金屬帶、外金屬帶均為寬度為W，長(zhǎng)度為l，厚度為d(考慮工程實(shí)現(xiàn)，要求0mm<d<10mm)的金屬帶，三條金屬帶間的距離為D。三條金屬帶卷繞成渦旋狀，其中內(nèi)金屬帶渦旋線的基圓半徑為R，螺距為N。中金屬帶渦旋線的基圓半徑為R+d+D，螺距為N。外金屬帶渦旋線的基圓半徑為R+2d+2D，螺距為N。其中，螺距N＝3d+3D。由工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)角度考慮，要求基圓半徑R>50mm。

脈沖形成線長(zhǎng)度l由實(shí)際應(yīng)用環(huán)境所需的電長(zhǎng)度確定，計(jì)算公式為：

螺距N、金屬帶寬度W和儲(chǔ)能介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε_r由卷繞型脈沖形成線的本征阻抗Z₀，根據(jù)以下公式?jīng)Q定：

將該公式在Matlab軟件環(huán)境下進(jìn)行編程，并輸入實(shí)際應(yīng)用環(huán)境需要的本征阻抗Z₀。綜合考慮工程實(shí)現(xiàn)及裝置應(yīng)用系統(tǒng)空間尺寸限制，確定卷繞型帶狀脈沖形成線的高度W，通過Matlab軟件計(jì)算螺距N。

固定板由下固定板和上固定板組成。其中下固定板由絕緣材料制成，形狀為圓柱體板，厚度為H(考慮工程實(shí)際，要求H>10mm)。在下固定板上端面銑有三條寬度為d的卡槽(與金屬帶厚度相同)，卡槽形狀為渦旋線，其中，第一內(nèi)渦旋線卡槽的基圓半徑為R，螺距為N。第一中渦旋線卡槽的基圓半徑為R+d+D，螺距為N。第一外渦旋線卡槽的基圓半徑為R+2d+2D，螺距為N。三條渦旋線卡槽的深度均為O(20mm<O<H)。第一內(nèi)渦旋線卡槽中嵌入內(nèi)金屬帶，第一中渦旋線卡槽中嵌入中金屬帶，第一外渦旋線卡槽中嵌入外金屬帶。

上固定板同樣由絕緣材料制成，形狀為圓柱體板，厚度為H。在上固定板下端面銑有三條寬度為d的卡槽(與金屬帶厚度相同)，卡槽形狀為渦旋線，其中，第二內(nèi)渦旋線卡槽的基圓半徑為R，螺距為N。第二中渦旋線卡槽的基圓半徑為R+d+D，螺距為N。第二外渦旋線卡槽的基圓半徑為R+2d+2D，螺距為N。三條渦旋線卡槽的深度均為O(20mm<O<H)。第二內(nèi)渦旋線卡槽中嵌入內(nèi)金屬帶，第二中渦旋線卡槽中嵌入中金屬帶，第二外渦旋線卡槽中嵌入外金屬帶。

正對(duì)卡槽起始端設(shè)計(jì)有三個(gè)直徑為V(考慮高電壓絕緣及工程實(shí)現(xiàn)，要求V>5mm)的第一圓形通孔，通過金屬電纜分別連接內(nèi)金屬帶、中金屬帶、外金屬帶，起到連接輸入充電脈沖的作用。正對(duì)卡槽終端同樣設(shè)計(jì)三個(gè)直徑為V的第二圓形通孔，通過金屬電纜分別連接內(nèi)金屬帶、中金屬帶、外金屬帶，起到實(shí)現(xiàn)脈沖形成線電脈沖輸出的作用。

絕緣封裝由液體介質(zhì)槽和蓋板組成。液體介質(zhì)槽是由絕緣材料制成且上端開口的圓筒。液體介質(zhì)槽的內(nèi)半徑為R₁，高度為H₁，壁厚為S，要求R₁大于金屬導(dǎo)體帶的外半徑，H₁>S+2·D+W，S>10mm。液體介質(zhì)槽上端面均勻鉆6個(gè)攻絲圓孔，用于配合螺桿進(jìn)行封裝，孔徑K<S。液體介質(zhì)槽底面幾何中心處焊接圓管，用于高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)的輸出。

