CN106788343A - 一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，目的是解决现有脉冲形成线输出电脉冲宽度较小、体积重量较大及击穿不可恢复等问题。本发明由高储能密度液体介质、金属带、固定板和绝缘封装构成；金属带位于固定板的卡槽中，固定板位于绝缘封装中，高储能密度液体介质灌注于绝缘封装内部，包围所有金属带，并充斥整个绝缘封装的内部区域；金属带由三条卷绕成涡旋状的金属带组成，固定板的卡槽形状为涡旋线。本发明能够在保证优良电磁屏蔽的情况下，在较小的几何空间内获得较长的导体长度，既提高储能密度，又有效提高输出准方波电脉冲的脉冲宽度，且装置易于搭建和维护，成本较低，适用于高电压脉冲发生器系统。

Description

一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线

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，尤其是一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线。

背景技术

高功率脉冲驱动源是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。近些年来，在高性能脉冲驱动源装置的应用需求牵引下，准方波高功率电脉冲在高功率微波、高能量脉冲激光、介质阻挡放电、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领域获得了广泛的关注和快速的发展，并取得了丰硕的研究成果。脉冲形成线是高功率脉冲驱动源在负载上获得准方波高功率电脉冲的核心组成部分，直接决定了驱动源的工作性能和应用前景。

高功率脉冲驱动源技术领域中的脉冲形成线可以等效为一台高性能脉冲电容器，脉冲形成线所储存的能量在很大程度上决定了驱动源的应用范围，是衡量脉冲形成线工作能力的核心参量之一。根据脉冲形成线储能公式(其中，E为脉冲形成线储存的能量，C为脉冲形成线等效电容值，V为脉冲形成线的工作电压)。脉冲形成线储存的能量正比于等效电容的电容值，而电容值正比于储能介质的相对介电常数ε_r，即脉冲形成线储存的能量E与储能介质的介电常数ε_r的平方成正比。考虑到绝缘设计和应用场合对器件体积、重量等方面的要求，提高储能介质的介电常数ε_r是增加电脉冲能量、拓宽驱动源应用领域的有效途径。

脉冲形成线的电长度，即负载上获得的电脉冲半高宽(电脉冲峰值幅值的一半对应的脉冲宽度)是衡量高功率脉冲驱动源工作性能的另一核心参数，直接决定了驱动源的工作性能和应用范围。根据脉冲形成线电长度的表达式(其中，τ为脉冲形成线的电长度，l为脉冲形成线内的导体长度，c为真空中的光速)。可以看出，脉冲形成线的电长度一方面正比于储能介质的二分之一次方，另一方面正比于导体长度，即提高储能介质介电常数和增加形成线导体长度是提高驱动源负载电脉冲半高宽的重要方法。综合考虑应用场合对器件绝缘设计和体积、重量等方面的要求，提高储能介质的介电常数ε_r同样是增加脉冲形成线的电长度的有效途径。

目前，广泛使用的脉冲形成线储能介质可以分为液体介质和固体介质两大类。固体介质用作脉冲形成线的储能介质时，不需要额外进行维护。然而，这类介质通常体积大、重量大且研制成本较高。更为重要的是，固体介质发生绝缘失效时，介质表面或内部会形成放电通道，使得介质损坏，必须进行更换。部分陶瓷材料的相对介电常数可以达到数百甚至数千量级，但这类材料的绝缘能力有限，且工艺水平及工作稳定性较差，尚需进一步发展；性能相对稳定的绝缘膜类材料，介电常数小于5，储能密度相对较低；相对而言，液体介质具有储能密度较高(数十量级)、自我恢复性能好、费用低廉和形状适应性好等优点，被广泛用作高功率脉冲驱动源中脉冲形成线的储能介质。

刘锡三在《高功率脉冲技术》一书中介绍了高功率脉冲驱动源领域中脉冲形成线工作原理如图1所示。其中，1为高压导体(长度为l)，2为接地导体，Z₀和τ为分别为脉冲形成线的本征阻抗和电长度，3为储能介质(介电常数为ε_r)，4为闭合开关，5为负载(阻抗为Zr)。书中第41-45页详细阐述了脉冲形成线的电长度τ正比于高压导体1的长度l和储能介质3的介电常数ε_r。高功率脉冲驱动源中的脉冲形成线可以在开关的配合下，产生准方波电脉冲，具有重要的应用价值。当脉冲形成线的本征阻抗Z₀与负载5的阻抗Zr相等时，可以在负载5上获得电压幅值为脉冲形成线充电电压幅值一半、半高宽为脉冲形成线电长度两倍的准方波电脉冲。具有这种输出波形的高功率脉冲驱动源能够适应更为广泛的应用场合且能量效率更高，是未来该领域发展的重要方向。

