CN102185515A - 一种马克斯发生器 - Google Patents

Abstract

Marx发生器整体布局采用S形结构，使得回路电流的分布尽量靠近、并且方向相反，从而使得回路电感尽量互相抵消，降低整个发生器的回路电感，实现低电感。所用的充电电阻、触发电阻、隔离电阻均采用水电阻，用去离子水充氯化钾溶液，外壳是耐油塑料软管，可以弯曲使用。采用塑料软管自身的柔韧性做密封结构，不需另外的密封槽。同时，在过渡电极中间及边缘紧缩环的端面做电气连接结构，方便实现了电气连接的转换。在Marx发生器输出端设置一个充电保护电阻，在充电过程中用于防止Marx发生器自放对后面负载产生不良影响，增加了发生器运行的可靠性。本发明的主要特点是结构紧凑、电感低，同时还具有建立时间的抖动小和可靠性高的特点。

Description

一种马克斯发生器

技术领域：

本发明涉及一种地电感、低抖动、高可靠性Marx发生器，作为一种初级脉冲源主要应用于大型脉冲功率装置中。

技术背景：

在大型脉冲功率装置中，Marx发生器(即冲击电压发生器，为纪念Marx本人，所以又称为Marx发生器)作为一种传统的初级脉冲源，用来获得幅值从数百千伏到数兆伏、持续时间从数百纳秒到数微秒的输出波形，它的基本工作原理是，先利用高压直流电源通过适当的电阻网络对大量的由气体开关隔离的脉冲电容器进行并联充电，然后通过指令触发使这些气体开关快速顺序击穿，从而导致电容器迅速串联起来，获得幅值很高的电压脉冲。其原理虽然相同，但是发生器具体结构、开关工作方式、电容器充电方式等的不同都会导致输出波形的很大不同，本发明就是通过具体结构的设计、开关工作方式的改变来实现Marx发生器的低电感、低抖动、高可靠性。

发明内容：

本发明的一种高电压Marx发生器，包括33级，每级由一个或者两个高压电容器和一个气体开关组成，根据所需的电压等级设计为六排半，如果所需电降低，排数较少，反之则排数增加，呈S型排列，排间距离为120-180mm，优选值为145-155mm，每排三条充电电阻支路呈弧形布置在每排的正上方；排内5个开关的触发电极引出均斜向下方，所有排各自通过倾斜的两根尼龙吊带悬挂在Marx油箱盖板上，发生器首排5个开关采用外触发方式，开关选用四电极预电离开关；发生器剩余排的28个开关则采用耦合过电压触发方式，选用三电极场畸变开关。

上述的每排三条充电电阻支路由正极性充电、负极性充电和接地电阻支路 组成。

上述的四电极预电离开关的触发电极，包括触发盘、触发盘引出电极、预电离电极、预电离辅助电极和隔离电阻；三电极场畸变开关的触发电极包括触发盘和触发盘引出电极。

上述的密封结构采用塑料软管，水溶液充满于塑料软管之中，在过渡电极中间及边缘紧缩环的端面做电气连接结构，作为电阻的引出电极。上述的高电压Marx发生器输出端设有充电保护机构。

本发明中Marx发生器整体布局采用S形结构，使得回路电流的分布尽量靠近、并且方向相反，从而使得回路电感尽量互相抵消，降低整个发生器的回路电感，实现低电感。

本发明中所用的充电电阻、触发电阻、隔离电阻均采用水电阻，用去离子水充氯化钾溶液，外壳是耐油塑料软管，可以弯曲使用。采用塑料软管自身的柔韧性做密封结构，不需另外的密封槽。同时，在过渡电极中间及边缘紧缩环的端面做电气连接结构，方便实现了电气连接的转换。

本发明中在Marx发生器输出端设置一个充电保护电阻，在充电过程中用于防止Marx发生器自放对后面负载产生不良影响，增加了发生器运行的可靠性。

附图说明

图1是本发明的Marx发生器的结构布局图。

图2是触发电极的结构示意图。

图3是本发明的充电电阻、触发电阻、隔离电阻的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

参照图1，本发明中Marx发生器采用S形回路、圆弧形无软线连接充电支路、两种结构主开关以及合适触发线路，保证了Marx低电感(5.45μH)、低抖动(5.6ns)和高可靠性。Marx发生器共33级，呈S型排列，共六排半，每级由两个高压电容器和一个气体开关组成，标称输出电压3.3MV，储能36kJ。图1中 粗实线为Marx建立时的主电流线路。高电压Marx发生器各排均采用相同机械结构：每排三条充电电阻支路(正极性充电、负极性充电和接地电阻支路)呈弧形布置在每排的正上方；排内5个开关的触发电极引出均斜向下方，有利于增加触发电阻的沿面滑闪距离；所有排各自通过倾斜的两根尼龙吊带悬挂在Marx油箱盖板上，排间距离为150mm。整个机芯放置于外形尺寸为3m×2m×1.5m的油箱中，每排距油箱体四周及底板的距离为400mm。发生器工作过程如下：首先对各个脉冲电容器充电，在充电结束之后，打开充电保护装置，然后触发击穿第一排气体开关，之后各排开关依次靠前级产生的高压脉冲耦合触发击穿，最后整个发生器完成建立。从图1中表示电流流向的粗实线可以看出，在布局上发生器采用紧凑的S性布置，使得电流分布尽量做到极性相反、相互抵消，从而实现低电感的目标。另外，每一排中开关和电容器的相互连接也采用金属杆插接，使得结构紧凑，减小整个回路的电感。

