CN104953987B - 同轴两级重入脉冲形成线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同轴两级重入脉冲形成线，用于解决现有脉冲形成线结构复杂的技术问题。技术方案是包括重入形成线段、主开关段和负载段。所述的重入形成线段由四个直径逐渐减小且长度相等的金属圆筒、后端盖和绝缘填充介质组成。其中，四个金属圆筒包含形成线外筒、中筒、第四筒和内筒。四个金属圆筒为套在一起的一体化同轴结构。四个金属圆筒形成外线、中线和内线三个脉冲形成线。使得本发明的输出脉冲宽度达到背景技术同轴线的三倍，匹配输出阻抗为外线波阻抗的三倍。为实现相同的输出脉宽，本发明的脉冲形成线长度为背景技术同轴单线和双线的1/3。本发明的匹配输出阻抗为外线波阻抗的三倍，能够提高对高阻负载的能量传输效率，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲形成线，特别是涉及一种同轴两级重入脉冲形成线。
背景技术
在脉冲功率技术领域，用于产生高电压脉冲的方法有许多种，其中单同轴线(文献1：S.D.Korovin,V.V.Rostov,S.D.Polevin,Pulsed power-driven high-power microwavesources,Proceedings of the IEEE，Vol.92,No.7；July 2004)和双同轴线(也称为同轴Blumlein线)(文献2：J.C.Martin,Nanosecond pulse techniques,Proceedings of theIEEE,Vol.80,No.6；June 1992)是最常见的脉冲形成线。脉冲形成线内填充的电介质通常是高压气体或变压器油，脉冲形成宽度与形成线长度的比值分别是6.7ns/m和10ns/m。传统的同轴单线和双线结构简单，绝缘实现容易且可靠，输出脉冲功率高，但存在以下缺点：采用常用的高压气体或变压器油电介质输出百ns长脉冲时需要的同轴线长度很长。
希望获得较宽脉冲但又不希望脉冲形成装置很长的情况下，通常采用螺旋线(文献3：S.D.Korovin,V.P.Gubanov,A.V.Gunin,et al.Repetitive nanosecond high-voltage generator based on spiral forming line.[C]//Pulsed Power PlasmaScience.2011:1249-1251)、高介电常数介质(文献4：J.L.Liu,Y.Yin,B.Ge,et al.Anelectron-beam accelerator based on spiral water PFL,Laser and Particle Beams(2007),25,593–599)、固体绝缘带状线(文献5：M.T.Domonkos and J.P.O’Loughlin,Marxed transmission lines for compact pulsed power,IEEE Transactions ondielectrics and electrical insulation Vol.20,No.6；December 2013)和脉冲形成网络(文献6：Jiancang Su,Xibo Zhang,Guozhi Liu,et al.A Long-pulse generator basedon Tesla transformer and pulse-forming network,IEEE Transaction on PlasmaScience,Vol.37,No.10；October 2009)等长脉冲产生技术，这些技术都实现了长脉冲产生装置的小型化，但存在以下缺点：系统结构复杂、绝缘可靠性降低。
发明内容
