CN105204561A - 一种短脉冲高幅值冲击电流发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短脉冲高幅值冲击电流发生器，其结构包括同轴设置的外箱体和内箱体；外箱体和内箱体之间围成封闭的空腔，空腔内竖直设置有外层放电支路和内层放电支路；外箱体顶板和内箱体顶板之间设置有平板状中间高压电极；外箱体顶板、内箱体顶板和中间高压电极构成径向三板传输线。本发明提供的短脉冲高幅值大电流产生装置解决了传统电流产生装置占地面积大、造价昂贵的技术问题。本发明采用内外两层竖直放置的放电支路，显著降低了整个装置的外部直径，减小了占地面积；不使用磁芯，去掉了LTD装置中的磁芯复位等复杂机构，显著降低了造价。

Description

一种短脉冲高幅值冲击电流发生器

技术领域

本发明涉及一种短脉冲高幅值冲击电流发生器。

背景技术

常规的冲击电流发生器一般采用多个电容器并联形成电容器组(Capacitorbank)，由于单只电容器容量大，同步放电开关电感大，电流汇聚传输回路不紧凑，放电电流周期一般为数微秒至数十微秒，如用于产生脉冲强磁场的冲击电流发生器、浓密等离子体焦点装置(DPF)，等熵压缩(SCE)大电流源、长脉冲Z箍缩装置(如ATLAS)等，难以获得脉宽为70－200ns的大电流脉冲。在高功率Z箍缩金属丝放电特性研究、产生大面积的能谱数十keV的脉冲硬X射线、金属丝放电等离子体发射药增强点火燃烧、金属丝放电产生强闪光、纳米金属粉制备等研究中需要脉宽小于200ns、幅值约1MA的脉冲大电流，而对脉冲源输出电压要求不高。

直线型脉冲变压器(LineartransformerDriver，简称LTD)通过径向均匀排列的多个低电感快放电支路，利用电磁耦合，实现单级多个支路电流叠加和多级串联模块的电压叠加，可直接获得前沿70－200ns的高功率脉冲，在Z箍缩惯性约束聚变(ICF)/聚变能源(IFE)、闪光照相、强激光等领域具有重要应用。但LTD需要快时间响应磁芯，造价高，如1MA40支路并联LTD模块磁芯直径约2m厚度20mm的磁芯4－6只，磁芯采用厚度25微米的非晶带材，制造工艺复杂，造价约1百万，而且LTD放电支路水平放置、径向对称排列，导致LTD模块直径大，1MA模块高压绝缘子直径约3m，绝缘子制造困难，造价高昂，制约了LTD技术的应用和发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种短脉冲高幅值大电流产生装置，解决了传统电流产生装置占地面积大、造价昂贵的技术问题。

本发明的技术解决方案是：提供一种短脉冲高幅值冲击电流发生器，其特殊之处在于：包括同轴设置的外箱体和内箱体；外箱体和内箱体之间围成封闭的空腔，空腔内竖直设置有外层放电支路和内层放电支路；外箱体顶板和内箱体顶板之间设置有平板状中间高压电极；所述外层放电支路的高压输出端与中间高压电极连接，外层放电支路的接地端与外箱体顶板连接；所述内层放电支路的高压输出端与中间高压电极连接，内层放电支路的接地端与内箱体顶板连接；所述外箱体顶板、内箱体顶板和中间高压电极构成径向三板传输线；所述中间高压电极与位于箱体中心的圆锥状磁绝缘传输线连接；所述圆锥状磁绝缘传输线的外圆周上均匀开设有多个通孔，每个通孔中均设置有一个与中间高压电极电气绝缘的汇流电极柱；所述汇流电极柱将外箱体顶板和内箱体顶板连接，实现外层放电支路和内层放电支路的电流汇聚。

上述外层放电支路和内层放电支路均呈正N边形设置；每边外层放电支路和内层放电之路均由多个放电模块组成；所述放电模块包括两个相互电气隔离的电容器和一个位于下方的气体火花隙开关；相邻的两个放电模块间设置有充电隔离电阻或电感；正N边形的顶点处设置有触发电缆，与外部触发电源相连；触发电缆引入端通过隔离电阻或电感与放电单元中间平板绝缘子下方槽中的触发电极杆连接，触发电极杆通过隔离电感与对应位置的开关触发电极连接；其中外层与内层支路的一个气体火花隙开关正负电极通过隔离电阻与充电电缆相连，所有外层支路开关正电极通过隔离电阻连接成环形，所有外层支路开关负电极通过隔离电阻连接成环形；所有内层支路开关正电极通过隔离电阻连接成环形，所有内层支路开关负电极通过隔离电阻连接成环形。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用内外两层竖直放置的放电支路，显著降低了整个装置的外部直径，减小了占地面积。

