CN105071787A - 一种带有重入结构的脉冲形成线 - Google Patents

Abstract

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种带有重入结构的脉冲形成线，其目的是缩小脉冲形成线轴向长度。本发明包括重入形成线段、开关段和负载段共三个部分。重入形成线段的3个同轴圆筒与绝缘介质构成了2个脉冲形成线，即外线和内线的电长度相等，波阻抗相等，负载的匹配阻抗为外线和内线的阻抗之和。本发明的有益效果是：在轴向长度相同的条件下，采用带有重入结构的脉冲形成线，其输出脉冲宽度为传统脉冲形成线的两倍。

Description

一种带有重入结构的脉冲形成线

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种带有重入结构的脉冲形成线，在相同长度条件下输出的脉冲宽度能够达到传统脉冲形成线的两倍。

背景技术

脉冲功率技术是一门研究在相对较长时间里储存能量，然后经过快速压缩、转换，最后释放给负载的新兴科学技术，研究的对象是，电压在10⁴～10⁷V，电流10³～10⁷安培，脉宽10^-5～10^-10秒，脉冲功率大于10⁶W的高功率脉冲的产生与应用。

在脉冲功率装置中，如果要获得前沿快、顶部平坦的高压脉冲，一般需要使用脉冲形成线，根据结构形式的不同有同轴线、带状线等等，能够得到的脉冲宽度与脉冲形成线长度和绝缘介质的介电常数的平方根成正比，为脉冲形成线传输时间的两倍。若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、高介电常数介质形成线、固体绝缘卷绕带状线和脉冲形成网络等技术，这些技术都在特定条件下具有相对优势，也都有各自的不足，螺旋线，卷绕带状线很难获得兆伏以上电压，同时输出波形质量不高，脉冲形成网络输出脉冲前沿很慢，高介电常数介质如去离子水虽然可以获得较长脉冲输出，但很难高重复频率工作。

在要求输出电压为MV量级、重复频率数十至百赫兹、同时要求输出脉冲有较快前沿和较好的平顶度方面，一般使用气体和变压器油绝缘的单筒或双筒脉冲形成线。图1为目前使用最为广泛的单筒脉冲形成线原理结构图，现有金属圆筒1为脉冲形成线外筒，现有金属圆筒2为脉冲形成线内筒，开关3一般为气体火花开关，导通速度为纳秒量级，负载4一般为大功率电阻、真空二极管或辐射天线，图中箭头为脉冲传输方向。脉冲形成线在填充高压绝缘气体或变压器油的情况下，输出脉冲宽度与脉冲形成线长度之比分别为6.7ns/m和10ns/m，若要求输出脉冲宽度为100ns的高压脉冲，要求脉冲形成线长度分别为10米和15m，系统庞大，工程难度很高。

发明内容

本发明的目的是在输出相同脉冲宽度的条件下缩短脉冲形成线长度，或者在相同脉冲形成线长度条件下获得更宽的输出脉冲，介绍了一种带有重入结构的脉冲形成线，在输出相同脉冲宽度的条件下长度仅为传统脉冲形成线的一半，下文简称为重入线。

本发明的技术方案是：设计一种带有重入结构的脉冲形成线，其特征在于，包括重入形成线段5、开关段6和负载段7；所述重入形成线段5包括外筒10、中筒11、内筒12和绝缘物质；外筒10和中筒11、中筒11和内筒12相互嵌套，且中筒11和内筒12分别通过绝缘支撑板与外筒10固连；中筒11和内筒12在一端互相连接，中筒(11)的另一端不连接(开路)，内筒12的另一端与阴极14连接；外筒10、中筒11、内筒12三者同轴；外筒10和中筒11之间、中筒11和内筒12之间均设有绝缘物质，且外筒10、中筒11和两者之间的绝缘物质构成外线，中筒11、内筒12和两者之间的绝缘物质构成内线，外线和内线的电长度相等，外线和内线的波阻抗相等；重入形成线段5开口端与开关段6同轴连接；开关段6与负载段7相连接。

本发明的进一步技术方案为：所述负载段7包括负载17和负载外筒18。

本发明的进一步技术方案为：所述开关段6包括开关阴极14、开关阳极16和开关外筒15；开关阴极14与内筒12开口端连接，开关阳极16与负载17一端连接，负载17另一端连接于负载外筒18内壁上，且负载外筒18罩在开关外筒15上；负载17的匹配阻抗为外线和内线的波阻抗之和；所述开关段6和负载段7内填充有气体。