蓋板由絕緣材料制成，形狀為圓柱體，外半徑R₂＝R₁+S，厚度為S。與液體介質(zhì)槽上端面6個(gè)攻絲圓孔相對(duì)應(yīng)的位置鉆孔，使用螺桿進(jìn)行封裝。在蓋板與上固定板上的第一圓形通孔相應(yīng)位置鉆3個(gè)通孔，孔徑均為J，J＝K，用于高電壓的輸入。在蓋板與上固定板第二圓形通孔相應(yīng)位置鉆3個(gè)通孔，孔徑均為J，用于高電壓的輸出。在蓋板幾何中心處焊接圓管，用于高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)的輸入。

為保證輸出脈寬較長(zhǎng)的電脈沖，高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)指相對(duì)介電常數(shù)ε_r大于，且流動(dòng)性好的液體介質(zhì)，主要包括乙醇、乙二醇、甘油、去離子水，及可互溶的混合液體介質(zhì)。在氣泵的作用下，高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)通過位于絕緣介質(zhì)槽底部的圓管進(jìn)入絕緣封裝內(nèi)部區(qū)域，并全部包圍金屬帶，灌滿整個(gè)絕緣封裝內(nèi)部區(qū)域后，由位于蓋板上部的圓管輸出。

相比傳統(tǒng)脈沖形成線，本發(fā)明提供一種基于高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)的卷繞型帶狀脈沖形成線。這種脈沖形成線集合了傳統(tǒng)脈沖形成線內(nèi)導(dǎo)體形式和儲(chǔ)能介質(zhì)在提升脈沖寬度方面的優(yōu)勢(shì)，與現(xiàn)有的技術(shù)相比，采用本發(fā)明可以達(dá)到以下效果：

(1)本發(fā)明采用卷繞式帶狀內(nèi)導(dǎo)體，能夠合理利用空間，在保證優(yōu)良電磁屏蔽的情況下，在較小的幾何空間內(nèi)獲得較長(zhǎng)的導(dǎo)體長(zhǎng)度，進(jìn)而有效提高脈沖形成線輸出準(zhǔn)方波電脈沖的脈沖寬度，拓寬裝置應(yīng)用領(lǐng)域；

(2)本發(fā)明采用具有較高介電常數(shù)的高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)作為儲(chǔ)能介質(zhì)，利用其良好的絕緣性能，在提高脈沖形成線儲(chǔ)能密度的同時(shí)，進(jìn)一步增加電脈沖寬度；

(3)本發(fā)明采用液體儲(chǔ)能介質(zhì)，具有可流動(dòng)性，便于裝置的搭建和維護(hù)；與此同時(shí)，液體介質(zhì)具有擊穿可恢復(fù)性，成本較低，適用于高電壓脈沖發(fā)生器系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為劉錫三在《高功率脈沖技術(shù)》一書中介紹了一種基于變壓器油介質(zhì)的直筒型脈沖形成線工作原理圖；

