CN106788342B - 电参数在线可调高功率脉冲形成线及电参数调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电参数在线可调高功率脉冲形成线，目的是解决现有脉冲形成线核心参数无法调整造成的问题。本发明由脉冲形成线，混合液体介质容器，去离子水液体介质容器，乙醇液体介质容器，循环气泵、液体管道、介电常数测量仪、两个程控开关和处理模块构成。处理模块是安装有介电常数解算软件的计算机，介电常数解算软件从介电常数测量仪获得混合液体介质介电常数，从键盘接收实际应用环境所需的电长度和本征阻抗参数，通过计算与比较，控制两个程控开关调整混合溶液中去离子水和乙醇的比重，实现对电参数的在线调节。本发明可实现脉冲形成线电参数在线可调，解决环境适应性较差，研制周期长，生产成本高等问题。

Description

电参数在线可调高功率脉冲形成线及电参数调节方法
技术领域
本发明涉及高功率脉冲驱动源技术领域的脉冲形成线及其电参数调节方法，尤其是一种电参数在线可调高功率脉冲形成线及电参数调节方法。
背景技术
高功率(大于100MW)脉冲驱动源技术是研究将能量以较低的功率储存起来，通过开关、脉冲调制等技术在很短的时间内把储存的能量释放给负载，从而在负载上获得具有特定波形的高功率电脉冲的技术。具有准方波波形的高功率电脉冲具有能量效率高，作用效果好等优点。近些年来，在高性能脉冲驱动源装置的应用牵引下，准方波高功率电脉冲在高功率微波、高能量脉冲激光、等离子体物理、冲击波发生器、材料表面改性、工业废气废水处理、生物医学以及食品杀菌消毒等众多重点领域获得了广泛的关注和快速的发展，并取得了丰硕的成果。脉冲形成线是高功率脉冲驱动源在负载上获得准方波电脉冲的核心部分，直接决定了驱动源的工作性能和应用前景。
传统高功率(大于百兆瓦)脉冲驱动源中的脉冲形成线往往针对单一的应用需求，通常情况下，形成线决定的电长度、本征阻抗等电参数是无法调节的，当电参数需要调整时，只能根据应用环境重新设计加工。这一不足使得传统高功率脉冲驱动源进行应用环境变换时不具有普适性，研制周期长，产品更新慢、且生产成本高，在一定程度上限制了高功率脉冲驱动源技术的进一步应用。随着高功率脉冲驱动源技术应用领域的不断扩展，研究核心电参数能够在线调节的高功率脉冲驱动源符合该技术领域的发展方向，具有广泛的应用前景。
高功率脉冲形成线实质上为电传输线，能够实现电能的存储、传输和方波形成等功能。高功率脉冲形成线首先将电能储存在位于电传输线之间储能介质中，然后在理想闭合开关的作用下，以恒定的电压幅值传递给负载(负载阻抗与脉冲形成线本征阻抗相等)，并在负载上形成方波电脉冲。方波电脉冲的脉冲宽度由脉冲形成线的电长度决定。
高功率脉冲形成线的储能介质通常由固体或液体介质构成，具有固定的介电常数εr，设计加工完成的高功率脉冲形成线具有唯一的电长度和本征阻抗。这一特点限制了脉冲形成线及高功率脉冲驱动源的应用范围，不利于该器件的进一步发展。
高功率脉冲形成线的电长度可以表示为
Figure BDA0001180138810000021
其中εr为脉冲形成线内储能介质的介电常数，l为脉冲形成线的机械长度，c为真空中的光速。可以看出，脉冲形成线的电长度与储能介质的介电常数εr呈正比二分之一次方关系，能够通过调节绝缘液体介质介电常数实现高功率脉冲形成线电长度的调节，从而使该器件可以适应更为广泛的应用领域。
本征阻抗也是脉冲形成线的核心参数之一，同轴型脉冲形成线本征阻抗由公式
Figure BDA0001180138810000022
(其中R1为内导体的外半径，R2为外导体的内半径)确定，平板型脉冲形成线本征阻抗由公式确定(其中，W为平板型脉冲形成线金属平板宽度，d为两金属平板之间距离)，卷绕型带状脉冲形成线本征阻抗可以表示为
Figure BDA0001180138810000024
(其中，N为卷绕金属线的螺距，W1为卷绕型带状脉冲形成线的金属平板宽度)。可以看出，各种类型脉冲形成线的本征阻抗均与绝缘液体介质的介电常数εr呈反比二分之一次方关系，同样可以通过改变绝缘液体介质介电常数实现高功率脉冲形成线本征阻抗的调节，拓宽高功率脉冲驱动源应用范围。
李嵩,钱宝良,杨汉武,等人在学术论文《An improved rolled strip pulseforming line》【Song Li,Baoliang Qian,Hanwu Yang,et al.“An improved pulseforming line(李嵩,钱宝良,杨汉武,一种改进型卷绕型带状脉冲形成线,科学仪器评论,84卷,064704,页码1-6)”,Review of Scientific Instruments,Vol.84,064704,pp:1-6】报道了一种基于固体绝缘薄膜(DMD膜)的卷绕型带状脉冲形成线，以下简称技术方案一。该脉冲形成线的结构如图1所示，主要由金属带1和DMD膜2组成。其中金属带1由下金属带3，中金属带4和上金属带5构成。