为了克服现有脉冲形成线结构复杂的不足，本发明提供一种同轴两级重入脉冲形成线。该脉冲形成线包括重入形成线段、主开关段和负载段。所述的重入形成线段由四个直径逐渐减小且长度相等的金属圆筒、后端盖和绝缘填充介质组成。其中，四个金属圆筒包含形成线外筒、中筒、第四筒和内筒。四个金属圆筒为套在一起的一体化同轴结构。四个金属圆筒形成外线、中线和内线三个脉冲形成线。使得本发明的输出脉冲宽度达到背景技术同轴线的三倍，匹配输出阻抗为外线波阻抗的三倍。为实现相同的输出脉宽，本发明的脉冲形成线长度为背景技术同轴单线和双线的1/3。本发明的匹配输出阻抗为外线波阻抗的三倍，能够提高对高阻负载的能量传输效率，结构简单。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种同轴两级重入脉冲形成线，其特点是包括重入形成线段1、主开关段2和负载段3。所述的重入形成线段1由四个直径逐渐减小且长度相等的金属圆筒、后端盖4和绝缘填充介质组成。其中，四个金属圆筒包含形成线外筒5、中筒6、第四筒7和内筒8。四个金属圆筒为套在一起的一体化同轴结构：形成线外筒5的一端通过法兰与后端盖4电接触连接，另一端通过法兰与开关外筒10电接触连接；中筒6的一端与内筒8的一端电接触连接，另一端与第四筒7电接触连接；第四筒7的另一端为自由端；内筒8的另一端与阴极9电接触连接。四个金属圆筒的相邻圆筒之间以及端部为绝缘填充介质。
形成线外筒5、中筒6、第四筒7和内筒8形成外线、中线和内线三个脉冲形成线。形成线外筒5、中筒6与两者之间的填充绝缘介质构成外线。中筒6和第四筒7与两者之间的填充绝缘介质构成中线。第四筒7、内筒8与两者之间的填充绝缘介质构成内线。外线、中线和内线的电长度相等。
所述的主开关段2由阴极9、开关外筒10、阳极11与填充的开关气体介质组成。开关外筒10的一端通过法兰与形成线外筒5电接触连接，另一端通过法兰与负载外筒12电接触连接。阴极9和阳极11组成主开关的两个电极，其一端分别为自由端，阴极9的另一端与内筒8电接触连接，阳极11的另一端与负载电阻13电接触连接。
所述的负载段3由负载外筒12、负载电阻13与绝缘填充介质组成。负载外筒12的一端通过法兰与开关外筒10电接触连接，另一端通过外法兰与负载电阻13电接触在连接，负载电阻13的匹配阻抗为重入形成线段1的外线和内线阻抗之和。负载外筒12与负载电阻13之间为绝缘填充介质。
所述绝缘填充介质是高气压气体或变压器油的任一种。
所述外线、中线和内线的波阻抗比值为3:2:6。
本发明的有益效果是：该脉冲形成线包括重入形成线段、主开关段和负载段。所述的重入形成线段由四个直径逐渐减小且长度相等的金属圆筒、后端盖和绝缘填充介质组成。其中，四个金属圆筒包含形成线外筒、中筒、第四筒和内筒。四个金属圆筒为套在一起的一体化同轴结构。四个金属圆筒形成外线、中线和内线三个脉冲形成线。使得本发明的输出脉冲宽度达到背景技术同轴线的三倍，匹配输出阻抗为外线波阻抗的三倍。为实现相同的输出脉宽，本发明的脉冲形成线长度为背景技术同轴单线和双线的1/3。本发明的匹配输出阻抗为外线波阻抗的三倍，能够提高对高阻负载的能量传输效率，结构简单。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明同轴两级重入脉冲形成线的结构示意图。
图中，1-重入形成线段，2-主开关段，3-负载段，4-后端盖，5-形成线外筒，6-中筒，7-第四筒，8-内筒，9-阴极，10-开关外筒，11-阳极，12-负载外筒，13-负载电阻，14-左界面，15-右界面。
具体实施方式
以下实施例参照图1。
本发明同轴两级重入脉冲形成线包括重入形成线段1、主开关段2和负载段3。
所述的重入形成线段1，由4个直径逐渐减小且长度相等的金属圆筒、后端盖4和绝缘填充介质组成。其中，4个金属圆筒包含形成线外筒5、中筒6、第四筒7和内筒8。4个金属圆筒为套在一起的一体化同轴结构：形成线外筒5的一端通过法兰与后端盖4电接触连接，另一端通过法兰与开关外筒10电接触连接；中筒6的一端与内筒8电接触连接，另一端与第四筒7电接触连接；第四筒7的另一端开路(不连接)；内筒8的另一端与阴极9电接触连接。绝缘填充介质可为高气压气体或变压器油，填充在4个金属圆筒的相邻圆筒之间以及端部。
所述的重入形成线段1，包含3个脉冲形成线(外线、中线和内线)。形成线外筒5、中筒6和前两者之间的填充绝缘介质构成外线。中筒6和第四筒7和前两者之间的填充绝缘介质构成中线。第四筒7、内筒8和前两者之间的填充绝缘介质构成内线。外线、中线和内线的电长度(即电磁波传输的时间)相等，外线、中线和内线的波阻抗比值为3:2:6。
所述的主开关段2，包括开关外筒10、阴极9、阳极11和填充的开关气体介质组成。开关外筒10的一端通过法兰与形成线外筒5电接触连接，另一端通过法兰与负载外筒12电接触连接。阴极9和阳极11组成主开关的两个电极，其间隙距离由主开关的具体工作条件(间隙电压、开关气体、场增强等)确定，阴极9的另一端与内筒8电接触连接，阳极11的另一端与负载电阻13电接触连接。