本发明的进一步技术方案为：所述绝缘物质为高压绝缘气体或变压器油。

本发明的进一步技术方案为：所述连接均为电接触连接。

本发明的进一步技术方案为：所述重入形成线段5中的外筒10为两端开口状，且所述重入形成线段5还包括后盖8，其与外筒10未与开关段6相连接的一端通过法兰电接触连接。

本发明的进一步技术方案为：所述中筒11和内筒12连接端为一体化加工或相互电接触连接。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明的重入形成线段为一体化同轴结构，包含了3个套在一起的金属圆筒，构成了2个波阻抗相等的脉冲形成线(外线和内线)，使得本发明的输出脉冲宽度达到传统脉冲形成线的2倍。为实现所需的输出脉宽，本发明的脉冲形成线长度为传统脉冲形成线的1/2。本发明的匹配输出阻抗为外线波阻抗的2倍，在此条件下能量传输效率最高。

附图说明

图1为现有技术中单筒脉冲形成线原理结构图。

图2为本发明的原理结构图；.

附图标记说明：1—现有金属外筒；2—现有金属内筒；3—开关；4—现有负载；5—重入形成线段；6—开关段；7—负载段；8—后盖；9—中筒绝缘支撑板；10—外筒；11—中筒；12—内筒；13—内筒绝缘支撑板；14—阴极；15—开关外筒；16—阳极；17—负载；18—负载外筒；19—左界面；20—右界面。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。

参见图1—图2，本发明包括重入脉冲形成线段5、开关段6与负载段7。

所述的重入形成线段5，由三个金属圆筒和绝缘填充介质组成，三个同轴金属圆筒包括外筒10，中筒11和内筒12，三个金属圆筒为套在一起的一体化同轴结构，外筒10左端和后盖8通过法兰电接触连接，外筒10右端和开关外筒15左端通过法兰电接触连接，中筒11左端和内筒12左端电接触连接或直接一体化加工，和后盖8不连接，中筒11右端开路(不连接)，内筒8右端与开关阴极14电接触连接，绝缘介质可以为高压绝缘气体或变压器油。中筒11靠中筒绝缘支撑板9同轴安装于外筒10内，内筒12靠内筒绝缘支撑板13同轴安装于外筒10内。

所述的重入形成线段5，包含2个脉冲形成线，外筒10、中筒11和两者之间填充的绝缘介质构成外线。中筒11、内筒12和两者之间的填充绝缘介质构成内线。外线和内线的电长度(即电磁波传输的时间)相等，外线和内线的波阻抗相等。

所述的主开关段6，包括开关外筒15、阴极14、阳极16和填充的开关气体介质组成。开关外筒15的左端通过法兰与外筒10右端电接触连接，另一端通过法兰与负载外筒18左端电接触连接。阴极14和阳极16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14与内筒12右端电接触连接，阳极16与负载17电接触连接。

所述的负载段7，包括负载17和负载外筒18两部分。负载外筒18的左端通过法兰与开关外筒15电接触连接，右端与负载17电接触连接。负载17的另一端与阳极16电接触连接。负载17的匹配阻抗(即负载输出功率最大时)为重入形成线段5的外线和内线波阻抗之和。

外筒10接地，在充电过程外线充电至所需高电压，通过开关阴阳极闭合对负载17放电。匹配负载上得到的输出电压幅值为形成线充电电压的一半，输出脉宽为外线和内线电长度的4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2倍。

对本发明脉冲形成过程的工作原理作进一步描述：假设重入形成线段5外线与内线的波阻抗分别为Z₁与Z₂，电长度均为τ，负载17阻抗为R，形成线外线的充电电压U₀，Z₁、Z₂及τ的计算方法见(1)、(2)、(3)式。

$Z_1=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\ln \frac{d_1}{d_2}---\left(1\right)$

$Z_2=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\ln \frac{d_3}{d_4}---\left(2\right)$

$\mathrm{\τ}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}\frac{l}{c}---\left(3\right)$

其中ε_r为重入线填充介质相对介电常数，d₁为外筒10内径，d₂为中筒11外径，d₃为中筒11内径，d₄为内筒12外径，l为外线与内线的轴向长度，c为真空中光速。本发明要求Z₁＝Z₂，负载17阻抗R＝2Z₁＝2Z₂。假设中筒11左端所在平面为左界面19，中筒11右端所在平面为右界面20，重入线的波传输过程如下：