下金属带3是由铜带制成，长度为22000mm、宽度为80mm、厚度为0.15mm。该金属带卷绕为涡旋状，基圆直径为110mm，螺距为5.25mm。中金属带4是由铜带制成，长度为22000mm、宽度为80mm、厚度为0.15mm。该金属带卷绕为涡旋状，基圆直径为115.1mm，螺距为5.25mm。上金属带5是由铜带制成，长度为22000mm、宽度为80mm、厚度为0.15mm。该金属带卷绕为涡旋状，基圆直径为120.2mm，螺距为5.25mm。DMD膜2由下DMD膜6，中DMD膜7和DMD膜8构成。其中下DMD膜6是由聚酯薄膜聚酯纤维纸复合材料制成，长度为23000mm、宽度为250mm、厚度为1.2mm(考虑到脉冲形成线本征阻抗和绝缘设计等要求，使用六张DMD膜叠放，每张厚度0.2mm)。该DMD膜卷绕为涡旋状，基圆直径为110.3mm，螺距为5.25mm。中DMD膜7是由聚酯薄膜聚酯纤维纸复合材料制成，长度为23000mm、宽度为250mm、厚度为1.2mm(考虑到脉冲形成线本征阻抗和绝缘设计等要求，使用六张DMD膜叠放，每张厚度0.2mm)。该DMD膜卷绕为涡旋状，基圆直径为115.4mm，螺距为5.25mm。上DMD膜8是由聚酯薄膜聚酯纤维纸复合材料制成，长度为23000mm、宽度为250mm、厚度为0.4mm(考虑到脉冲形成线本征阻抗和绝缘设计等要求，使用两张DMD膜叠放，每张厚度0.2mm)。该DMD膜卷绕为涡旋状，基圆直径为120.5mm，螺距为5.25mm。高功率脉冲形成线总体呈圆筒形状，由内到外的顺序依次为下金属带3-下DMD膜6-中金属带4-中DMD膜7-上金属带5-上DMD膜8，卷绕后圆筒内直径为110mm，外直径为230mm，轴向长度为250mm。
该高功率脉冲形成线使用固体绝缘薄膜(DMD膜)作为储能介质，由于这种材料的介电常数为2.3，无法更改，因此脉冲形成线的电长度和本征阻抗均为固定值，只能适应一种阻值确定的假负载，应用范围受到限制。
刘振祥,张建德,等人在学术论文《螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计和改进》【强激光与粒子束,2006,Vol.18,No.12,pp:2078-2081】报道了一种基于去离子水介质的螺旋形脉冲形成线，以下简称技术方案二。该脉冲形成线的结构如图2所示，主要由外筒9，内导体10，前端支撑板11，后端支撑板12，闭合开关13、介质输入口14、介质输出口15和去离子水介质16组成，前端指靠近闭合开关13的一端，后端指远离闭合开关13的一端。外筒9由一段内半径190mm，外半径200mm，轴向长度为1100mm的不锈钢圆管制成。在外筒9的后端下侧距离后端面50mm处打直径为20mm通孔，并在相应位置焊接介质输入口14(一段内、外直径分别为20mm和30mm，长度为30mm的金属圆管)。在外筒9的前端上侧距离前端面50mm处打直径为20mm通孔，并在相应位置焊接介质输出口15(一段内、外直径分别为20mm和30mm，长度为30mm的金属圆管)。内导体10由外半径为100mm，轴向长度为800mm的不锈钢圆柱制成。在其前端面焊接直径为30mm，长度为60mm的金属圆柱体凸台17，便于连接和支撑。在其后端面焊接直径为30mm，长度为55mm的金属圆柱体凸台18，便于连接和支撑。前端支撑板11由直径为190mm，轴向长度为50mm的圆柱体高分子材料制成，几何中心处钻直径为30mm的通孔。后端支撑板12由直径为190mm，轴向长度为50mm的圆柱体高分子材料制成，几何中心处钻直径为30mm的通孔。闭合开关13由套筒19和电极20构成。套筒19由直径为110mm，长度为200mm的空心高分子材料制成，壁厚为20mm，后端钻直径为30mm的通孔。电极20由高压电极21和低压电极22构成。高压电极21由直径为30mm的金属圆柱制成。低压电极22直径由30mm的金属圆柱制成。将凸台18插入位于后端支撑板12的通孔内，紧配合便于连接和支撑。凸台17插入位于闭合开关13后端的通孔内，并与高压电极21连接。低压电极22直接插入位于前端支撑板11上的通孔内，紧配合便于连接和支撑。
该脉冲形成线使用去离子水介质作为储能介质，这种材料的介电常数为80，无法更改，因此脉冲形成线的电长度和本征阻抗均为固定值，只能适应一种具有特定阻值的高功率微波源，应用范围受到限制。