刘锡三在《高功率脉冲技术》一书中介绍了一种基于变压器油介质的直筒型脉冲形成线，以下简称技术方案一。该脉冲形成线的结构如图2所示，由金属外筒6，直筒内导体7，变压器油介质8，前端支撑板9，后端支撑板10，闭合开关11组成，前端指靠近闭合开关11的一端，后端指远离闭合开关11的一端。金属外筒6由一段金属圆管构成，外壁接地。金属外筒6与直筒内导体7共同构成脉冲形成线的等效电容，用于储存能量，同时还可以起到电磁屏蔽的作用。变压器油介质8的相对介电常数为2.3，可以同时起到绝缘和储能介质两方面作用。直筒内导体7由一段长度约为5000mm的圆柱体制成。前端支撑板9由高分子绝缘材料制成，在前端支撑板9几何中心处钻孔(孔径与直筒内导体7前端的凸台12相匹配)，将凸台12插入孔中对脉冲形成线的直筒内导体7起支撑作用。后端支撑板10同样由高分子绝缘材料制成，在后端支撑板10几何中心处钻孔(孔径与直筒内导体7后端的凸台13相匹配)，与直筒内导体7后端的凸台13共同对脉冲形成线的直筒内导体7起支撑作用。该脉冲形成网络配合闭合开关6使用时，可以在负载上实现脉冲宽度约为50ns的准方波脉冲输出，但其体积、重量较大，且产生准方波电脉冲的脉冲宽度较小，很难适应更为广泛的应用需求。

刘振祥、张建德在学术论文《螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计与改进》【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且具有螺旋形内筒结构的脉冲形成线，以下简称技术方案二。该脉冲形成线的结构如图3所示，由金属外筒6，去离子水工作介质14，螺旋形内导体15，前端支撑板9，后端支撑板10，闭合开关11，介质输入口16和介质输出口17组成。金属外筒6是一段内、外壁半径分别为190mm和200mm，长度为1100mm的金属圆管，在金属圆管正下方靠近脉冲形成线前端的位置焊接介质输入口16，在金属圆管正上方靠近脉冲形成线后端的位置焊接介质输出口17。金属外筒6接地，与螺旋形内导体15共同构成脉冲形成线等效电容。螺旋形内导体15在靠近闭合开关11的一侧(前端)几何中心处分别焊接圆柱形凸台12，便于支撑和电连接。在远离闭合开关11的一侧(后端)几何中心处焊接圆柱形凸台13，便于支撑和电连接。螺旋形内导体15机械长度为3360mm，这一长度直接决定了脉冲形成线输出方波电脉冲的脉冲宽度。后端支撑板10和前端支撑板9均由高分子绝缘材料制成，后端支撑板10的几何中心处钻孔(孔径与螺旋形内导体15后端的凸台13相匹配)，将凸台13插入孔中对脉冲形成线的螺旋形内导体15起支撑作用。闭合开关11靠近螺旋形内导体15钻孔，将圆柱型凸台12插入孔中对脉冲形成线的螺旋形内导体15起支撑作用。介质输入口16为空心圆管，主要作用是实现去离子水介质14的灌注，介质输出口17同样为空心圆管，主要作用是实现去离子水介质14的输出，便于循环。该脉冲形成线配合闭合开关11使用时，在负载上实现了脉宽约为200ns的准方波脉冲输出。

相比直筒型内导体，螺旋形内导体结构可以在更小的体积内，提高脉冲形成线输出方波电脉冲的脉冲宽度，有利于装置适应更为广泛的应用领域。然而，考虑螺旋形内导体结构的色散因素，螺旋形结构依旧很难满足日益提升的应用需求。研究人员的视线逐步转移到卷绕型内导体结构。