针对低抖动的要求，发生器在开关结构和触发线路上采取了一些特殊的措施。在开关结构设计上，设计了两种结构的开关，即三电极场畸变开关和四电极预电离开关，主要区别在于触发电极的不同。一种如图2所示，为四电极预电离开关的触发电极，包括触发盘、触发盘引出电极、预电离电极、预电离辅助电极和隔离电阻五部分。与之相比，另一种三电极场畸变开关的触发电极只有触发盘和触发盘引出电极组成。四电极预电离开关是在三电极场畸变开关的基础上，在触发盘中间加入了预电离电极及其辅助电极，，当触发脉冲到来后，预电离电极先放电，形成初始电子，辅助开关快速击穿。研究表明，发生器的抖动主要由首排决定，因此本发生器只在首排外触发开关中选用它。在触发方式的设计上，高电压Marx发生器分为独立的两部分：外触发方式和耦合过压触发方式。发生器首排(如图1中最下面一排)5个开关采用外触发方式，开关也选用触发性能好的四电极预电离开关；发生器剩余排的28个开关则采用耦合过电压触发方式，由前一排的接地电阻连接处引出触发信号到后一排开关的触发电极上，这28个开关选用结构相对简单的三电极场畸变开关，另外为了增加整个发生器的可靠性，后几排开关距离比前几排大1mm。

参照图2，本发明的发生器内部最多的部件是充电电阻、隔离电阻和触发电阻，其结构设计和布置方式影响着发生器的可靠性。在结构设计上，发生器均使用水电阻，用去离子水充氯化钾溶液，外壳是耐油塑料软管，可以弯曲使用。

参照图1和图3，错误！未找到引用源。采用塑料软管自身的柔韧性做密封结构，不需另外的密封槽和密封圈，水溶液充满于塑料软管之中。同时，在过渡电极中间及边缘紧缩环的端面做电气连接结构，作为电阻的引出电极，方便实现了电气连接的转换。在布置方式上，如图1所示，正负充电电阻排和隔离电阻排成弧形布置在排的正上方，每排电阻自身通过金属支杆调节错开一定的倾角。此种布置方式没有软线连接，且容易将水电阻中产生的气泡藏匿于过渡电极金属件中，减少了充电电晕及充电软管击穿的概率，提高了系统工作的可靠性。触发电阻的布置分为两类：首排外触发电阻和排间触发电阻的布置。将首排外触发电阻布置在首排旁边靠侧壁处，其绝缘要求很容易满足；排间触发电阻承受的最高脉冲电压为1000kV，由于排间距离较近，不能直拉，选择由第一排接地电阻顶端到第二排开关触发电极引杆底端的引线方式，增大沿面距离。图1中输出端的充电保护机构大大增加了整个发生器的工作可靠性。在充电过程中，保护机构将输出端通过充电保护电阻连接到大地，这样即便充电过程中发生自放电导致发生器意外建立，能量也不会传输到负载上，而是通过保护电阻导入大地，这样就起到了保护发生器以及后面部件的作用。如果充电过程正常完成，则在发生器触发建立之前，保护机构断开输出端和保护电阻之间的连接，并将输出端连接至后面负载，从而保证了系统的正常可靠工作。

Claims (6)

1.一种高电压Marx发生器，包括33级，每级由高压电容器和一个气体开关组成，共若干排，呈S型排列，每排三条充电电阻支路呈弧形布置在每排的正上方；排内5个开关的触发电极引出均斜向下方，所有排各自通过倾斜的两根尼龙吊带悬挂在Marx油箱盖板上，发生器首排5个开关采用外触发方式，开关选用四电极预电离开关；发生器剩余排的28个开关则采用耦合过电压触发方式，选用三电极场畸变开关。

2.如权利要求1所述的高电压Marx发生器，其特征在于每排三条充电电阻支路由正极性充电、负极性充电和接地电阻支路组成。

3.如权利要求1或者2所述的高电压Marx发生器，其特征在于四电极预电离开关的触发电极，包括触发盘、触发盘引出电极、预电离电极、预电离辅助电极和隔离电阻；三电极场畸变开关的触发电极包括触发盘和触发盘引出电极。

4.如权利要求1或者3所述的高电压Marx发生器，其特征在于高电压Marx发生器输出端设有充电保护机构。

5.如权利要求1或者3所述的高电压Marx发生器，其特征在于采用塑料软管自身的柔韧性做密封结构，水溶液充满于塑料软管之中，在过渡电极中间及边缘紧缩环的端面做电气连接结构，作为电阻的引出电极。

6.如权利要求1所述的高电压Marx发生器，其特征在于高压电容器为2个，共六排半，排间距离为120-180，尼龙吊带为两根。

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