目前，通过书籍和文献报道的现有高功率脉冲形成线均使用固体或液体作为形成线储能介质，其共同点为当储能介质置于脉冲形成线内后，其介电常数εr不可更改，进而使得高功率脉冲形成线输出电长度和本征阻抗不可调整。当使用环境需要进行电参数改变时，需要重新设计并加工脉冲形成线，研制周期长，生产成本高，环境适应性较差。这一特点在一定程度上限制了脉冲形成线，以及高功率脉冲驱动源的进一步应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有高功率脉冲形成线核心参数(包括电长度和本征阻抗)无法调整造成的环境适应性较差，研制周期长，生产成本高等问题，提供一种电参数在线可调的高功率脉冲形成线及其电参数调节方法。该高功率脉冲形成线使用乙醇与去离子水混合液体作为储能介质，由于乙醇和去离子水具有不同的介电常数，且能够以任意比例互溶，可以通过改变乙醇与去离子水在混合介质中的比重，调节混合液体介质的介电常数，进而实现对高功率脉冲形成线核心电参数(包括电长度和本征阻抗)的调节。该高功率脉冲形成线及其电参数调节方法能够有效增强脉冲形成线及以其为核心的高功率脉冲驱动源的环境适应性，研制周期短，生产成本低，应用范围广泛。
本发明的技术方案：
本发明由脉冲形成线，混合液体介质容器，去离子水液体介质容器，乙醇液体介质容器，循环气泵、液体管道、介电常数测量仪、第一程控开关、第二程控开关和处理模块构成。
脉冲形成线与混合液体介质容器通过液体管道相连；去离子水液体介质容器与混合液体介质容器通过液体管道相连；乙醇液体介质容器与混合液体介质容器通过液体管道相连；循环气泵与混合液体介质容器通过液体管道相连；脉冲形成线与循环气泵通过液体管道相连。液体管道的横截面为圆形，横截面面积为S(S>20cm2)，液体管道材质具有密封性，且不能与去离子水液体和乙醇液体发生化学反应。
脉冲形成线可以是单脉冲形成线或Blumlein型脉冲形成线。按照导体几何结构，可以是同轴型脉冲形成线、平板型脉冲形成线或卷绕型带状脉冲形成线。在脉冲形成线正下侧钻孔作为脉冲形成线储能介质输入口，通过液体管道与混合液体介质容器相连。在脉冲形成线正上侧钻孔作为脉冲形成线储能介质输出口，通过液体管道与循环气泵相连。
混合液体介质容器是任意形状容器，但要求其容积大于脉冲形成线内储能介质容积的1.5倍，且材质要求不能与乙醇和去离子水的混合液体发生化学反应。混合液体介质容器的主要作用是存储按照应用需求混合好的液体介质。考虑到高电压绝缘、乙醇的挥发性和清洁环境等需求，混合液体介质容器应为一个密闭的容器，在其正上侧留有直径为D2(3mm<D2<5mm)的第一圆形透气孔。混合液体介质容器上端钻4个圆形孔，分别通过液体管道与脉冲形成线、去离子水液体介质容器、乙醇液体介质容器和循环气泵密封连接，用于液体循环和调配。
去离子水液体介质容器是任意形状容器，要求其容积大于脉冲形成线内储能介质容积的0.75倍，且材质要求不能与去离子水液体发生化学反应。其主要作用是存储纯净的去离子水介质(介电常数为80)。考虑到高电压绝缘和清洁环境等需求，去离子水液体介质容器应为一个密闭的容器，在其正上侧留有第二圆形透气孔。去离子水液体介质容器下端挖孔作为离子水液体介质的输出口，通过液体管道与混合液体介质容器密封连接。在去离子水液体介质容器输出口和液体管道之间安装第一程控开关，第一程控开关通过光纤或电缆与处理模块连接。
乙醇液体介质容器是任意形状容器，要求其容积大于脉冲形成线内储能介质容积的0.75倍，且材质要求不能与乙醇液体发生化学反应。其主要作用是存储纯净的乙醇液体介质(介电常数为25)。考虑到高电压绝缘、乙醇的挥发性和清洁环境等需求，乙醇液体介质容器应为一个密闭的容器，在其上端留有第三圆形透气孔。在乙醇液体介质容器下端挖孔作为乙醇液体介质的输出口，并通过液体管道与混合液体介质容器密封连接。在乙醇液体介质容器输出口和液体管道之间安装第二程控开关，第二程控开关通过光纤或电缆与处理模块连接。
在混合液体介质容器内部嵌入介电常数测量仪，介电常数测量仪能够对介电常数在20-90范围内的液体介质进行实时测量，并通过光纤或电缆与处理模块连接。
处理模块32是安装有介电常数解算软件的计算机，通过光纤或电缆与介电常数测量仪、第一程控开关和第二程控开关进行实时数据交换。介电常数解算软件从介电常数测量仪获得混合液体介质介电常数，从键盘接收实际应用环境所需脉冲形成线的电长度和本征阻抗参数。通过计算与比较，控制第一程控开关、第二程控开关调整混合溶液中去离子水溶液和乙醇溶液的比重，进而实现对高功率脉冲形成线电参数的在线调节。
实现高功率脉冲形成线电参数(包括电长度和本征阻抗)在线调节的方法为：
第1步，根据实际应用环境要求，处理模块11从键盘接收高功率脉冲形成线电长度或输出阻抗；
第2步，介电常数解算软件计算高功率脉冲形成线所需的介电常数，解算软件根据处理模块11从键盘接收到的脉冲形成线电长度或脉冲形成线输出阻抗，分别计算出对应的混合液体介质介电常数。若处理模块11从键盘接收的是高功率脉冲形成线电长度，执行步骤2.1；若处理模块11从键盘接收的是同轴型脉冲形成线输出阻抗，执行步骤2.2；若处理模块11从键盘接收的是平板型脉冲形成线输出阻抗，执行步骤2.3；若处理模块11从键盘接收的是卷绕型脉冲形成线输出阻抗，执行步骤2.4；
2.1高功率脉冲形成线的电长度可以表示为
Figure BDA0001180138810000081
其中εr为脉冲形成线内储能介质的介电常数，l为脉冲形成线的机械长度，c为真空中的光速。按公式(1)计算所需介电常数εr，转第3步：