(2)本发明不使用磁芯，去掉了LTD装置中的磁芯复位等复杂机构，显著降低了造价。

(3)本发明的放电支路均竖直放置，由平板状绝缘子紧固，不需要大尺寸圆形绝缘子，显著降低了装置加工难度和造价。

(4)本发明的放电支路呈正N边形布置，每一边放电支路又由多个放电模块组成，因此可以对各放电模块和每边放电支路分别进行加工和安装，降低了加工难度，检修和更换方便。

(5)本发明的放电模块通过隔离电阻或电感连接为封闭回路，只需要连接一个充电电源即可对全部放电模块进行充电，并可实现同步触发。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的外部立体视图；

图2为本发明较佳实施例的内部俯视图；

图3为本发明较佳实施例的部分剖视图；

图4为本发明较佳实施例的单边内层放电支路；

图5为图4中单边内层放电支路的A向视图；

图6为本发明较佳实施例的内层支路等效电路模型；

图7为本发明较佳实施例的外层支路等效电路模型；

图8为本发明较佳实施例的输出电流波形；

附图标记如下：1-外箱体；2-充电电缆引入孔；3-触发电缆引入孔；4-外箱体顶板；5-外箱体底板；6-外层放电支路；7-内层放电支路；8-内箱体；9-内箱体顶板；10-中间高压电极；11-高压绝缘子；12-汇流电极柱；13-外层放电支路接地端；14-内层放电支路接地端；15-外层放电支路高压输出端；16-内层放电支路高压输出端；17-磁绝缘传输线；18-放电模块；19-电容器；20-气体火花隙开关；21-隔离电阻或电感；22-触发电极杆；23-平板状绝缘子；24-螺杆。

具体实施方式

本发明提出一种产生高幅值短脉冲大电流的方法和装置，其核心思想是：基于与LTD相同的由2只电容器与1只气体开关组成的快放电支路，呈正N边形内外2层竖直布置，放电支路临近内外壳体的电容器充相同极性电压，其输出端接地，中间相邻放电支路电容器充相同极性电压，其脉冲输出端连接到径向三板传输线的高压电极；所有支路气体开关通过正N边形顶点引入的触发脉冲触发同步闭合后，通过三板传输线汇聚、传输各支路放电电流，从而获得高幅值短脉冲大电流。

参见图1，本发明较佳实施例的外部整体为圆柱形结构，与传统的直线型脉冲变压器相比具有占地面积小、加工容易、使用方便的优势。外箱体1的侧面上均布有多个充电电缆引入孔2和多个触发电缆引入孔3。外箱体顶板4的中心开孔处设置有圆锥状磁绝缘传输线17，其中心附近圆周均布有多根汇流电极柱12，用于将产生的电流脉冲传输至负载。

参见图2，本发明较佳实施例的结构是在外箱体1同轴设置有内箱体8，外箱体1和内箱体8之间围成封闭的空腔，空腔内竖直设置有外层放电支路6和内层放电支路7。外层放电支路6和内层放电支路7均呈正六边形设置，每边放电支路都可以单独加工然后组合使用，检修更换十分方便。外层放电支路接地端13与外箱体顶板4相连，内层放电支路接地端14与内箱体顶板9相连。

参见图3，外箱体顶板4和内箱体顶板9之间设置有平板状中间高压电极10，外层放电支路高压输出端15和内层放电支路高压输出端16均与中间高压电极10相连。外箱体顶板4、内箱体顶板9和中间高压电极10共同构成了径向三板传输线。中间高压电极10与中心的圆锥状磁绝缘传输线17相连，磁绝缘传输线17的外圆周上均匀开设有多个通孔，每个通孔中均设置有一个汇流电极柱12，汇流电极柱12上包覆有一定厚度的绝缘层，保证其与中间高压电极10之间是电气绝缘的。汇流电极柱12穿过通孔将外箱体顶板4和内箱体顶板9连接，实现外层放电支路和内层放电支路的电流汇聚。径向三板传输线内部通过聚乙烯或聚四氟乙烯等绝缘薄膜材料实现绝缘。在距离轴心一定位置处通过上下两层环形高压绝缘子11对中间高压电极10和外箱体顶板4进行支撑并绝缘。

参见图4和图5，本发明较佳实施例的单边内层放电支路7由三个放电模块18组成，每个放电模块18均由两个电容器19和一个位于下方的气体火花隙开关20组成。相邻的两个放电模块18间均设置有一个充电隔离电阻或电感21，从而将内层放电支路的所有放电模块连接为一个封闭回路。其中一个气体火花隙开关20的正负电极通过隔离电阻与充电电缆相连，便可以对全部的电容器进行充电。单边内层放电支路7的两端设置有触发电极杆22，通过隔离电阻或电感连接到相应支路气体开关触发电极。外部触发脉冲通过正六边形的六个顶点引入，通过隔离电阻连接到触发电极杆22。两个电容器19通过三个平板状绝缘子23紧固并实现电气隔离，位于下部的螺杆24将放电模块18拉紧为一个整体。本发明较佳实施例的单边外层放电支路6由四个放电模块组成，其他结构与单边内层放电支路7相同。

