CN102780473B - 一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器,其特征在于:多段高压脉冲形成线串联而成,每个触发型主开关的触发部分置于高压脉冲形成线的内部,采用Tesla变压器对高压脉冲形成线充电,多段高压脉冲形成线通过各自内置的Tesla变压器独立充电,每一段高压脉冲形成线都有一台内置的Tesla变压器。本发明优点是:脉冲串发生器采用Tesla变压器充电,可实现脉冲串发生器的百赫兹重复频率运行;Tesla变压器与高电压脉冲形成线一体化,结构紧凑,使得脉冲串发生器的输出功率指标有较大的提升;为高电压脉冲形成线内置的触发模块供电的二级耦合Tesla变压器,可与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器构成双次级变压器,结构紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域,涉及一种重复频率高功率脉冲串产生技术,具体涉及一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器。
背景技术
高功率脉冲串是指脉冲间隔在纳秒到微秒量级,脉冲个数几个到几十个,峰值功率超过GW以上的脉冲序列。产生脉冲间隔很短的连续高功率高压脉冲,物理和工程上存在巨大障碍,因此,为满足闪光x照相、粒子束改性及高功率微波产生等技术研究的需要,探索和研制了几种脉冲间隔很短、个数有限脉冲的产生方法和设备。其中一种比较有代表性的方法是利用脉冲形成线和气体开关串接,并利用气体开关在短时间内不能恢复的特性产生高压脉冲串。
刊名3rd IEEE Int Pulsed Power Conference,卷号2,出版日期1997年,篇名A600-kVdouble-pulser for the PHERMEX electron gun,作者Carlson,R.L等人研制成功用于X射线闪光高速摄影的双脉冲发生器,它包含两个Marx发生器,这两个Marx发生器给两段脉冲形成线独立充电,两段脉冲形成线通过激光触发间隙开关串联连接。该双脉冲发生器成功输出间隔1μs的600kV双脉冲。一方面,形成线内导体与MARX发生器输出端一般用电感隔离,电感较小,充电效率高,但形成的脉冲序列也会通过充电电感向MARX泄放能量,影响脉冲波形和效率,实际上也限制了脉冲串的长度。Marx发生器重复运行能力差,适于单次或以很低重频目前重复频率最高只能达到几Hz的水平运行,采用Marx发生器充电的脉冲串技术途径不能满足脉冲串发生器在数十~百赫兹重频下运行的应用需求。
内置Tesla变压器的脉冲形成线结构紧凑,效率高,重复运行能力强,次级电感达到几十亨,把内置Tesla变压器的形成线与气体开关相串接产生脉冲串,正好可以克服上述方法的不足。利用Tesla变压器技术的脉冲串产生方法可以产生功率数GW,脉冲间隔几十纳秒到几个微秒,脉冲个数达数十个,脉冲串重复频率达百Hz的重复频率脉冲串。
发明内容
为解决现有脉冲串发生器重复运行频率较低的问题,本发明提出一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器。
一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器,其特征在于包括基于Tesla变压器的多段高压脉冲形成线1、多个触发型主开关2、输出线3和负载4;多段高压脉冲形成线1串联而成,每个触发型主开关2的触发部分置于高压脉冲形成线的内部,采用Tesla变压器对高压脉冲形成线充电,多段高压脉冲形成线通过各自内置的Tesla变压器独立充电,每一段高压脉冲形成线1都有一台内置的Tesla变压器。
所述的触发型主开关2选用触发管型气体火花开关,其结构为:Marx电路置于形成线内筒的内部,Marx电路的输出端与触发针7连接,Marx电路的供电端与二级耦合Tesla变压器的次级锥状线圈8的高压端连接;二级耦合Tesla变压器与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器可同时内置于高电压脉冲形成线,构成双次级变压器,共用一个初级回路。二级耦合Tesla变压器与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器可同时内置于高电压脉冲形成线,构成双次级变压器,共用一个初级回路。Marx电路的光触发信号从高压脉冲形成线1的外部引入,光触发信号由光纤传输。
一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器,其特征在于包括基于Tesla变压器的多段高压脉冲形成线1、多个触发型主开关2、输出线3和负载4;多段高压脉冲形成线1串联而成,触发型主开关2的触发部分置于高压脉冲形成线的内部,选用激光触发火花间隙开关;采用Tesla变压器对高压脉冲形成线充电,充电方式是通过多个充电电感6和一台内置的Tesla变压器完成对所有高压脉冲形成线的充电,只有一段高压脉冲形成线内置Tesla变压器,每一个充电电感6把相邻两段形成线内筒5连接起来。
所述的激光触发火花,结构为:采用激光束10经透镜13聚焦在主开关电极间隙的中央15,焦斑电离后延迟一段时间主开关导通;所述主开关采用吹气型重频高压氮气间隙开关,选用1064nm的红外激光束10经透镜13聚焦在主开关电极间隙的中央15,焦斑电离后延迟一段时间,主开关导通。