圖2為劉錫三在《高功率脈沖技術(shù)》一書中介紹的一種基于變壓器油介質(zhì)的直筒型脈沖形成線示意圖。

圖3為劉振祥、張建德2006年在《強(qiáng)激光與粒子束》期刊上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文《螺旋線型水介質(zhì)長(zhǎng)脈沖形成線的設(shè)計(jì)與改進(jìn)》【劉振祥,張建德,強(qiáng)激光與粒子束,2006,Vol.18,No.12,pp:2078-2081】報(bào)道的具有螺旋形內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的脈沖形成線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為李嵩,錢寶良,楊漢武,等人2013年在《Review of Scientific Instruments》上發(fā)表學(xué)術(shù)論文《An improved rolled strip pulse forming line》【Song Li,Baoliang Qian,Hanwu Yang,et al.“An improved rolled strip pulse forming line”,Review of Scientific Instruments,Vol.84,064704,pp:1-6】報(bào)道的基于固體儲(chǔ)能介質(zhì)的卷繞型帶狀脈沖形成線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明金屬帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明上蓋板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明下蓋板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本發(fā)明高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)槽結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為本發(fā)明高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)槽蓋板結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1為劉錫三在《高功率脈沖技術(shù)》一書中介紹的直筒型脈沖形成線工作原理圖。其中，1為高壓導(dǎo)體(長(zhǎng)度為l)，2為接地導(dǎo)體，Z₀和τ為分別為脈沖形成線的本征阻抗和電長(zhǎng)度，3為儲(chǔ)能介質(zhì)(介電常數(shù)為ε_r)，4為閉合開關(guān)，5為負(fù)載(阻抗為Zr)。書中第41-45頁(yè)詳細(xì)闡述了脈沖形成線的電長(zhǎng)度τ正比于高壓導(dǎo)體1的長(zhǎng)度l和儲(chǔ)能介質(zhì)3的介電常數(shù)ε_r。高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源中的脈沖形成線可以在開關(guān)的配合下，產(chǎn)生準(zhǔn)方波電脈沖，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)脈沖形成線的本征阻抗Z₀與負(fù)載阻抗相等時(shí)，可以在負(fù)載上獲得電壓幅值為脈沖形成線充電電壓幅值一半，半高寬為脈沖形成線電長(zhǎng)度兩倍的準(zhǔn)方波電脈沖。

圖2為劉錫三在《高功率脈沖技術(shù)》一書中介紹了一種基于變壓器油介質(zhì)的直筒型脈沖形成線。如圖1所示，該脈沖形成線由金屬外筒6，直筒內(nèi)導(dǎo)體7，變壓器油介質(zhì)8，前端支撐板9，后端支撐板10，閉合開關(guān)11組成，前端指靠近閉合開關(guān)11的一端，后端指遠(yuǎn)離閉合開關(guān)11的一端。金屬外筒6由一段金屬圓管構(gòu)成，外壁接地。金屬外筒6與直筒內(nèi)導(dǎo)體7共同構(gòu)成脈沖形成線的等效電容，用于儲(chǔ)存能量，同時(shí)還可以起到電磁屏蔽的作用。變壓器油介質(zhì)8的相對(duì)介電常數(shù)為2.3，可以同時(shí)起到絕緣和儲(chǔ)能介質(zhì)兩方面作用。直筒內(nèi)導(dǎo)體7由一段長(zhǎng)度約為5000mm的圓柱體制成。前端支撐板9由高分子絕緣材料制成，在前端支撐板9幾何中心處鉆孔(孔徑與直筒內(nèi)導(dǎo)體7前端的凸臺(tái)12相匹配)，將凸臺(tái)12插入孔中對(duì)脈沖形成線的直筒內(nèi)導(dǎo)體7起支撐作用。后端支撐板10同樣由高分子絕緣材料制成，在后端支撐板10幾何中心處鉆孔(孔徑與直筒內(nèi)導(dǎo)體7后端的凸臺(tái)13相匹配)，與直筒內(nèi)導(dǎo)體7后端的凸臺(tái)13共同對(duì)脈沖形成線的直筒內(nèi)導(dǎo)體7起支撐作用。

圖3為背景技術(shù)所述劉振祥、張建德2006年在《強(qiáng)激光與粒子束》期刊上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文《螺旋線型水介質(zhì)長(zhǎng)脈沖形成線的設(shè)計(jì)與改進(jìn)》報(bào)道的一種基于去離子水介質(zhì)且具有螺旋形內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的脈沖形成線。如圖2所示，該脈沖形成線由金屬外筒6，去離子水工作介質(zhì)14，螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15，前端支撐板9，后端支撐板10，閉合開關(guān)11，介質(zhì)主入口16和介質(zhì)輸出口17組成。金屬外筒6是一段內(nèi)、外壁半徑分別為190mm和200mm，長(zhǎng)度為1100mm的金屬圓管，在金屬圓管正下方靠近脈沖形成線前端的位置焊接介質(zhì)輸入口16，在金屬圓管正上方靠近脈沖形成線后端的位置焊接介質(zhì)輸出口17。金屬外筒6接地，與螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15共同構(gòu)成脈沖形成線等效電容。螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15在靠近閉合開關(guān)11的一側(cè)(前端)幾何中心處分別焊接圓柱形凸臺(tái)12，便于支撐和電連接。在遠(yuǎn)離閉合開關(guān)11的一側(cè)(后端)幾何中心處焊接圓柱形凸臺(tái)13，便于支撐和電連接。螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15機(jī)械長(zhǎng)度為3360mm，這一長(zhǎng)度直接決定了脈沖形成線輸出方波電脈沖的脈沖寬度。后端支撐板10和前端支撐板9均由高分子絕緣材料制成，后端支撐板10的幾何中心處鉆孔(孔徑與螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15后端的凸臺(tái)13相匹配)，將凸臺(tái)13插入孔中對(duì)脈沖形成線的螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15起支撐作用。閉合開關(guān)11靠近螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15鉆孔，將圓柱型凸臺(tái)12插入孔中對(duì)脈沖形成線的螺旋形內(nèi)導(dǎo)體15起支撐作用。介質(zhì)輸入口16為空心圓管，主要作用是實(shí)現(xiàn)去離子水介質(zhì)14的灌注，介質(zhì)輸出口17同樣為空心圓管，主要作用是實(shí)現(xiàn)去離子水介質(zhì)14的輸出，便于循環(huán)。該脈沖形成線配合閉合開關(guān)11使用時(shí)，在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)了脈寬約為200ns的準(zhǔn)方波脈沖輸出。