所述的负载段3，包括负载外筒12、负载电阻13和填充的绝缘介质组成。负载外筒12的一端通过法兰与开关外筒10电接触连接，另一端通过外法兰与负载电阻13电接触在连接。负载电阻13的另一端与阳极11电接触连接。负载的匹配阻抗(即负载输出功率最大时)为重入形成线段1的外线和内线阻抗之和。绝缘填充介质可为高气压气体或变压器油，填充在外筒12和负载电阻13之间。
形成线外筒1接地，在慢充电过程中筒6、第四筒7和内筒8这三个金属圆筒充上幅值相等的高电压，通过主开关闭合对负载放电。匹配负载的输出电压幅值为形成线充电电压的一半，输出脉宽为形成线电长度的6倍，而传统的单同轴形成线输出脉宽为形成线电长度的2倍，即此结构使输出脉冲宽度增大为原来的3倍。
本发明同轴两级重入脉冲形成线脉冲形成过程进一步描述如下：
重入形成线段1的绝缘介质以变压器油为例，电磁波在变压器油介质的传输线上的传输速度为0.2m/ns，即一般同轴线的输出脉宽为10ns/m。本发明的输出脉冲宽度达到一般同轴线的三倍，即重入形成线段1的输出脉宽为30ns/m。
实际负载以相对论返波管为例，其前端无箔二极管的阻抗通常在80～100欧姆。高功率脉冲产生装置的小型化往往要求脉冲形成线的储能最大化。本发明的形成线段1仅有外线用于储能，中线和内线仅参与脉冲放电，而不参与储能。对于变压器油介质储能来说，同轴线的波阻抗为20欧姆时，储能密度达到最大。故本发明输出负载的匹配阻抗为60欧姆，对返波管负载的能量传输效率为94～98％。
假设中筒6的充电电压U0，形成线电长度为τ(其中τ＝lεr 1/2/c，l为形成线的轴向长度，c为真空中的光速，εr为绝缘介质的相对介电常数)。开关闭合后电磁波在传输线上传输时，遇到阻抗不连续的界面时将发生波的反射和透射行为。假定中筒6与内筒8连接端所在的横截面为左界面14。假定第四筒7的开路端所在的横截面为右界面15。波在不连续界面的几个具体的波传输行为包括：
1)开关闭合行为。t＝0时刻开关闭合，产生的幅值为U0/2的透射电压波传输到匹配负载上；产生的开关反射波(左界面14位置)一部分向外线传输，一部分向内线传输，幅值分别为(1/3)(-U0/2)和(2/3)(-U0/2)。
2)外线电压波的开路反射。某时刻离开左界面14向外线传输的电压波，将在之后的2τ时刻再次抵达该界面，电压幅值不变，且极性相同。
3)外线电压波在左界面14的传输行为。某时刻外线的电压波(假设电压波幅值Ux)向左界面14传输时，发生波的透反射：一部分电压幅值为Ux的透射波向负载传输(此时的开关处于导通状态)；一部分电压幅值为(-2/3)Ux的透射波向内线传输；一部分电压幅值为(2/3)Ux的反射波返回外线。
4)内线电压波在右界面15的传输行为。某时刻内线的电压波(假设电压波幅值Uy)向右界面15传输时，发生波的透反射：电压幅值为(-1/2)Uy的透射波向中线传输；电压幅值为(-1/2)Uy的反射波返回内线。
5)内线电压波在左界面14的传输行为。某时刻内线的电压波(假设电压波幅值Uz)向左界面14传输时，发生波的透反射：一部分电压幅值为Uz的透射波向负载传输(此时的开关处于导通状态)；一部分电压幅值为(-1/3)Uz的透射波向外线传输；电压幅值为(1/3)Uz的反射波返回内线。
6)中线电压波的短路反射。某时刻离开右界面15向中线传输的电压波，将在之后的2τ时刻再次抵达该界面，电压幅值不变，且极性相反。
7)中线电压波在右界面15的传输行为。某时刻中线的电压波(假设电压波幅值UW)向右界面15传输时，发生波的透反射：电压幅值为(-3/2)UW的透射波向内线传输；电压幅值为(1/2)UW的反射波返回中线。
根据以上各个界面的波传输分析，脉冲形成的总的波过程可描述为：
1)t<0时刻，外线初始电压幅值U0，中线、内线和负载初始电压为0。
2)t＝0时刻，匹配负载出现阶跃电压波，幅值U0/2；外线出现从左界面14来的阶跃电压波，幅值(1/3)(-U0/2)，使得外线电压变为(5/3)(U0/2)；中线电压保持0不变；内线出现从左界面14来的阶跃电压波，幅值(2/3)(-U0/2)，使得内线电压变为(-2/3)(U0/2)。
