CN107565938A - 一种具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线，目的是解决现有固体高功率脉冲形成线体积大，储能密度低和绝缘强度低等问题。本发明由固态储能介质，涡旋线型电极和地电极组成；涡旋线型电极由金属片绕成涡旋线形状而成，涡旋线型电极的涡旋线形状由半径分别为S₁,S₂,...,S_q,S_q+1,...,的半圆组成，q＝1,2,...,N₂‑1，相邻半圆首尾相连，不存在不连续点。本发明在较高储能密度的状态下，不存在电极不连续性，能够有效提高脉冲形成线的绝缘强度，且结构紧凑易于实现小型化。

Description

一种具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线

技术领域

本发明涉及高功率脉冲驱动源技术领域的固态脉冲形成线，尤其涉及一种具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线。

背景技术

高功率(大于百兆瓦)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，得到了最为广泛的应用。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，而固态脉冲形成线能够有效提高脉冲形成部分的系统稳定性和可靠性，易于实现高功率脉冲驱动源装置的小型化，是未来该领域发展的重要方向之一。

固态高功率脉冲形成线实质上为基于固态储能材料的电传输线，能够实现电能的存储、传输和方波形成等功能。这种器件首先将电能储存于位于电传输线之间的储能介质中，然后在理想闭合开关的作用下，以恒定的电压幅值将能量传递给负载(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定义为由电脉冲幅值一半处对应的时间宽度，是影响电脉冲应用能力和衡量脉冲形成线工作性能的核心参量之一，由形成线机械长度决定。储能密度是衡量脉冲形成线工作性能的另一核心参量，直接决定了脉冲形成线，甚至高功率脉冲驱动源系统的紧凑型和可靠性。随着应用场合对脉冲形成线及高功率脉冲驱动源性能需求的不断提升，发展具有结构紧凑、脉冲宽度大且工作可靠性高的高功率脉冲形成线具有广阔的应用前景。

谌怡、刘毅、陈莹等人在其发表的学术论文《介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验》【强激光与粒子束,2014,Vol.26,No.10,pp:105102_1-5】中报道了一种具有长方形电极结构的固态脉冲形成线，以下简称技术方案一。该固态脉冲形成线主要由固态储能介质1，长方型电极2和地电极3组成。固态储能介质1是由陶瓷材料制成的长方体，长度l₁为300mm，宽度w₁为15mm，厚度h₁为1mm，陶瓷材料介电常数ε₁为23.5。长方型电极2由金属银制成的长方体，长度l₂为280mm、宽度w₂为2mm、厚度h₂约数十μm。地电极3由金属银制成的长方体，长度为l₂、宽度为w₂、厚度与长方型电极2的厚度h₂相等。长方型电极2通过印刷版技术紧贴在长方形固态储能介质1的由长和宽构成的一个端面中央。地电极3通过印刷版技术紧贴在长方形固态储能介质1的由长和宽构成的另一个端面中央。

王朗宁在其博士学位论文《基于慢波结构的固态高压脉冲形成线研究》(国防科学技术大学研究生院,2016)中报道了一种具有半圆型电极结构的固态脉冲形成线，以下简称技术方案二。该固态脉冲形成线主要由固态储能介质1，半圆型电极4和地电极3组成。固态储能介质1是由陶瓷材料制成的圆盘，端面半径r₁为250mm，厚度h₃为8mm，陶瓷材料介电常数ε₂为1000。半圆型电极4由具有不同半径的同心半圆结构的金属银，通过长方体金属片5焊接而成。不同半径的同心半圆结构之间，两两间隔d₁为5mm，每个同心半圆结构宽度均为w₃，w₃为10mm，每个同心半圆结构厚度相等，等于地电极3的厚度，也为h₂。长方体金属片5的长度l₃为10mm，宽度w₄为5mm，厚度h₄为2mm。地电极3是由金属银制成的圆盘，半径为r₁，厚度为h₂。半圆型电极4通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的一个端面，地电极3通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的另一个端面。

