CN105306015B - 一种谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器 - Google Patents

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一种谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器。本发明涉及一种纳秒前沿脉冲电流发生器，其结构包括充电支路、充电电缆和峰化回路；峰化回路包括峰化开关和峰化电容器；峰化电容器一端为接地电极板，另一端为高压电极板；高压电极板与峰化开关的高压电极一端连接为一体式结构，峰化开关的另一端为脉冲源输出电极；峰化电容器高压电极板通过充电电缆与充电支路相连；峰化电容器外设置有绝缘壳体；绝缘壳体和峰化电容器的接地电极板、高压电极板共同围成填充有气体介质的封闭腔体。本发明提供的高幅值脉冲电流发生器结构紧凑、体积小，采用谐振充电，输出极性可调，可以在低阻值负载状态下产生数十纳秒的快前沿高幅值脉冲电流。

Description

一种谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器
技术领域
本发明涉及一种纳秒前沿脉冲电流发生器。
背景技术
脉冲大电流通过丝阵负载产生的Z箍缩在武器物理、X射线辐射效应研究、聚变能源等方面具有重要应用需求，如美国ZR装置(26MA)、中国工程物理研究院聚龙一号(8MA)等。
英国帝国理工大学在MAGPIE装置上研究表明：Z箍缩丝阵先通过数十纳秒前沿的预脉冲电流，加热气化、形成对称均匀薄层圆柱状金属气体，延时一定时间再通过主脉冲大电流，可抑制不稳定性发展，有利于提高Z箍缩辐射X射线功率。MAGPIE装置的预脉冲电流是通过旁路负载分流，延时一定时间，旁路负载开路，主脉冲电流切换到丝阵负载；其预脉冲幅值和主脉冲电流施加时间不能很好控制。法国Syrinx装置上丝阵Z箍缩特性研究也表明，丝阵预先通过快前沿的预脉冲电流，有利于改善Z箍缩负载的特性。
目前，采用分流方式产生预脉冲电流特别依赖于并联的旁路负载，结构复杂，体积庞大，不利于装置的推广应用。
发明内容
本发明提供一种结构紧凑、体积小的高幅值脉冲电流发生器，采用谐振充电，输出极性可调，可以在低阻值负载状态下产生数十纳秒的快前沿高幅值脉冲电流。
本发明的技术解决方案是：所提供的谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器，包括充电支路、充电电缆和峰化回路，其特殊之处在于：所述峰化回路包括峰化开关和峰化电容器；所述峰化电容器一端为接地电极板，峰化电容器另一端为高压电极板；所述高压电极板与峰化开关的一端连接为一体式结构，峰化开关的另一端为脉冲源输出电极；所述高压电极通过充电电缆与充电支路相连；所述峰化电容器外依次设置有绝缘壳体；所述绝缘壳体和峰化电容器的接地电极板、高压电极板共同围成填充有气体介质的封闭腔体。整体结构紧凑，体积小，有利于装置的加工生产和推广应用。
上述峰化开关包括针电极和板电极；针电极和板电极之间为气体间隙，所填充的气体介质和气压均与峰化电容器所在腔体相同；所述针电极安装在峰化电容器高压电极板中心；所述板电极为脉冲源输出电极。当充电电压达到气体间隙自击穿电压时，峰化开关自动闭合，输出纳秒前沿的脉冲电流到负载。
上述峰化电容器是由多个薄膜电容元件串联组成的低电感电容器。改变串联元件数可改变电容器容量及耐受工作电压。
上述峰化回路还包括一个用于监测峰化电容器的充电电压波形的电阻分压器和一个用于监测输出电流波形的脉冲电流测量线圈。电阻分压器同时还作为充电支路的充电回路电阻。
上述充电支路包括两个双端引出电极的支路电容器和一个气体火花隙开关；其中一个支路电容器一端与气体火花隙开关相连，另一端为接地电极；另一个支路电容器一端与气体火花隙开关相连，另一端为支路输出电极；气体火花隙开关的两个高压电极分别通过充电电阻与正负极性电源连接。交换开关电极充电极性，可以改变输出脉冲极性。
上述绝缘壳体外还设置有金属壳体，绝缘壳体和金属壳体为同轴设置的圆柱形结构，装置加工容易、尺寸小。
本发明有益效果是：
(1)本发明的峰化回路由一体化的峰化电容器和峰化开关构成，峰化电容器封闭在气腔内采用气体绝缘，结构紧凑，电感小，绝缘水平高。
(2)本发明的峰化开关为尖-板式气体开关，一端为针电极，另一端为板电极，中间填充气体介质，当充电电压达到气体间隙自击穿电压时峰化开关自动闭合，输出稳定。
(3)本发明的峰化电容器是由多个薄膜电容元件串联组成的低电感电容器，改变串联元件数可改变电容器容量及耐受工作电压，适用范围广。
(4)本发明的充电支路采用短脉冲谐振充电，改变开关两端充电电压极性，可以获得两种极性的脉冲，使用灵活。
(5)本发明的峰化回路与充电支路间通过高压充电电缆连接，充电电缆的长度可调，便于峰化回路与主脉冲电流源配合连接。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的电路原理图；
图2为本发明较佳实施例的峰化回路结构示意图；
图3为本发明较佳实施例的充电支路结构示意图；
图4为本发明较佳实施例的等效电路；
图5为本发明较佳实施例的输出脉冲电流波形；
附图标记如下：1-充电支路；2-充电电缆；3-峰化回路；4-峰化开关气体间隙；5-针电极；6-板电极；7-高压电极板；8-峰化开关；9-接地电极板；10-电阻分压器；11-脉冲电流测量线圈槽；12-峰化电容器；13-绝缘壳体；14-金属壳体；15-支路电容器；16-气体火花隙开关；17-绝缘板；18-开关高压电极；19-支路输出电极；20-支路接地电极。
具体实施方式
参见图1，本发明的较佳实施例由充电支路1、充电电缆2和峰化回路3构成，峰化回路3由峰化电容器和峰化开关组成。充电支路1通过充电电缆2为峰化电容器进行谐振充电，当电压充到一定值时，峰化开关闭合，可输出数十纳秒的快前沿脉冲电流。
参见图2，本发明较佳实施例的峰化电容器12是由多个薄膜电容元件串联组成的低电感电容器，改变串联元件数可改变电容器容量及耐受工作电压。峰化电容器12的上端为高压电极板7，下端为接地电极板9，外部同轴设置有绝缘壳体13和金属壳体14。绝缘壳体13和金属壳体14为圆柱形结构，占地面积小且易于加工。绝缘壳体13和高压电极板7、接地电极板9共同围成封闭腔体，内部填充气体介质，实现对峰化电容器12的气体绝缘，绝缘水平高。峰化开关8是一种尖-板式气体开关，包括针电极5和板电极6，中间为峰化开关气体间隙4，所填充的气体介质及气压与峰化电容器12所在的腔体是相同的。改变气体间隙4内填充气体的气压和充电支路电压便可调节输出电流幅值，适用范围广。针电极5安装在针电极座的中心孔内，侧面通过螺钉紧固。针电极座位与高压电极板7的中心，二者为一体化结构。高压电极板7的一侧通过充电电缆2连接充电支路，对峰化电容器12进行充电。高压电极板7的另一侧连接一个电阻分压器10，用于监测峰化电容器12的充电电压波形，同时也作为充电支路1的充电回路电阻。绝缘壳体13下部设置有一个脉冲电流测量线圈槽11，其内安装罗氏线圈，用于监测输出电流波形。
参见图3，本发明较佳实施例的充电支路1包括两个支路电容器15和一个气体火花隙开关16。其中一个支路电容器一端与气体火花隙开关16相连，另一端为支路接地电极20；另一个支路电容器一端与气体火花隙开关16相连，另一端为支路输出电极19。气体火花隙开关16的两个开关高压电极18分别通过充电电阻与正负极性电源连接，当充电到设定电压时可触发气体火花隙开关16，使之击穿闭合，这时两个支路电容器15串联，支路输出电极19通过充电电缆2将脉冲引入到峰化回路3，对峰化电容器12进行谐振充电，交换开关两端的充电电压极性，便可以获得两种极性的脉冲输出，使用方式灵活。
图4为本发明较佳实施例的等效电路，支路电容器为12nF的两个电容器串联，充电电压30－80kV可调。峰化电容器由30个电容元件串联，容量为5.8nF。当负载为2nH等效电阻为5Ω时,输出脉冲电流波形如图5所示。电路模拟结果表明：当两个支路电容器分别充电正负极性电压30－80kV、连接2nH等效电阻5Ω负载时的输出电流前沿(0-1)为36ns，幅值分别为5.3kA，7.1kA，8.9kA，10.6kA，12.4kA和14.2kA。