1)外线充电至U₀后开关闭合。t＝0时刻开关闭合，在右界面20产生的幅值为U₀/2的透射电压波传输到匹配负载17上；在右界面20产生的反射波(幅度-U₀/2)一半向外

线传输，一半向内线传输，幅值均为-U₀/4。

2)0<t<τ的波传输过程。

t＝0时刻离开右界面20向外线传输的电压波(幅度-U₀/4)，在t＝τ时刻抵达左界面19，外线充电电压变为3U₀/4，t＝0时刻离开右界面20向内线传输的电压波(幅度-U₀/4)，

在t＝τ时刻抵达左界面19。

3)τ<t<2τ的波传输过程。

在t＝τ时刻抵达左界面19的外线电压波(幅度-U₀/4)发生开路反射，向右界面20传播(幅度-U₀/4)，t＝2τ时到达右界面20，形成线外线充电电压变为U₀/2；t＝τ时刻抵达左界面19的内线电压波(幅度-U₀/4)，发生短路反射，向右界面20传播(幅度U₀/4)，t＝2τ时到达右界面20。

4)2τ<t<3τ的波传输过程。

t＝2τ时到达右界面20的形成线外线电压波(幅度-U₀/4)在右界面20发生透射和反射，反射波幅度为-U₀/8，向内线透射波幅度为U₀/8，向负载透射波幅度为-U₀/4，t＝2τ时到达右界面20的形成线内线电压波(幅度U₀/4)在右界面20发生透射和反射，反射波幅度为U₀/8，向外线透射波幅度为-U₀/8，向负载透射波幅度为U₀/4，因此外线电压波与内线电压波向负载的透射波正负抵消，负载上的电压波幅度仍然为U₀/2，向左界面19传播的外线电压波幅度为-U₀/4，t＝3τ时到达左界面19，外线充电电压变为U₀/4，向左界面19传播的内线电压波幅度为U₀/4，t＝3τ时到达左界面19。

5)3τ<t<4τ的波传输过程。

t＝3τ时到达左界面19的外线电压波(幅度-U₀/4)在左界面19发生开路反射，向右界面20传播(幅度-U₀/4)，t＝4τ时到达右界面20，外线充电电压变为0；到达左界面19的内线电压波(幅度U₀/4)在左界面19发生短路反射，向右界面20传播(幅度-U₀/4)，在t＝4τ时到达右界面20；

6)t>4τ的波传输过程。

t＝4τ时到达右界面20的外线电压波(幅度-U₀/4)在右界面20发生透射和反射，反射波幅度为-U₀/8，向内线透射波幅度为U₀/8，向负载透射波幅度为-U₀/4，t＝4τ时到达右界面20的内线电压波(幅度-U₀/4)在右界面20发生透射和反射，反射波幅度为-U₀/8，向外线透射波幅度为U₀/8，向负载透射波幅度为-U₀/4，因此外线电压波与内线电压波向负载的透射波为-U₀/2，负载上的电压波幅度变为0，t>4τ时向左界面19传播的外线电压波与内线电压波幅度均为零，外线充电电压为0，重入线工作过程结束。外线储存的能量全部向负载释放，幅度为U₀/2，脉冲宽度为4τ。

所述的重入形成线段5，由三个金属圆筒和绝缘填充介质组成，三个同轴金属圆筒包括外筒10，中筒11和内筒12，三个金属圆筒为套在一起的一体化同轴结构，外筒10左端和后盖8通过法兰电接触连接，右端和开关外筒15左端通过法兰电接触连接，中筒11左端和内筒12左端电接触连接或直接一体化加工，和后盖8不连接，中筒11右端开路(不连接)，内筒12右端与阴极14电接触连接，绝缘介质可以为高压绝缘气体或变压器油。中筒11依靠中筒绝缘支撑板9同轴安装于外筒10内，内筒12依靠内筒绝缘支撑板13同轴安装于外筒10内。

所述的重入形成线段5，包含2个脉冲形成线，外筒10、中筒11和两者之间填充的绝缘介质构成外线。中筒11、内筒12和两者之间的填充绝缘介质构成内线。外线和内线的电长度(即电磁波传输的时间)相等，外线和内线的波阻抗相等。