3)t＝τ时刻，外线出现向左界面14传输的阶跃电压波，幅值(1/3)(-U0/2)，使得外线电压变为(4/3)(U0/2)；中线出现从右界面15来的阶跃电压波，幅值(-1/3)(-U0/2)，使得中线电压变为(1/3)(U0/2)；内线出现从右界面15来的阶跃电压波，幅值(-1/3)(-U0/2)，使得内线电压变为(-1/3)(U0/2)。
4)t＝2τ时刻，外线出现从左界面14来的阶跃电压波，幅值(1/3)(-U0/2)，使得外线电压变为(U0/2)；中线电压保持(1/3)(U0/2)不变；内线出现从左界面14来的阶跃电压波，幅值(-1/3)(-U0/2)，使得内线电压变为0；内外线向负载透射波的叠加为0。
5)t＝3τ时刻，外线出现向左界面14传输的阶跃电压波，幅值(1/3)(-U0/2)，使得外线电压变为(2/3)(U0/2)；中线出现从右界面15来的阶跃电压波，幅值(1/3)(-U0/2)，使得中线电压变为0；内线出现从右界面15来的阶跃电压波，幅值(-1/3)(-U0/2)，使得内线电压变为(1/3)(U0/2)。
6)t＝4τ时刻，外线出现从左界面14来的阶跃电压波，幅值(1/3)(-U0/2)，使得外线电压变为(1/3)(U0/2)；中线电压保持0不变；内线出现从左界面14来的阶跃电压波，幅值(-1/3)(-U0/2)，使得内线电压变为(2/3)(U0/2)；内外线向负载透射波的叠加为0。
7)t＝5τ时刻，外线出现向左界面14传输的阶跃电压波，幅值(1/3)(-U0/2)，使得外线电压变为0；右界面15中线的反射波，与内线向中线的透射波的叠加为0，中线保持电压0不变；内线出现从右界面15来的阶跃电压波，幅值(2/3)(-U0/2)，使得内线电压变为0。
8)t＝6τ时刻，左界面14外线的反射波，与内线向外线的透射波的叠加为0，外线保持电压0不变；中线电压保持0不变；左界面14内线的反射波，与外线向内线的透射波的叠加为0，内线保持电压0不变；内外线向负载透射波的叠加为(-U0/2)，负载电压变为0。
根据脉冲形成波过程的分析，匹配负载输出电压幅值为形成线充电电压的一半，脉宽为6τ，即单根形成线输出脉宽的3倍；放电过程中线承受的电压U0/6，时间2τ；内线承受的最大电压U0/3，时间τ。
Claims (3)
1.一种同轴两级重入脉冲形成线，其特征在于：包括重入形成线段(1)、主开关段(2)和负载段(3)；所述的重入形成线段(1)由四个直径逐渐减小且长度相等的金属圆筒、后端盖(4)和绝缘填充介质组成；其中，四个金属圆筒包含形成线外筒(5)、中筒(6)、第四筒(7)和内筒(8)；四个金属圆筒为套在一起的一体化同轴结构：形成线外筒(5)的一端通过法兰与后端盖(4)电接触连接，另一端通过法兰与开关外筒(10)电接触连接；中筒(6)的一端与内筒(8)的一端电接触连接，另一端与第四筒(7)电接触连接；第四筒(7)的另一端为自由端；内筒(8)的另一端与阴极(9)电接触连接；四个金属圆筒的相邻圆筒之间以及端部为绝缘填充介质；
形成线外筒(5)、中筒(6)、第四筒(7)和内筒(8)形成外线、中线和内线三个脉冲形成线；形成线外筒(5)、中筒(6)与两者之间的填充绝缘介质构成外线；中筒(6)和第四筒(7)与两者之间的填充绝缘介质构成中线；第四筒(7)、内筒(8)与两者之间的填充绝缘介质构成内线；外线、中线和内线的电长度相等；
所述的主开关段(2)由阴极(9)、开关外筒(10)、阳极(11)与填充的开关气体介质组成；开关外筒(10)的一端通过法兰与形成线外筒(5)电接触连接，另一端通过法兰与负载外筒(12)电接触连接；阴极(9)和阳极(11)组成主开关的两个电极，其一端分别为自由端，阴极(9)的另一端与内筒(8)电接触连接，阳极(11)的另一端与负载电阻(13)电接触连接；
所述的负载段(3)由负载外筒(12)、负载电阻(13)与绝缘填充介质组成；负载外筒(12)的一端通过法兰与开关外筒(10)电接触连接，另一端通过外法兰与负载电阻(13)电接触连接，负载电阻(13)的匹配阻抗为重入形成线段(1)的外线和内线阻抗之和；负载外筒(12)与负载电阻(13)之间为绝缘填充介质。
2.根据权利要求1所述的同轴两级重入脉冲形成线，其特征在于：所述绝缘填充介质是高气压气体或变压器油的任一种。
3.根据权利要求1所述的同轴两级重入脉冲形成线，其特征在于：所述外线、中线和内线的波阻抗比值为3:2:6。
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