2.2同轴型脉冲形成线本征阻抗由公式
Figure BDA0001180138810000083
(其中R1为同轴型脉冲形成线内导体的外半径，R2为同轴型脉冲形成线外导体的内半径)确定。按公式(2)根据实际应用环境需要的本征阻抗计算同轴型脉冲形成线介电常数εr，转第3步：
Figure BDA0001180138810000084
2.3平板型脉冲形成线本征阻抗由公式
Figure BDA0001180138810000085
确定(其中，W为脉冲形成线金属平板宽度，d为两金属平板之间距离)，按公式(3)根据实际应用环境需要的本征阻抗计算平板型脉冲形成线介电常数εr，转第3步：
Figure BDA0001180138810000086
2.4卷绕型带状脉冲形成线本征阻抗由
Figure BDA0001180138810000087
确定(其中，N为卷绕金属线的螺距)，按公式(4)根据实际应用环境需要的本征阻抗解算出卷绕型脉冲形成线介电常数εr：
Figure BDA0001180138810000088
第3步，根据脉冲形成线23容积Vt，处理模块32从介电常数测试仪29接收脉冲形成线23中的实时介电常数εs，将实时介电常数与第2步中解算出的所需介电常数εr进行比较：
3.1若实时介电常数εs等于第2步中解算出的所需介电常数εr，转第6步；
3.2若实时介电常数εs小于第2步中解算出的所需介电常数εr，向第一程控开关30发出“增加去离子水液体”指令，第一程控开关30接收“增加去离子水液体”指令后打开，向混合液体介质容器24按公式(5)计算出的体积注入去离子水液体Vw。
若检测到实时介电常数εs等于第2步中解算出的所需介电常数εr，转入第4步。
3.3若实时介电常数εs大于第2步中解算出的所需介电常数εr，则向第二程控开关31发出“增加乙醇液体”指令，第二程控开关31接收“增加乙醇液体”指令后打开，
向混合液体介质容器24按公式(6)计算出的体积注入去离子水液体Va。
Figure BDA0001180138810000092
若检测到实时介电常数εs等于第2步中解算出的所需介电常数εr，转入第5步。
第4步，此时实时介电常数等于第2步中解算出的所需介电常数，控制模块32分别向第一程控开关30发出“关闭”指令，第一程控开关30接收“关闭”指令后，停止向混合液体介质容器24注入去离子水液体。
第5步，此时实时介电常数等于第2步中解算出的所需介电常数，控制模块32分别向第二程控开关31发出“关闭”指令，第二程控开关31接收“关闭”指令后，停止向混合液体介质容器24注入乙醇液体。
第6步，脉冲形成线23开始工作。
同现有技术相比，本发明可以达到以下效果：
(1)本发明装置是在现有高功率脉冲形成线基础上进行改进而成，在较短的研制周期和较低成本下采用本发明所述方法可实现对高功率脉冲形成线电参数(包括电长度和本征阻抗)的在线可调，拓宽现有高功率脉冲驱动源的应用领域。
(2)本发明所述方法通过改变乙醇与去离子水在混合介质中的比例，调节混合液体介质的介电常数，进而实现对高功率脉冲形成线核心电参数(包括电长度和本征阻抗)的调节，能够有效增强脉冲形成线及以其为核心的高功率脉冲驱动源的环境适应性，研制周期短，生产成本低，应用范围广泛。
附图说明
图1为背景技术李嵩,钱宝良,杨汉武等人在学术论文《An improved rolledstrip pulse forming line》【Song Li,Baoliang Qian,Hanwu Yang,et al.“An improvedpulse forming line”,(一种改进型卷绕型带状脉冲形成线),Review of ScientificInstruments,Vol.84,064704,pp:1-6】报道的一种基于固体绝缘薄膜(DMD膜)的卷绕型带状脉冲形成线结构图；
图2为背景技术刘振祥,张建德等人在学术论文《螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计和改进》【强激光与粒子束,2006,Vol.18,No.12,pp:2078-2081】报道的一种基于去离子水介质的螺旋形脉冲形成线结构图；
图3为本发明电参数在线可调高功率脉冲形成线总体结构图；
图4为本发明电参数调节方法流程图。
具体实施方式
图1为背景技术李嵩,钱宝良,杨汉武,等人在学术论文《An improved rolledstrip pulse forming line》【Song Li,Baoliang Qian,Hanwu Yang,et al.“An improvedpulse forming line”,(一种改进型卷绕型带状脉冲形成线),Review of ScientificInstruments,Vol.84,064704,pp:1-6】报道了一种基于固体绝缘薄膜(DMD膜)的卷绕型带状脉冲形成线。主要