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 rolledstrip pulse forming line”(一种改进型卷绕型带状脉冲形成线),Review ofScientific Instruments,Vol.84,064704,pp:1-6】报道了一种基于绝缘膜介质的卷绕型带状脉冲形成线，以下简称技术方案三。图4为该脉冲形成线结构示意图，由绝缘膜和导体带共同构成。其中，绝缘膜由上绝缘膜18，中绝缘膜19和下绝缘膜20组成，导体带由上导体带21、中导体带22和下导体带23组成。将各部分以由下向上的顺序为下绝缘膜20-下导体带23-中绝缘膜19-中导体带22-上绝缘膜18-上导体带21，并以内半径R_r＝55mm进行卷绕，制成卷绕型带状脉冲形成线。上绝缘膜18，中绝缘膜19和下绝缘膜20均由宽度为250mm、长度为23000mm、厚度为0.2mm的聚脂薄膜聚酯纤维纸复合材料(DMD)制成。这种材料的相对介电常数为2.3，同时起到绝缘和介质储能两方面作用。上导体带21、中导体带22和下导体带23均由宽度为80mm、长度为22000mm、厚度为0.15mm的铜带制成。卷绕后脉冲形成线呈圆筒状，内半径R_r为55mm，外直径为230mm，轴向长度为250mm。脉冲形成线的总重量小于20kg。该脉冲形成网络配合闭合气体开关使用时，在负载上实现了脉宽约为250ns的准方波脉冲输出。

上述三种脉冲形成线均使用金属导体配合绝缘介质构成脉冲形成线，在闭合开关的作用下，产生高功率准方波电脉冲。为了满足应用场合对电脉冲宽度要求的日益提升，脉冲形成线内导体经历了由直筒型到螺旋形，再到卷绕型带状线的改进。然而，技术方案一中的脉冲形成线内导体为直筒型，没有很好的利用空间尺寸，电长度较小；尽管变压器油的绝缘性能较好，但其相对介电常数较低，不利于输出脉冲宽度较大的电脉冲。

技术方案二中的脉冲形成线分别采用了以螺旋形结构内导体替代直筒型结构内导体，增加电长度、以及使用去离子水介质替代变压器油介质增加储能密度两种方法提高输出电脉冲的脉冲宽度。但其体积和重量较大，不利于实际应用。

技术方案三中的脉冲形成线使用带状导体，以卷绕的方式在很小的体积、重量内实现长脉冲输出，但其使用相对介电常数较低的固体绝缘薄膜作为储能介质，在很大程度上限制了脉冲宽度的进一步提升。且这种脉冲形成线不具有可恢复性，即一旦发生储能介质击穿，必须更换储能介质才能继续工作，不利于装置的维护。同时，该脉冲形成线采用的导体带很薄，不易成型，很难固定，给绝缘和屏蔽带来一定的弊端。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有脉冲形成线由于内导体几何形状及储能介质介电常数较低而导致的输出电脉冲宽度较小、体积重量较大以及击穿不可恢复等问题，提供一种新型基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，这种脉冲形成线采用卷绕式内导体，能够合理利用空间，在较小的空间内获得较大的电长度；同时，采用具有较高介电常数的液体介质作为储能介质，不仅能够进一步提高电脉冲宽度，还具有击穿可恢复性，且便于装置的维护。且这种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线电脉冲宽度较大、体积重量较小且维护方便，具有更为广泛的适用范围。

本发明的技术方案是：

本发明由高储能密度液体介质、金属带、固定板和绝缘封装四部分构成。金属带位于固定板的卡槽中，呈紧配合关系。固定板位于绝缘封装中，固定板边缘与绝缘封装的内壁呈紧配合关系。高储能密度液体介质由气泵灌注于绝缘封装内部，包围所有金属带，并充斥整个绝缘封装的内部区域。

金属带由内金属带、中金属带、外金属带组成，内金属带、中金属带、外金属带均为宽度为W，长度为l，厚度为d(考虑工程实现，要求0mm<d<10mm)的金属带，三条金属带间的距离为D。三条金属带卷绕成涡旋状，其中内金属带涡旋线的基圆半径为R，螺距为N。中金属带涡旋线的基圆半径为R+d+D，螺距为N。外金属带涡旋线的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N。其中，螺距N＝3d+3D。由工程机械实现角度考虑，要求基圆半径R>50mm。