外部触发脉冲通过正六边形放电支路的顶点位置引入外箱体1内，再通过四个数百欧姆的隔离电阻连接到内外两层相邻的四个单边放电支路，使触发脉冲尽可能同时到达各放电支路开关；放电支路正负极性高压充电电缆引入位置也位于正六边形顶点位置，由于气体火花隙开关20位于箱体下方，充电电缆引入位置位于触发脉冲电缆下方，高压套管长度大于工作电压下沿面滑闪距离，与触发引入电缆距离大于工作电压下箱体绝缘介质的击穿距离。外箱体底板5上放置有绝缘板，防止充电电缆引入高压电极对下底板发生击穿。外层放电支路6和内层放电支路7相邻的电容器充电电压极性相同，靠近金属箱体的电容器充电极性相同。

本发明较佳实施例的工作方式是：当正六边形内外层的所有放电模块充电到设定电压时，六路前沿约30ns幅值140kV的外部触发脉冲通过触发电缆引入孔3引入外箱体1内部，分别经4根数百欧姆的电阻连接到内外两层相邻的四个触发电极杆22，引起内外层所有气体火花隙开关20同步击穿闭合，使放电模块的两只电容器串联，实现内外层所有支路电流汇聚；汇聚的大电流脉冲经过径向三板传输线向中心传输至圆锥状磁绝缘传输线17后再传输到负载，产生负载需要的前沿70－200ns幅值约1MA的脉冲大电流。

当放电支路电容器分别采用40nF、80nF、100nF，开关采用4间隙串联气体开关，支路几何参数和电气参数与LTD支路相同。根据本发明较佳实施例的结构与尺寸估算回路参数，建立电路模型如图6和图7所示。

对放电模块的2只电容器分别充电±80kV时，负载为2nH，等效电阻为0.1Ω，假定42个放电模块的所有开关同步击穿闭合，输出脉冲电流波形如图8所示。模拟结果表明：电容器分别采用40、80、100nF，充电±80kV，连接2nH等效电阻0.1Ω负载时输出电流前沿(0-1)和幅值分别为118ns/820kA、150ns/980kA、169ns/1030kA。

Claims (6)

1.一种短脉冲高幅值冲击电流发生器，其特征在于：包括同轴设置的外箱体和内箱体；外箱体和内箱体之间围成封闭的空腔，空腔内竖直设置有外层放电支路和内层放电支路；外箱体顶板和内箱体顶板之间设置有平板状中间高压电极；

所述外层放电支路的高压输出端与中间高压电极连接，外层放电支路的接地端与外箱体顶板连接；所述内层放电支路的高压输出端与中间高压电极连接，内层放电支路的接地端与内箱体顶板连接；

所述外箱体顶板、内箱体顶板和中间高压电极构成径向三板传输线；所述中间高压电极与圆锥状磁绝缘传输线连接；所述磁绝缘传输线的外圆周上均匀开设有多个通孔，每个通孔中均设置有一个与磁绝缘传输线电气绝缘的汇流电极柱；所述汇流电极柱将外箱体顶板和内箱体顶板连接，实现外层放电支路和内层放电支路的电流汇聚。

2.根据权利要求1所述的短脉冲高幅值冲击电流发生器，其特征在于：所述外层放电支路和内层放电支路均呈正N边形设置；每边外层放电支路和内层放电之路均由多个放电模块组成；所述放电模块包括两个相互电气隔离的电容器和一个位于电容器下方的气体火花隙开关；相邻的两个放电模块间设置有充电隔离电阻或电感；正N边形的顶点处设置有触发电缆，与外部触发电源相连；其中一个气体火花隙开关的正负电极通过隔离电阻与充电电缆相连。

3.根据权利要求2所述的短脉冲高幅值冲击电流发生器，其特征在于：所述放电模块还包括三个平板状绝缘子，所述电容器位于三个平板状绝缘子之间，实现与相邻电容器的电气隔离。

4.根据权利要求1或2或3所述的短脉冲高幅值冲击电流发生器，其特征在于：所述三板传输线通过薄膜绝缘材料或液体绝缘介质实现绝缘，所述三板传输线靠近中心处通过高压绝缘子支撑。

5.根据权利要求4所述的短脉冲高幅值冲击电流发生器，其特征在于：所述三板传输线通过聚乙烯或聚四氟乙烯等绝缘薄膜实现绝缘。

6.根据权利要求5所述的短脉冲高幅值冲击电流发生器，其特征在于：外箱体底板上放置有绝缘板。