本发明优点在于:脉冲串发生器采用Tesla变压器充电,可实现脉冲串发生器高达百赫兹的重复频率运行;Tesla变压器与高电压脉冲形成线一体化,结构紧凑,使得脉冲串发生器的输出功率指标有较大的提升;为高电压脉冲形成线内筒内部的Marx发生器充电的二级耦合Tesla变压器,充电信号引入方便,该二级耦合Tesla变压器可与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器构成双次级变压器,结构紧凑。
附图说明
图1:本发明基于三台Tesla变压器的三脉冲发生器示意图
图2:本发明基于单台Tesla变压器的三脉冲发生器示意图
图3:本发明Marx发生器的二次耦合Tesla变压器充电结构示意图
图4:本发明激光触发火花间隙开关示意图
1.基于Tesla变压器的三段高压脉冲形成线;2.触发型主开关;3.输出线;4.负载;5.形成线内筒或内磁芯;6.充电电感;7.开关触发针;8.二次耦合Tesla变压器的第二级变压器次级线圈;9.高压脉冲形成线充电变压器的次级线圈;10.激光器输出光束;11.光窗;12.大功率容量传输光纤;13.会聚透镜;14.反射镜;15.焦斑位置。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
本实施例中包括基于Tesla变压器的多段高压脉冲形成线1、多个触发型主开关2、输出线3和负载4共四个部分图1和图2。
所述的多段高压脉冲形成线1有两种充电形式,一种是多台Tesla变压器充电形式图1,每一段高压脉冲形成线1都有一台内置的Tesla变压器,多段高压脉冲形成线通过各自内置的Tesla变压器独立充电;另一种是单台Tesla变压器充电形式图2,通过充电电感6和一台内置的Tesla变压器完成对所有高压脉冲形成线的充电,只有一段高压脉冲形成线1有内置的Tesla变压器,通过多个充电电感把多段形成线内筒5连接起来,其中每一个充电电感6的两端连接相邻两段形成线内筒5的一端,充电电感采用螺绕管结构,充电电感在形成线的慢充电过程相当于短路,且快放电过程相当于开路。Tesla变压器的内外磁芯替代高压脉冲形成线的内外导体圆筒,次级锥状线圈位于形成线的内外磁芯之间,初级线圈紧邻外磁芯的内侧,初级线圈通过外筒上的引出电极连接到初级回路,初级电源HV对初级回路的储能电容充电,触发初级回路的晶闸管,初级储能电容通过变压器向次级形成线电容放电。
所述的触发型主开关2可选用触发管型气体火花开关,主开关采用高压氮气介质,采用风机对开关间隙吹气。选用Marx发生器作为触发电路图3,Marx电路置于形成线内筒5的内部,Marx电路的高压输出端连接开关触发针7。Marx电路的级开关采用光导半导体开关PCSS,可采用1064nm的红外激光照射触发,触发能量数十μJ,激光束在光纤内传输,光纤从高电压脉冲形成线1的外部导入。可采用分光器对大功率输出激光束分光,再采用光纤传输和延时,产生的各子光束分别触发各个Marx发生器。Marx发生器可采用二级耦合Tesla变压器充电,二级耦合Tesla变压器置于高电压脉冲形成线1的内部,二级耦合Tesla变压器的内外开路磁芯替代高压脉冲形成线的内外筒。第一级Tesla变压器的初级圆柱形线圈紧邻外磁芯内表面,次级圆柱形线圈紧靠内磁芯的外表面。第二级Tesla变压器的初级圆柱形线圈紧邻内磁芯的内表面,次级锥状线圈8位于内磁芯5的内部,其一端连接形成线内磁芯5,另一端连接Marx发生器的充电端U0。内磁芯的中间开一纵向耦合槽,槽口长度稍大于紧邻内磁芯表面的线圈宽度,内磁芯内外表面的两个圆柱形线圈在槽口边沿纵向联结成一整体,通过耦合槽第一级变压器能量可传输到第二级变压器。二级耦合Tesla变压器与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器可同时内置于高电压脉冲形成线1,构成双次级变压器,共用初级回路和内外磁芯。
所述的触发型主开关2除了选用触发管型气体火花开关,还可选用延时控制更精确触发抖动ns量级的激光触发火花间隙开关图4。主开关采用吹气型重频高压氮气间隙开关,选用的1064nm的红外激光束10由光窗11沿着形成线的径向进入形成线内部,进入形成线的激光束在大功率容量光纤12内传输,透镜13对大容量光纤的出射光束进行会聚,反射镜14使得会聚光束沿原来的径向传输方向改变为沿轴向传输,会聚光束聚焦在主开关阴阳电极间隙的中央15。氮气中焦斑电离所需能量较大,多个主开关需要多台激光器来触发,为满足目前定制光纤传输能力,传输光束能量要求小于100mJ。本实施例中Tesla变压器、激光器的时间控制由同步机完成。
Claims (1)
1.一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器,其特征在于包括基于Tesla变压器的多段高压脉冲形成线(1)、多个触发型主开关(2)、输出线(3)和负载(4);多段高压脉冲形成线(1)串联而成,每个触发型主开关(2)的触发部分置于高压脉冲形成线的内部,采用Tesla变压器对高压脉冲形成线充电,多段高压脉冲形成线通过各自内置的Tesla变压器独立充电,每一段高压脉冲形成线(1)都有一台内置的Tesla变压器;所述的触发型主开关(2)选用触发管型气体火花开关,其结构为:Marx电路置于形成线内筒的内部,Marx电路的输出端与触发针(7)连接,Marx电路的供电端与二级耦合Tesla变压器的次级锥状线圈(8)的高压端连接;二级耦合Tesla变压器与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器可同时内置于高电压脉冲形成线,构成双次级变压器,共用一个初级回路。
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