脉冲形成线长度l由实际应用环境所需的电长度确定，计算公式为：

螺距N、金属带宽度W和储能介质的相对介电常数ε_r由卷绕型脉冲形成线的本征阻抗Z₀，根据以下公式决定：

将该公式在Matlab软件环境下进行编程，并输入实际应用环境需要的本征阻抗Z₀。综合考虑工程实现及装置应用系统空间尺寸限制，确定卷绕型带状脉冲形成线的高度W，通过Matlab软件计算螺距N。

固定板由下固定板和上固定板组成。其中下固定板由绝缘材料制成，形状为圆柱体板，厚度为H(考虑工程实际，要求H>10mm)。在下固定板上端面铣有三条宽度为d的卡槽(与金属带厚度相同)，卡槽形状为涡旋线，其中，第一内涡旋线卡槽的基圆半径为R，螺距为N。第一中涡旋线卡槽的基圆半径为R+d+D，螺距为N。第一外涡旋线卡槽的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N。三条涡旋线卡槽的深度均为O(20mm<O<H)。第一内涡旋线卡槽中嵌入内金属带，第一中涡旋线卡槽中嵌入中金属带，第一外涡旋线卡槽中嵌入外金属带。

上固定板同样由绝缘材料制成，形状为圆柱体板，厚度为H。在上固定板下端面铣有三条宽度为d的卡槽(与金属带厚度相同)，卡槽形状为涡旋线，其中，第二内涡旋线卡槽的基圆半径为R，螺距为N。第二中涡旋线卡槽的基圆半径为R+d+D，螺距为N。第二外涡旋线卡槽的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N。三条涡旋线卡槽的深度均为O(20mm<O<H)。第二内涡旋线卡槽中嵌入内金属带，第二中涡旋线卡槽中嵌入中金属带，第二外涡旋线卡槽中嵌入外金属带。

正对卡槽起始端设计有三个直径为V(考虑高电压绝缘及工程实现，要求V>5mm)的第一圆形通孔，通过金属电缆分别连接内金属带、中金属带、外金属带，起到连接输入充电脉冲的作用。正对卡槽终端同样设计三个直径为V的第二圆形通孔，通过金属电缆分别连接内金属带、中金属带、外金属带，起到实现脉冲形成线电脉冲输出的作用。

绝缘封装由液体介质槽和盖板组成。液体介质槽是由绝缘材料制成且上端开口的圆筒。液体介质槽的内半径为R₁，高度为H₁，壁厚为S，要求R₁大于金属导体带的外半径，H₁>S+2·D+W，S>10mm。液体介质槽上端面均匀钻6个攻丝圆孔，用于配合螺杆进行封装，孔径K<S。液体介质槽底面几何中心处焊接圆管，用于高储能密度液体介质的输出。

盖板由绝缘材料制成，形状为圆柱体，外半径R₂＝R₁+S，厚度为S。与液体介质槽上端面6个攻丝圆孔相对应的位置钻孔，使用螺杆进行封装。在盖板与上固定板上的第一圆形通孔相应位置钻3个通孔，孔径均为J，J＝K，用于高电压的输入。在盖板与上固定板第二圆形通孔相应位置钻3个通孔，孔径均为J，用于高电压的输出。在盖板几何中心处焊接圆管，用于高储能密度液体介质的输入。

为保证输出脉宽较长的电脉冲，高储能密度液体介质指相对介电常数ε_r大于，且流动性好的液体介质，主要包括乙醇、乙二醇、甘油、去离子水，及可互溶的混合液体介质。在气泵的作用下，高储能密度液体介质通过位于绝缘介质槽底部的圆管进入绝缘封装内部区域，并全部包围金属带，灌满整个绝缘封装内部区域后，由位于盖板上部的圆管输出。

相比传统脉冲形成线，本发明提供一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线。这种脉冲形成线集合了传统脉冲形成线内导体形式和储能介质在提升脉冲宽度方面的优势，与现有的技术相比，采用本发明可以达到以下效果：

(1)本发明采用卷绕式带状内导体，能够合理利用空间，在保证优良电磁屏蔽的情况下，在较小的几何空间内获得较长的导体长度，进而有效提高脉冲形成线输出准方波电脉冲的脉冲宽度，拓宽装置应用领域；