本实施例中，外筒10的内径为100cm，中筒11的外径为60.6cm，内径为59.4cm，内筒外径为36cm，外线与内线长度相等，均为200cm，填充介质为变压器油，介电常数ε_r为2.25，中筒绝缘支撑板9与内筒绝缘支撑板13的材料为YB-3航空有机玻璃。由公式(1)、(2)可得内外线波阻抗均为20Ω，由公式(3)可得内外线电长度为20ns。

所述的主开关段2，包括开关外筒15、阴极14、阳极16和填充的开关气体介质组成。开关外筒15的左端通过法兰与外筒10右端电接触连接，右端通过法兰与负载外筒18左端电接触连接。阴极14和阳极16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、开关气体等)确定，阴极14的左端与内筒12右端电接触连接，阳极16的右端与负载17电接触连接，负载17右端与负载外筒18右端电接触连接。

在本实施例中，开关阴极14与阳极16的间距为8cm，填充的气体介质为高纯氮气，根据外线上的充电电压充气至一定压力，开关外筒15能够承受的最高气压为2MPa，外线的常用充电电压为1.5兆伏，对应氮气气压为1.5MPa。

所述的负载段3，包括负载17、负载外筒18两部分。负载外筒18的左端通过法兰与开关外筒15右端电接触连接，右端通过法兰与负载17右端电接触连接。负载17的左端与阳极16电接触连接。负载的匹配阻抗(即负载得到的峰值功率最大时)为重入形成线段1的外线和内线波阻抗之和。

在本实施例中，负载17为电阻，阻值为40Ω，与重入脉冲形成线段5呈匹配状态，能量传输效率最高。

本实施例中所述的带有重入结构的脉冲形成线，可以在40Ω匹配负载上输出幅度为外线充电电压一半，脉冲宽度为40ns的高电压脉冲，而对于传统脉冲形成线，在脉冲形成线长度相同的条件下，输出脉冲宽度仅为20ns。

Claims (7)

1.一种带有重入结构的脉冲形成线，其特征在于，包括重入形成线段(5)、开关段(6)和负载段(7)；所述重入形成线段(5)包括外筒(10)、中筒(11)、内筒(12)和绝缘物质；外筒(10)和中筒(11)、中筒(11)和内筒(12)相互嵌套，且中筒(11)和内筒(12)分别通过绝缘支撑板与外筒(10)固连；中筒(11)和内筒(12)一端互相连接，中筒(11)的另一端不连接，内筒(12)的另一端与阴极(14)连接；外筒(10)、中筒(11)、内筒(12)三者同轴；外筒(10)和中筒(11)之间、中筒(11)和内筒(12)之间均设有绝缘物质，且外筒(10)、中筒(11)和两者之间的绝缘物质构成外线，中筒(11)、内筒(12)和两者之间的绝缘物质构成内线，外线和内线的电长度相等，外线和内线的波阻抗相等；重入形成线段(5)开口端与开关段(6)同轴连接；开关段(6)与负载段(7)相连接。

2.如权利要求1所述的一种带有重入结构的脉冲形成线，其特征在于，所述负载段(7)包括负载(17)和负载外筒(18)。

3.如权利要求1或2所述的一种带有重入结构的脉冲形成线，其特征在于，所述开关段(6)包括开关阴极(14)、开关阳极(16)和开关外筒(15)；开关阴极(14)与内筒(12)开口端连接，开关阳极(16)与负载(17)一端连接，负载(17)另一端连接于负载外筒(18)内壁上，且负载外筒(18)罩在开关外筒(15)上；负载(17)的匹配阻抗为外线和内线的波阻抗之和；所述开关段(6)和负载段(7)内填充有气体。

4.如权利要求1所述的一种带有重入结构的脉冲形成线，其特征在于，所述绝缘物质为高压绝缘气体或变压器油。

5.如权利要求1所述的一种带有重入结构的脉冲形成线，其特征在于，所述连接均为电接触连接。

6.如权利要求1所述的一种带有重入结构的脉冲形成线，其特征在于，所述重入形成线段(5)中的外筒(10)为两端开口状，且所述重入形成线段(5)还包括后盖(8)，其与外筒(10)未与开关段(6)相连接的一端通过法兰电接触连接。

7.如权利要求1所述的一种带有重入结构的脉冲形成线，其特征在于，所述中筒(11)和内筒(12)连接端为一体化加工或相互电接触连接。