由金属带1和DMD膜2组成。其中金属带1由下金属带3，中金属带4和上金属带5构成。下金属带3是由铜带制成，长度为22000mm、宽度为80mm、厚度为0.15mm。该金属带卷绕为涡旋状，基圆直径为110mm，螺距为5.25mm。中金属带4是由铜带制成，长度为22000mm、宽度为80mm、厚度为0.15mm。该金属带卷绕为涡旋状，基圆直径为115.1mm，螺距为5.25mm。上金属带5是由铜带制成，长度为22000mm、宽度为80mm、厚度为0.15mm。该金属带卷绕为涡旋状，基圆直径为120.2mm，螺距为5.25mm。DMD膜2由下DMD膜6，中DMD膜7和DMD膜8构成。其中下DMD膜6是由聚酯薄膜聚酯纤维纸复合材料制成，长度为23000mm、宽度为250mm、厚度为1.2mm(考虑到脉冲形成线本征阻抗和绝缘设计等要求，使用六张DMD膜叠放，每张厚度0.2mm)。该DMD膜卷绕为涡旋状，基圆直径为110.3mm，螺距为5.25mm。中DMD膜7是由聚酯薄膜聚酯纤维纸复合材料制成，长度为23000mm、宽度为250mm、厚度为1.2mm(考虑到脉冲形成线本征阻抗和绝缘设计等要求，使用六张DMD膜叠放，每张厚度0.2mm)。该DMD膜卷绕为涡旋状，基圆直径为115.4mm，螺距为5.25mm。上DMD膜8是由聚酯薄膜聚酯纤维纸复合材料制成，长度为23000mm、宽度为250mm、厚度为0.4mm(考虑到脉冲形成线本征阻抗和绝缘设计等要求，使用两张DMD膜叠放，每张厚度0.2mm)。该DMD膜卷绕为涡旋状，基圆直径为120.5mm，螺距为5.25mm。高功率脉冲形成线总体呈圆筒形状，由内到外的顺序依次为下金属带3-下DMD膜6-中金属带4-中DMD膜7-上金属带5-上DMD膜8，卷绕后圆筒内直径为110mm，外直径为230mm，轴向长度为250mm。
图2为背景技术刘振祥,张建德,等人在学术论文《螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计和改进》【强激光与粒子束,2006,Vol.18,No.12,pp:2078-2081】报道了一种基于去离子水介质的螺旋形脉冲形成线。主要
由外筒9，内导体10，前端支撑板11，后端支撑板12，闭合开关13、介质输入口14、介质输出口15和去离子水介质16组成，前端指靠近闭合开关13的一端，后端指远离闭合开关13的一端。外筒9由一段内半径190mm，外半径200mm，轴向长度为1100mm的不锈钢圆管制成。在外筒9的后端下侧距离后端面50mm处打直径为20mm通孔，并在相应位置焊接介质输入口14(一段内、外直径分别为20mm和30mm，长度为30mm的金属圆管)。在外筒9的前端上侧距离前端面50mm处打直径为20mm通孔，并在相应位置焊接介质输出口15(一段内、外直径分别为20mm和30mm，长度为30mm的金属圆管)。内导体10由外半径为100mm，轴向长度为800mm的不锈钢圆柱制成。在其前端面焊接直径为30mm，长度为60mm的金属圆柱体凸台17，便于连接和支撑。在其后端面焊接直径为30mm，长度为55mm的金属圆柱体凸台18，便于连接和支撑。前端支撑板11由直径为190mm，轴向长度为50mm的圆柱体高分子材料制成，几何中心处钻直径为30mm的通孔。后端支撑板12由直径为190mm，轴向长度为50mm的圆柱体高分子材料制成，几何中心处钻直径为30mm的通孔。闭合开关13由套筒19和电极20构成。套筒19由直径为110mm，长度为200mm的空心高分子材料制成，壁厚为20mm，后端钻直径为30mm的通孔。电极20由高压电极21和低压电极22构成。高压电极21由直径为30mm的金属圆柱制成。低压电极22直径由30mm的金属圆柱制成。将凸台18插入位于后端支撑板12的通孔内，紧配合便于连接和支撑。凸台17插入位于闭合开关13后端的通孔内，并与高压电极21连接。低压电极22直接插入位于前端支撑板11上的通孔内，紧配合便于连接和支撑。
图3为本发明总体结构图。本发明由脉冲形成线23，混合液体介质容器24，去离子水液体介质容器25，乙醇液体介质容器26，循环气泵27、液体管道28、介电常数测量仪29、第一程控开关30、第二程控开关31和处理模块32构成。处理模块32是一台安装有液体介质比重控制软件的计算机。
脉冲形成线23与混合液体介质容器24通过液体管道28相连；去离子水液体介质容器25与混合液体介质容器24通过液体管道28相连；乙醇液体介质容器26与混合液体介质容器24通过液体管道28相连；循环气泵27与混合液体介质容器24通过液体管道28相连；脉冲形成线23与循环气泵27通过液体管道28相连。液体管道28的横截面为圆形，横截面面积为S(S>20cm2)，液体管道28材质具有密封性，且不能与去离子水液体和乙醇液体发生化学反应。