(2)本发明采用具有较高介电常数的高储能密度液体介质作为储能介质，利用其良好的绝缘性能，在提高脉冲形成线储能密度的同时，进一步增加电脉冲宽度；

(3)本发明采用液体储能介质，具有可流动性，便于装置的搭建和维护；与此同时，液体介质具有击穿可恢复性，成本较低，适用于高电压脉冲发生器系统。

附图说明

图1为刘锡三在《高功率脉冲技术》一书中介绍了一种基于变压器油介质的直筒型脉冲形成线工作原理图；

图2为刘锡三在《高功率脉冲技术》一书中介绍的一种基于变压器油介质的直筒型脉冲形成线示意图。

图3为刘振祥、张建德2006年在《强激光与粒子束》期刊上发表的学术论文《螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计与改进》【刘振祥,张建德,强激光与粒子束,2006,Vol.18,No.12,pp:2078-2081】报道的具有螺旋形内导体结构的脉冲形成线结构示意图；

图4为李嵩,钱宝良,杨汉武,等人2013年在《Review of ScientificInstruments》上发表学术论文《An improved rolled strip pulse forming line》【SongLi,Baoliang Qian,Hanwu Yang,et al.“An improved rolled strip pulse formingline”,Review of Scientific Instruments,Vol.84,064704,pp:1-6】报道的基于固体储能介质的卷绕型带状脉冲形成线结构示意图；

图5为本发明总体结构图；

图6为本发明金属带结构示意图。

图7为本发明上盖板结构示意图。

图8为本发明下盖板结构示意图。

图9为本发明高储能密度液体介质槽结构示意图。

图10为本发明高储能密度液体介质槽盖板结构示意图。

具体实施方式

图1为刘锡三在《高功率脉冲技术》一书中介绍的直筒型脉冲形成线工作原理图。其中，1为高压导体(长度为l)，2为接地导体，Z₀和τ为分别为脉冲形成线的本征阻抗和电长度，3为储能介质(介电常数为ε_r)，4为闭合开关，5为负载(阻抗为Zr)。书中第41-45页详细阐述了脉冲形成线的电长度τ正比于高压导体1的长度l和储能介质3的介电常数ε_r。高功率脉冲驱动源中的脉冲形成线可以在开关的配合下，产生准方波电脉冲，具有重要的应用价值。当脉冲形成线的本征阻抗Z₀与负载阻抗相等时，可以在负载上获得电压幅值为脉冲形成线充电电压幅值一半，半高宽为脉冲形成线电长度两倍的准方波电脉冲。

图2为刘锡三在《高功率脉冲技术》一书中介绍了一种基于变压器油介质的直筒型脉冲形成线。如图1所示，该脉冲形成线由金属外筒6，直筒内导体7，变压器油介质8，前端支撑板9，后端支撑板10，闭合开关11组成，前端指靠近闭合开关11的一端，后端指远离闭合开关11的一端。金属外筒6由一段金属圆管构成，外壁接地。金属外筒6与直筒内导体7共同构成脉冲形成线的等效电容，用于储存能量，同时还可以起到电磁屏蔽的作用。变压器油介质8的相对介电常数为2.3，可以同时起到绝缘和储能介质两方面作用。直筒内导体7由一段长度约为5000mm的圆柱体制成。前端支撑板9由高分子绝缘材料制成，在前端支撑板9几何中心处钻孔(孔径与直筒内导体7前端的凸台12相匹配)，将凸台12插入孔中对脉冲形成线的直筒内导体7起支撑作用。后端支撑板10同样由高分子绝缘材料制成，在后端支撑板10几何中心处钻孔(孔径与直筒内导体7后端的凸台13相匹配)，与直筒内导体7后端的凸台13共同对脉冲形成线的直筒内导体7起支撑作用。