圖4為背景技術(shù)所述李嵩,錢寶良,楊漢武,等人2013年在《Review of Scientific Instruments》上發(fā)表學(xué)術(shù)論文《An improved rolled strip pulse forming line》報(bào)道的一種基于絕緣膜介質(zhì)的卷繞型帶狀脈沖形成線。如圖3所示，該脈沖形成線主要由絕緣膜和導(dǎo)體帶共同構(gòu)成。其中，絕緣膜由上絕緣膜18，中絕緣膜19和下絕緣膜20組成，導(dǎo)體帶由上導(dǎo)體帶21、中導(dǎo)體帶22和下導(dǎo)體帶23組成。將各部分以由下向上的順序?yàn)橄陆^緣膜20-下導(dǎo)體帶23-中絕緣膜19-中導(dǎo)體帶22-上絕緣膜18-上導(dǎo)體帶21，并以內(nèi)半徑R_r＝55mm進(jìn)行卷繞，制成卷繞型帶狀脈沖形成線。上絕緣膜18，中絕緣膜19和下絕緣膜20均由寬度為250mm、長(zhǎng)度為23000mm、厚度為0.2mm的聚脂薄膜聚酯纖維紙復(fù)合材料(DMD)制成。這種材料的相對(duì)介電常數(shù)為2.3，同時(shí)起到絕緣和介質(zhì)儲(chǔ)能兩方面作用。上導(dǎo)體帶21、中導(dǎo)體帶22和下導(dǎo)體帶23均由寬度為80mm、長(zhǎng)度為22000mm、厚度為0.15mm的銅帶制成。卷繞后脈沖形成線呈圓筒狀，內(nèi)半徑R_r為55mm，外半徑為230mm，軸向長(zhǎng)度為250mm。

圖5為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)圖。其由高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)24、金屬帶25、固定板26和絕緣封裝27四部分構(gòu)成。金屬帶25位于固定板26的卡槽中，呈緊配合關(guān)系。固定板26位于絕緣封裝27中，固定板26邊緣與絕緣封裝27的內(nèi)壁呈緊配合關(guān)系。高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)24由氣泵灌注于絕緣封裝27內(nèi)部，包圍所有金屬帶25，并充斥整個(gè)絕緣封裝27的內(nèi)部區(qū)域。

圖6為本發(fā)明金屬帶結(jié)構(gòu)示意圖。由內(nèi)金屬帶28、中金屬帶29、外金屬帶30組成，內(nèi)金屬帶28、中金屬帶29、外金屬帶30均為寬度為W，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，厚度為d(考慮工程實(shí)現(xiàn)，要求0mm<d<10mm)的金屬帶，三條金屬帶間的距離為D。三條金屬帶卷繞成渦旋狀，其中內(nèi)金屬帶28渦旋線的基圓半徑為R，螺距為N。中金屬帶29渦旋線的基圓半徑為R+d+D，螺距為N。外金屬帶30渦旋線的基圓半徑為R+2d+2D，螺距為N。其中，螺距N＝3d+3D。由工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)角度考慮，要求基圓半徑R>50mm。