脉冲形成线23可以是单脉冲形成线或Blumlein型脉冲形成线。按照导体几何结构，可以是直筒型脉冲形成线、螺旋形脉冲形成线、折叠型平板脉冲形成线或卷绕型脉冲形成线。在脉冲形成线23正下侧钻孔作为脉冲形成线储能介质输入口，通过液体管道28与混合液体介质容器24相连。在脉冲形成线23正上侧钻孔作为脉冲形成线储能介质输出口，通过液体管道28与循环气泵27相连。
混合液体介质容器24是任意形状容器，但要求其容积大于脉冲形成线23内储能介质容积的1.5倍，且材质要求不能与乙醇和去离子水的混合液体发生化学反应。混合液体介质容器24的主要作用是存储按照应用需求混合好的液体介质。考虑到高电压绝缘、乙醇的挥发性和清洁环境等需求，混合液体介质容器24应为一个密闭的容器，在其正上侧留有直径为D2(3mm<D2<5mm)的第一圆形透气孔33。混合液体介质容器24上端钻4个圆形孔，分别通过液体管道28与脉冲形成线23、去离子水液体介质容器25、乙醇液体介质容器26和循环气泵27密封连接，用于液体循环和调配。
去离子水液体介质容器25是任意形状容器，要求其容积大于脉冲形成线23内储能介质容积的0.75倍，且材质要求不能与去离子水液体发生化学反应。其主要作用是存储纯净的去离子水介质(介电常数为80)。考虑到高电压绝缘和清洁环境等需求，去离子水液体介质容器25应为一个密闭的容器，在其正上侧留有第二圆形透气孔34。去离子水液体介质容器25下端挖孔作为离子水液体介质的输出口，通过液体管道28与混合液体介质容器24密封连接。在去离子水液体介质容器25输出口和液体管道28之间安装第一程控阀门30，第一程控阀门30通过光纤或电缆与处理模块32连接。
乙醇液体介质容器26是任意形状容器，要求其容积大于脉冲形成线23内储能介质容积的0.75倍，且材质要求不能与乙醇液体发生化学反应。其主要作用是存储纯净的乙醇液体介质(介电常数为25)。考虑到高电压绝缘、乙醇的挥发性和清洁环境等需求，乙醇液体介质容器26应为一个密闭的容器，在其上端留有第三圆形透气孔35。在乙醇液体介质容器26下端挖孔作为乙醇液体介质的输出口，并通过液体管道28与混合液体介质容器24密封连接。在乙醇液体介质容器26输出口和液体管道28之间安装第二程控阀门31，第二程控阀门31通过光纤或电缆与处理模块32连接。
在混合液体介质容器24内部嵌入介电常数测量仪29，介电常数测量仪29能够对介电常数在20-90范围内的液体介质进行实时测量，并通过光纤或电缆与处理模块32连接。
处理模块32是安装有介电常数解算软件的计算机，通过光纤或电缆与介电常数测量仪29、第一程控开关30和第二程控开关31进行实时数据交换。介电常数解算软件从介电常数测量仪29获得混合液体介质介电常数，从键盘接收实际应用环境所需脉冲形成线23的电长度和本征阻抗参数。通过计算与比较，控制第一程控开关30、第二程控开关31调整混合溶液中去离子水溶液和乙醇溶液的比重，进而实现对高功率脉冲形成线电参数的在线调节。
图4为本发明电参数调节方法流程图。
具体实现方法可以表述为：
第1步，根据实际应用环境要求，处理模块11从键盘接收高功率脉冲形成线电长度或输出阻抗；
第2步，介电常数解算软件计算高功率脉冲形成线所需介电常数，若处理模块11从键盘接收的是高功率脉冲形成线电长度，执行步骤2.1；若处理模块11从键盘接收的是同轴型脉冲形成线输出阻抗，执行步骤2.2；若处理模块11从键盘接收的是平板型脉冲形成线输出阻抗，执行步骤2.3；若处理模块11从键盘接收的是卷绕型脉冲形成线输出阻抗，执行步骤2.4；
2.1高功率脉冲形成线的电长度可以表示为
Figure BDA0001180138810000151
其中εr为脉冲形成线内储能介质的介电常数，l为脉冲形成线的机械长度，c为真空中的光速。按公式(1)计算所需介电常数εr：转第3步；
Figure BDA0001180138810000152
2.2同轴型脉冲形成线本征阻抗由公式
Figure BDA0001180138810000153
(其中R1为同轴型脉冲形成线内导体的外半径，R2为同轴型脉冲形成线外导体的内半径)确定。按公式(2)根据实际应用环境需要的本征阻抗计算同轴型脉冲形成线介电常数εr：转第3步；
Figure BDA0001180138810000154
平板型脉冲形成线本征阻抗由公式
Figure BDA0001180138810000155
确定(其中，W为脉冲形成线金属平板宽度，d为两金属平板之间距离)，按公式(3)根据实际应用环境需要的本征阻抗计算平板型脉冲形成线介电常数εr：转第3步；
Figure BDA0001180138810000156
卷绕型带状脉冲形成线本征阻抗由
Figure BDA0001180138810000157
确定(其中，N为卷绕金属线的螺距)，按公式(4)根据实际应用环境需要的本征阻抗解算出卷绕型脉冲形成线介电常数εr：
Figure BDA0001180138810000158
第3步，根据脉冲形成线23容积Vt，处理模块32从介电常数测试仪29接收脉冲形成线23中的实时介电常数εs，将实时介电常数与第2步中解算出的所需介电常数εr进行比较：