图3为背景技术所述刘振祥、张建德2006年在《强激光与粒子束》期刊上发表的学术论文《螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计与改进》报道的一种基于去离子水介质且具有螺旋形内筒结构的脉冲形成线。如图2所示，该脉冲形成线由金属外筒6，去离子水工作介质14，螺旋形内导体15，前端支撑板9，后端支撑板10，闭合开关11，介质主入口16和介质输出口17组成。金属外筒6是一段内、外壁半径分别为190mm和200mm，长度为1100mm的金属圆管，在金属圆管正下方靠近脉冲形成线前端的位置焊接介质输入口16，在金属圆管正上方靠近脉冲形成线后端的位置焊接介质输出口17。金属外筒6接地，与螺旋形内导体15共同构成脉冲形成线等效电容。螺旋形内导体15在靠近闭合开关11的一侧(前端)几何中心处分别焊接圆柱形凸台12，便于支撑和电连接。在远离闭合开关11的一侧(后端)几何中心处焊接圆柱形凸台13，便于支撑和电连接。螺旋形内导体15机械长度为3360mm，这一长度直接决定了脉冲形成线输出方波电脉冲的脉冲宽度。后端支撑板10和前端支撑板9均由高分子绝缘材料制成，后端支撑板10的几何中心处钻孔(孔径与螺旋形内导体15后端的凸台13相匹配)，将凸台13插入孔中对脉冲形成线的螺旋形内导体15起支撑作用。闭合开关11靠近螺旋形内导体15钻孔，将圆柱型凸台12插入孔中对脉冲形成线的螺旋形内导体15起支撑作用。介质输入口16为空心圆管，主要作用是实现去离子水介质14的灌注，介质输出口17同样为空心圆管，主要作用是实现去离子水介质14的输出，便于循环。该脉冲形成线配合闭合开关11使用时，在负载上实现了脉宽约为200ns的准方波脉冲输出。

图4为背景技术所述李嵩,钱宝良,杨汉武,等人2013年在《Review of ScientificInstruments》上发表学术论文《An improved rolled strip pulse forming line》报道的一种基于绝缘膜介质的卷绕型带状脉冲形成线。如图3所示，该脉冲形成线主要由绝缘膜和导体带共同构成。其中，绝缘膜由上绝缘膜18，中绝缘膜19和下绝缘膜20组成，导体带由上导体带21、中导体带22和下导体带23组成。将各部分以由下向上的顺序为下绝缘膜20-下导体带23-中绝缘膜19-中导体带22-上绝缘膜18-上导体带21，并以内半径R_r＝55mm进行卷绕，制成卷绕型带状脉冲形成线。上绝缘膜18，中绝缘膜19和下绝缘膜20均由宽度为250mm、长度为23000mm、厚度为0.2mm的聚脂薄膜聚酯纤维纸复合材料(DMD)制成。这种材料的相对介电常数为2.3，同时起到绝缘和介质储能两方面作用。上导体带21、中导体带22和下导体带23均由宽度为80mm、长度为22000mm、厚度为0.15mm的铜带制成。卷绕后脉冲形成线呈圆筒状，内半径R_r为55mm，外半径为230mm，轴向长度为250mm。

图5为本发明总体结构图。其由高储能密度液体介质24、金属带25、固定板26和绝缘封装27四部分构成。金属带25位于固定板26的卡槽中，呈紧配合关系。固定板26位于绝缘封装27中，固定板26边缘与绝缘封装27的内壁呈紧配合关系。高储能密度液体介质24由气泵灌注于绝缘封装27内部，包围所有金属带25，并充斥整个绝缘封装27的内部区域。

图6为本发明金属带结构示意图。由内金属带28、中金属带29、外金属带30组成，内金属带28、中金属带29、外金属带30均为宽度为W，长度为L，厚度为d(考虑工程实现，要求0mm<d<10mm)的金属带，三条金属带间的距离为D。三条金属带卷绕成涡旋状，其中内金属带28涡旋线的基圆半径为R，螺距为N。中金属带29涡旋线的基圆半径为R+d+D，螺距为N。外金属带30涡旋线的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N。其中，螺距N＝3d+3D。由工程机械实现角度考虑，要求基圆半径R>50mm。

图7为本发明下固定板结构示意图。其由绝缘材料制成，形状为圆柱体板，厚度为H(考虑工程实际，要求H>10mm)。在下固定板31上端面铣有三条宽度为d的卡槽(与金属带厚度相同)，卡槽形状为涡旋线，其中，第一内涡旋线卡槽33的基圆半径为R，螺距为N。第一中涡旋线卡槽34的基圆半径为R+d+D，螺距为N。第一外涡旋线卡槽35的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N。三条涡旋线卡槽的深度均为O(20mm<O<H)。第一内涡旋线卡槽33中嵌入内金属带28，第一中涡旋线卡槽34中嵌入中金属带29，第一外涡旋线卡槽35中嵌入外金属带30。