Claims (6)

1.一种谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器，包括充电支路、充电电缆和峰化回路，其特征在于：所述峰化回路包括峰化开关和峰化电容器；所述峰化电容器一端为接地电极板，峰化电容器的另一端为高压电极板；所述高压电极板与峰化开关的高压电极一端连接为一体式结构，峰化开关的另一端为脉冲源输出电极；峰化电容器高压电极板通过充电电缆与充电支路相连；所述峰化电容器外设置有绝缘壳体；所述绝缘壳体和峰化电容器的接地电极板、高压电极板共同围成填充有气体介质的封闭腔体；
所述峰化开关包括针电极和板电极；针电极和板电极之间为气体间隙，所填充的气体介质和气压均与峰化电容器所在的腔体相同；所述针电极安装在峰化电容器高压电极板中心；所述板电极为脉冲源输出电极。
2.根据权利要求1所述的谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器，其特征在于：所述峰化电容器是由多个薄膜电容元件串联组成的低电感电容器。
3.根据权利要求2所述的谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器，其特征在于：所述峰化回路还包括一个用于监测峰化电容器的充电电压波形的电阻分压器和一个用于监测输出电流波形的脉冲电流测量线圈。
4.根据权利要求1-3中任一所述的谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器，其特征在于：所述充电支路包括两个支路电容器和一个气体火花隙开关；其中一个支路电容器一端与气体火花隙开关相连，另一端为支路接地电极；另一个支路电容器一端与气体火花隙开关相连，另一端为支路输出电极；气体火花隙开关的两个开关高压电极分别通过充电电阻与正负极性电源连接。
5.根据权利要求4所述的谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器，其特征在于：所述充电支路通过三个绝缘板实现两个支路电容器之间以及两个支路电容器与外界的电气绝缘。
6.根据权利要求5所述的谐振充电纳秒前沿脉冲电流发生器，其特征在于：所述绝缘壳体外设置有金属壳体，绝缘壳体和金属壳体为同轴设置的圆柱形结构。
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