3.1若实时介电常数εs等于第2步中解算出的所需介电常数εr，转第6步；
3.2若实时介电常数εs小于第2步中解算出的所需介电常数εr，向第一程控开关30发出“增加去离子水液体”指令，第一程控开关30接收“增加去离子水液体”指令后打开，向混合液体介质容器24按公式(5)计算出的体积注入去离子水液体Vw。
Figure BDA0001180138810000161
若检测到实时介电常数εs等于第2步中解算出的所需介电常数εr，转入第4步。
3.3若实时介电常数εs大于第2步中解算出的所需介电常数εr，则向第二程控开关31发出“增加乙醇液体”指令，第二程控开关31接收“增加乙醇液体”指令后打开，
向混合液体介质容器24按公式(6)计算出的体积注入去离子水液体Va。
Figure BDA0001180138810000162
若检测到实时介电常数εs等于第2步中解算出的所需介电常数εr，转入第5步。
第4步，此时实时介电常数等于第2步中解算出的所需介电常数，控制模块32分别向第一程控开关30发出“关闭”指令，第一程控开关30接收“关闭”指令后，停止向混合液体介质容器24注入去离子水液体。
第5步，此时实时介电常数等于第2步中解算出的所需介电常数，控制模块32分别向第二程控开关31发出“关闭”指令，第二程控开关31接收“关闭”指令后，停止向混合液体介质容器24注入乙醇液体。
第6步，脉冲形成线23开始工作。

Claims (8)

1.一种电参数在线可调高功率脉冲形成线，其特征在于电参数在线可调高功率脉冲形成线由脉冲形成线(23)，混合液体介质容器(24)，去离子水液体介质容器(25)，乙醇液体介质容器(26)，循环气泵(27)、液体管道(28)、介电常数测量仪(29)、第一程控开关(30)、第二程控开关(31)和处理模块(32)构成；
脉冲形成线(23)与混合液体介质容器(24)通过液体管道(28)相连；去离子水液体介质容器(25)与混合液体介质容器(24)通过液体管道(28)相连；乙醇液体介质容器(26)与混合液体介质容器(24)通过液体管道(28)相连；循环气泵(27)与混合液体介质容器(24)通过液体管道(28)相连；脉冲形成线(23)与循环气泵(27)通过液体管道(28)相连；液体管道(28)材质具有密封性；
脉冲形成线(23)是单脉冲形成线或Blumlein型脉冲形成线；在脉冲形成线(23)正下侧钻孔作为脉冲形成线储能介质输入口，通过液体管道(28)与混合液体介质容器(24)相连，在脉冲形成线(23)正上侧钻孔作为脉冲形成线储能介质输出口，通过液体管道(28)与循环气泵(27)相连；
混合液体介质容器(24)是任意形状密闭的容器，存储按照应用需求混合好的液体介质，混合液体介质容器(24)正上侧留有第一圆形透气孔(33)，混合液体介质容器(24)上端钻4个圆形孔，分别通过液体管道(28)与脉冲形成线(23)、去离子水液体介质容器(25)、乙醇液体介质容器(26)和循环气泵(27)密封连接；
去离子水液体介质容器(25)是任意形状密闭的容器，存储纯净的去离子水介质，去离子水液体介质容器(25)正上侧留有第二圆形透气孔(34)，去离子水液体介质容器(25)下端挖孔作为离子水液体介质的输出口，通过液体管道(28)与混合液体介质容器(24)密封连接；在去离子水液体介质容器(25)输出口和液体管道(28)之间安装第一程控开关(30)，第一程控开关(30)通过光纤或电缆与处理模块(32)连接；
乙醇液体介质容器(26)是任意形状密闭的容器，存储纯净的乙醇液体介质，乙醇液体介质容器(26)上端留有第三圆形透气孔(35)，乙醇液体介质容器(26)下端挖孔作为乙醇液体介质的输出口，并通过液体管道(28)与混合液体介质容器(24)密封连接；在乙醇液体介质容器(26)输出口和液体管道(28)之间安装第二程控开关(31)，第二程控开关(31)通过光纤或电缆与处理模块(32)连接；
在混合液体介质容器(24)内部嵌入介电常数测量仪(29)，介电常数测量仪(29)通过光纤或电缆与处理模块(32)连接；
处理模块(32)是安装有介电常数解算软件的计算机，通过光纤或电缆与介电常数测量仪(29)、第一程控开关(30)和第二程控开关(31)进行实时数据交换；介电常数解算软件从介电常数测量仪(29)获得混合液体介质介电常数，从键盘接收实际应用环境所需脉冲形成线(23)的电长度和本征阻抗参数，通过计算与比较，控制第一程控开关(30)、第二程控开关(31)调整混合溶液中去离子水溶液和乙醇溶液的比重，进而实现对高功率脉冲形成线电参数的在线调节。
2.如权利要求1所述的电参数在线可调高功率脉冲形成线，其特征在于所述液体管道(28)的横截面为圆形，横截面面积为S，S>20cm2。
3.如权利要求1所述的电参数在线可调高功率脉冲形成线，其特征在于所述脉冲形成线(23)是同轴型脉冲形成线或平板型脉冲形成线或卷绕型带状脉冲形成线。