图8为本发明上固定板结构示意图。其由绝缘材料制成，形状为圆柱体板，厚度为H。在上固定板32下端面铣有三条宽度为d的卡槽(与金属带厚度相同)，卡槽形状为涡旋线，其中，第二内涡旋线卡槽36的基圆半径为R，螺距为N。第二中涡旋线卡槽37的基圆半径为R+d+D，螺距为N。第二外涡旋线卡槽38的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N。三条涡旋线卡槽的深度均为O(20mm<O<H)。第二内涡旋线卡槽36中嵌入内金属带28，第二中涡旋线卡槽37中嵌入中金属带29，第二外涡旋线卡槽38中嵌入外金属带30。

正对卡槽起始端设计有三个直径为V(考虑高电压绝缘及工程实现，要求V>5mm)的第一圆形通孔39，通过金属电缆分别连接内金属带28、中金属带29、外金属带30，起到连接输入充电脉冲的作用。正对卡槽终端同样设计三个直径为V的第二圆形通孔40，通过金属电缆分别连接内金属带28、中金属带29、外金属带30，起到实现脉冲形成线电脉冲输出的作用。

图9为本发明高储能密度液体介质槽结构示意图。其由绝缘材料制成且上端开口的圆筒。液体介质槽41的内半径为R₁，高度为H₁，壁厚为S，要求R₁大于金属导体带的外半径，H₁>S+2·D+W，S>10mm。液体介质槽上端面均匀钻6个攻丝圆孔，用于配合螺杆进行封装，孔径K<S。液体介质槽41底面几何中心处焊接圆管43，用于高储能密度液体介质24的输出。

图10为本发明高储能密度液体介质槽盖板结构示意图。其由绝缘材料制成，形状为圆柱体，外半径R₂＝R₁+S，厚度为S。与液体介质槽41上端面6个攻丝圆孔相对应的位置钻孔，使用螺杆进行封装。在盖板42与上固定板32上的第一圆形通孔39相应位置钻3个通孔，孔径均为J，J＝K，用于高电压的输入。在盖板42与上固定板32第二圆形通孔40相应位置钻3个通孔，孔径均为J，用于高电压的输出。在盖板42几何中心处焊接圆管43，用于高储能密度液体介质24的输入。

在气泵的作用下，高储能密度液体介质通过位于绝缘介质槽41底部的圆管43进入绝缘封装27内部区域，并全部包围金属带25，灌满整个绝缘封装27内部区域后，由位于盖板42上部的圆管43输出。

Claims (13)

1.一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线由高储能密度液体介质(24)、金属带(25)、固定板(26)和绝缘封装(27)四部分构成；金属带(25)位于固定板(26)的卡槽中，呈紧配合关系；固定板(26)位于绝缘封装(27)中，固定板(26)边缘与绝缘封装(27)的内壁呈紧配合关系；高储能密度液体介质(24)灌注于绝缘封装(27)内部，包围所有金属带(25)，并充斥整个绝缘封装(27)的内部区域；金属带(25)由卷绕成涡旋状的内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)组成，固定板(26)由下固定板(31)和上固定板(32)组成，下固定板(31)和上固定板(32)上的卡槽形状为涡旋线。

2.如权利要求1所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)均为宽度为W，长度为l，厚度为d的金属带，三条金属带间的距离为D；内金属带(28)涡旋线的基圆半径为R，螺距为N；中金属带(29)涡旋线的基圆半径为R+d+D，螺距为N；外金属带(30)涡旋线的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N；其中，螺距N＝3d+3D。

3.如权利要求1所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述下固定板(31)由绝缘材料制成，形状为圆柱体板，厚度为H，在下固定板(31)上端面铣有三条宽度为d的涡旋线形状的卡槽；第一内涡旋线卡槽(33)的基圆半径为R，螺距等于内金属带(28)涡旋线的螺距N；第一中涡旋线卡槽(34)的基圆半径为R+d+D，螺距为N；第一外涡旋线卡槽(35)的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N；三条涡旋线形状的卡槽的深度均为O；第一内涡旋线卡槽(33)中嵌入内金属带(28)，第一中涡旋线卡槽(34)中嵌入中金属带(29)，第一外涡旋线卡槽(35)中嵌入外金属带(30)；所述R为内金属带(28)涡旋线的基圆半径。