圖7為本發(fā)明下固定板結(jié)構(gòu)示意圖。其由絕緣材料制成，形狀為圓柱體板，厚度為H(考慮工程實(shí)際，要求H>10mm)。在下固定板31上端面銑有三條寬度為d的卡槽(與金屬帶厚度相同)，卡槽形狀為渦旋線，其中，第一內(nèi)渦旋線卡槽33的基圓半徑為R，螺距為N。第一中渦旋線卡槽34的基圓半徑為R+d+D，螺距為N。第一外渦旋線卡槽35的基圓半徑為R+2d+2D，螺距為N。三條渦旋線卡槽的深度均為O(20mm<O<H)。第一內(nèi)渦旋線卡槽33中嵌入內(nèi)金屬帶28，第一中渦旋線卡槽34中嵌入中金屬帶29，第一外渦旋線卡槽35中嵌入外金屬帶30。

圖8為本發(fā)明上固定板結(jié)構(gòu)示意圖。其由絕緣材料制成，形狀為圓柱體板，厚度為H。在上固定板32下端面銑有三條寬度為d的卡槽(與金屬帶厚度相同)，卡槽形狀為渦旋線，其中，第二內(nèi)渦旋線卡槽36的基圓半徑為R，螺距為N。第二中渦旋線卡槽37的基圓半徑為R+d+D，螺距為N。第二外渦旋線卡槽38的基圓半徑為R+2d+2D，螺距為N。三條渦旋線卡槽的深度均為O(20mm<O<H)。第二內(nèi)渦旋線卡槽36中嵌入內(nèi)金屬帶28，第二中渦旋線卡槽37中嵌入中金屬帶29，第二外渦旋線卡槽38中嵌入外金屬帶30。

正對(duì)卡槽起始端設(shè)計(jì)有三個(gè)直徑為V(考慮高電壓絕緣及工程實(shí)現(xiàn)，要求V>5mm)的第一圓形通孔39，通過金屬電纜分別連接內(nèi)金屬帶28、中金屬帶29、外金屬帶30，起到連接輸入充電脈沖的作用。正對(duì)卡槽終端同樣設(shè)計(jì)三個(gè)直徑為V的第二圓形通孔40，通過金屬電纜分別連接內(nèi)金屬帶28、中金屬帶29、外金屬帶30，起到實(shí)現(xiàn)脈沖形成線電脈沖輸出的作用。

圖9為本發(fā)明高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)槽結(jié)構(gòu)示意圖。其由絕緣材料制成且上端開口的圓筒。液體介質(zhì)槽41的內(nèi)半徑為R₁，高度為H₁，壁厚為S，要求R₁大于金屬導(dǎo)體帶的外半徑，H₁>S+2·D+W，S>10mm。液體介質(zhì)槽上端面均勻鉆6個(gè)攻絲圓孔，用于配合螺桿進(jìn)行封裝，孔徑K<S。液體介質(zhì)槽41底面幾何中心處焊接圓管43，用于高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)24的輸出。

圖10為本發(fā)明高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)槽蓋板結(jié)構(gòu)示意圖。其由絕緣材料制成，形狀為圓柱體，外半徑R₂＝R₁+S，厚度為S。與液體介質(zhì)槽41上端面6個(gè)攻絲圓孔相對(duì)應(yīng)的位置鉆孔，使用螺桿進(jìn)行封裝。在蓋板42與上固定板32上的第一圓形通孔39相應(yīng)位置鉆3個(gè)通孔，孔徑均為J，J＝K，用于高電壓的輸入。在蓋板42與上固定板32第二圓形通孔40相應(yīng)位置鉆3個(gè)通孔，孔徑均為J，用于高電壓的輸出。在蓋板42幾何中心處焊接圓管43，用于高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)24的輸入。

在氣泵的作用下，高儲(chǔ)能密度液體介質(zhì)通過位于絕緣介質(zhì)槽41底部的圓管43進(jìn)入絕緣封裝27內(nèi)部區(qū)域，并全部包圍金屬帶25，灌滿整個(gè)絕緣封裝27內(nèi)部區(qū)域后，由位于蓋板42上部的圓管43輸出。