4.如权利要求1所述的电参数在线可调高功率脉冲形成线，其特征在于所述混合液体介质容器(24)的容积要求大于脉冲形成线(23)内储能介质容积的1.5倍；去离子水液体介质容器(25)的容积要求大于脉冲形成线(23)内储能介质容积的0.75倍；乙醇液体介质容器(26)的容积要求大于脉冲形成线(23)内储能介质容积的0.75倍。
5.如权利要求1所述的电参数在线可调高功率脉冲形成线，其特征在于制备所述液体管道(28)、混合液体介质容器(24)的材质均不能与去离子水液体和乙醇液体发生化学反应；制备去离子水液体介质容器(25)的材质不能与去离子水液体发生化学反应；制备乙醇液体介质容器(26)的材质不能与乙醇液体发生化学反应。
6.如权利要求1所述的电参数在线可调高功率脉冲形成线，其特征在于所述混合液体介质容器(24)正上侧的第一圆形透气孔(33)的直径D2满足3mm<D2<5mm。
7.如权利要求1所述的电参数在线可调高功率脉冲形成线，其特征在于所述介电常数测量仪(29)要求能够对介电常数在20-90范围内的液体介质进行实时测量。
8.一种对权利要求1所述电参数在线可调高功率脉冲形成线进行电参数在线调节的方法，其特征在于包括以下步骤：
第1步，根据实际应用环境要求，处理模块(32)从键盘接收高功率脉冲形成线电长度或输出阻抗；
第2步，介电常数解算软件计算高功率脉冲形成线所需的介电常数，若处理模块(32)从键盘接收的是高功率脉冲形成线电长度，执行步骤2.1；若处理模块(32)从键盘接收的是同轴型脉冲形成线输出阻抗，执行步骤2.2；若处理模块(32)从键盘接收的是平板型脉冲形成线输出阻抗，执行步骤2.3；若处理模块(32)从键盘接收的是卷绕型脉冲形成线输出阻抗，执行步骤2.4；
2.1高功率脉冲形成线的电长度可以表示为
Figure FDA0002223045980000031
其中εr为脉冲形成线内储能介质的介电常数，l为脉冲形成线的机械长度，c为真空中的光速，按公式(1)计算所需介电常数εr，转第3步：
Figure FDA0002223045980000032
2.2同轴型脉冲形成线本征阻抗由公式
Figure FDA0002223045980000033
确定，R1为同轴型脉冲形成线内导体的外半径，R2为同轴型脉冲形成线外导体的内半径，按公式(2)根据实际应用环境需要的本征阻抗计算同轴型脉冲形成线介电常数εr，转第3步：
Figure FDA0002223045980000041
2.3平板型脉冲形成线本征阻抗由公式
Figure FDA0002223045980000042
确定，W为平板型脉冲形成线金属平板宽度，d为两金属平板之间距离，按公式(3)根据实际应用环境需要的本征阻抗计算平板型脉冲形成线介电常数εr，转第3步：
Figure FDA0002223045980000043
2.4卷绕型带状脉冲形成线本征阻抗由
Figure FDA0002223045980000044
确定，N为卷绕金属线的螺距，Wr为卷绕型带状脉冲形成线的电极宽度，按公式(4)根据实际应用环境需要的本征阻抗解算出卷绕型脉冲形成线介电常数εr：
Figure FDA0002223045980000045
第3步，根据脉冲形成线(23)容积Vt，处理模块(32)从介电常数测试仪(29)接收脉冲形成线(23)中的实时介电常数εs，将实时介电常数与第2步中解算出的所需介电常数εr进行比较：
3.1若实时介电常数εs等于第2步中解算出的所需介电常数εr，转第6步；
3.2若实时介电常数εs小于第2步中解算出的所需介电常数εr，向第一程控开关(30)发出“增加去离子水液体”指令，第一程控开关(30)接收“增加去离子水液体”指令后打开，向混合液体介质容器(24)按公式(5)计算出的体积注入去离子水液体Vw；
Figure FDA0002223045980000046
若检测到实时介电常数εs等于第2步中解算出的所需介电常数εr，转入第4步；
3.3若实时介电常数εs大于第2步中解算出的所需介电常数εr，则向第二程控开关(31)发出“增加乙醇液体”指令，第二程控开关(31)接收“增加乙醇液体”指令后打开，
向混合液体介质容器(24)按公式(6)计算出的体积注入去离子水液体Va；
Figure FDA0002223045980000051
若检测到实时介电常数εs等于第2步中解算出的所需介电常数εr，转入第5步；
第4步，此时实时介电常数等于第2步中解算出的所需介电常数，控制模块32分别向第一程控开关(30)发出“关闭”指令，第一程控开关(30)接收“关闭”指令后，停止向混合液体介质容器(24)注入去离子水液体；
第5步，此时实时介电常数等于第2步中解算出的所需介电常数，控制模块32分别向第二程控开关(31)发出“关闭”指令，第二程控开关(31)接收“关闭”指令后，停止向混合液体介质容器(24)注入乙醇液体；
第6步，脉冲形成线(23)开始工作。
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