4.如权利要求1或3所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述上固定板(32)由绝缘材料制成，形状为圆柱体板，厚度为H；在上固定板(32)下端面铣有三条宽度为d的涡旋线形状的卡槽；第二内涡旋线卡槽(36)的基圆半径为R，螺距为N；第二中涡旋线卡槽(37)的基圆半径为R+d+D，螺距为N；第二外涡旋线卡槽(38)的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N；三条涡旋线卡槽的深度均为O，第二内涡旋线卡槽(36)中嵌入内金属带(28)，第二中涡旋线卡槽(37)中嵌入中金属带(29)，第二外涡旋线卡槽(38)中嵌入外金属带(30)；正对卡槽起始端设计有三个直径为V的第一圆形通孔(39)，通过金属电缆分别连接内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)；正对卡槽终端同样设计三个直径为V的第二圆形通孔(40)，通过金属电缆分别连接内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)。

5.如权利要求1所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述绝缘封装(27)由液体介质槽(41)和盖板(42)组成；液体介质槽(41)是由绝缘材料制成且上端开口的圆筒；液体介质槽(41)的内半径为R₁，高度为H₁，壁厚为S，要求R₁大于金属导体带外半径，H₁>S+2·D+W；液体介质槽(41)上端面均匀钻6个攻丝圆孔，孔径K<S；液体介质槽(41)底面几何中心处焊接圆管(43)，用于高储能密度液体介质(24)的输出。

6.如权利要求5所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述盖板(42)由绝缘材料制成，形状为圆柱体，外半径R₂＝R₁+S，厚度为S；与液体介质槽(41)上端面6个攻丝圆孔相对应的位置钻孔，使用螺杆进行封装；在盖板(42)与上固定板(32)上的第一圆形通孔(39)相应位置钻3个通孔，孔径均为J，J＝K，用于高电压的输入；在盖板(42)与上固定板(32)第二圆形通孔(40)相应位置钻3个通孔，孔径均为J，用于高电压的输出。在盖板(42)几何中心处焊接圆管(43)，用于高储能密度液体介质(24)的输入。

7.如权利要求1所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述高储能密度液体介质(24)指相对介电常数ε_r大于25，且流动性好的液体介质；高储能密度液体介质通过位于液体介质槽(41)底部的圆管(43)进入绝缘封装(27)内部区域，并全部包围金属带(25)，灌满整个绝缘封装(27)内部区域后，由位于盖板(42)上部的圆管(43)输出。

8.如权利要求7所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述高储能密度液体介质(24)包括乙醇、乙二醇、甘油、去离子水，及可互溶的混合液体介质。

9.如权利要求2所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)的厚度d满足0mm<d<10mm，所述内金属带(28)涡旋线的基圆半径R>50mm。

10.如权利要求2所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述脉冲形成线长度l由实际应用环境所需的电长度确定，计算公式为：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}\&CenterDot;l}{c}$

螺距N、金属带宽度W和储能介质的相对介电常数ε_r由卷绕型脉冲形成线的本征阻抗Z₀，根据以下公式决定：

$Z_0=\frac{30{\mathrm{\&pi;}}^2}{\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}}{\&lsqb;1+\frac{2\mathrm{\&pi;}W}{N}+\ln (1+\frac{2\mathrm{\&pi;}W}{N})\&rsqb;}^{-1}$

将该公式在Matlab软件环境下进行编程，并输入实际应用环境需要的本征阻抗Z₀；综合考虑工程实现及装置应用系统空间尺寸限制，确定卷绕型带状脉冲形成线的高度W，通过Matlab软件计算螺距N。

11.如权利要求3所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述下固定板(31)上三条涡旋线形状卡槽的深度O满足20mm<O<H。

12.如权利要求4所述的圆柱体绝缘固定板(32)厚度H满足H>10mm；所述第一圆形通孔(39)的直径V满足V>5mm。

13.如权利要求5所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述液体介质槽(41)的壁厚S满足S>10mm。