王朗宁在其博士学位论文《基于慢波结构的固态高压脉冲形成线研究》(国防科学技术大学研究生院,2016)中还报道了一种具有曲折线型电极结构的固态脉冲形成线，以下简称技术方案三。该器件主要由固态储能介质1、曲折线型电极6和地电极3组成。固态储能介质1是由陶瓷材料制成的长方体，长度l₄为250mm，宽度w₅为95mm，高度h₅为4mm，陶瓷材料介电常数ε₃为225。曲折线型电极6由长度为l₅，宽度为w₆，厚度为h₆的金属铜片折叠制成曲折线型。曲折线型电极6具有周期型结构7，如图3(b)所示，每个周期型结构包含两个半圆部分8和两个直线部分9，周期型结构的间隔d₂为5mm。周期数为N，直线部分的长度为l₆，弯曲部分的半径为r₃，满足l₅＝2N(πr₃+l₆)。地电极3是由金属铜制成的长方体，长度为l₄，宽度为w₅，厚度h₂为2mm。曲折线型电极6通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的一个端面，地电极3通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的另一个端面。

根据高功率脉冲形成线电长度τ的计算公式，其中，ε_r为储能介质的介电常数，c为真空中的光速，l为电极的机械长度。当不改变储能介质，需要进一步增加高功率电脉冲的脉冲宽度时，技术方案一的固态脉冲形成线需要不断增加电极的机械长度l₂，不利于装置的小型化和紧凑化要求，在很大程度上限制了高功率脉冲形成线的进一步发展和应用。

电场是决定介质储能密度和绝缘强度的核心因素。技术方案二中的半圆型电极4与长方体金属片5的焊接点处具有不连续性，存在一定的场集中，不利于绝缘强度的提高，也就限制了高功率脉冲形成线工作电压等级的提升。技术方案三中的曲折线型电极6中的半圆部分8和直线部分9同样不是连续的，半圆部分8的半径r₃越小，电极越密，即电极覆盖在储能介质上的面积更大，因此储能越高。但同时，半径r₃越小，电场在半圆部分的场集中更加严重，绝缘强度下降，此消彼长，很难同时既提高储能密度，又提高绝缘强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有固体高功率脉冲形成线体积大，储能密度低和绝缘强度低等问题，提供一种具有涡旋型电极结构的固态高功率脉冲形成线。此种脉冲形成线在较高储能密度的状态下，不存在电极不连续性，能够有效提高脉冲形成线的绝缘强度，且结构紧凑易于实现小型化。

本发明的技术方案：

本发明由固态储能介质，涡旋线型电极和地电极组成，涡旋线型电极位于固态储能介质的一个端面，地电极位于固态储能介质的另一个端面。

固态储能介质是由高介电常数材料制成的圆盘，端面半径为r₄，厚度为h₈，高介电常数材料是指介电常数大于5的材料，且要求高介电常数材料绝缘强度U满足：U·h₈＞Q，Q为本发明具有涡旋型电极结构的固态高功率脉冲形成线的工作电压。高介电常数材料可选用钛酸锶钡、玻璃陶瓷、聚合物基陶瓷复合材料等中的任意一种。

涡旋线型电极由金属片绕成涡旋线形状而成，金属片厚度为h₉(h₉>0mm)，宽度为w₇。涡旋线基圆(即最内圈)半径为r₅，间隔(即涡旋线相邻两圈之间的径向距离)为d，定义具有相同半径的半圆为一个周期，周期数为N₂，N₂为正整数。满足：r₄＞r₅+N₂(d+w₇)。涡旋线型电极的涡旋线形状由半径分别为S₁,S₂,...,S_q,S_q+1,...,(q＝1,2,...,N₂-1)的半圆组成，相邻半圆首尾相连，不存在不连续点，要求满足：S_q+1-S_q＞d+w₇。N₂由实际使用环境需要的具有涡旋型电极结构的固态高功率脉冲形成线电长度τ和固态储能介质的介电常数ε_r决定，要求：

其中，c为光在真空中的传播速度。

地电极由金属制成，是半径为r₄，厚度为h₁₀的圆盘，覆盖在固态储能介质的一个端面。涡旋线型电极通过印刷版技术紧贴在固态储能介质的一个端面，地电极通过印刷版技术紧贴在固态储能介质的另一个端面。

同现有技术相比，本发明可以达到以下效果：

(1)本发明采用具有涡旋线型结构作为固态高功率脉冲形成线的电极，可以在相同的储能介质体积下(受限于制备工艺，储能介质体积越大，缺陷越多，工作性能下降)，有效提高高功率脉冲形成线的电长度，进而增加器件输出电脉冲的脉冲宽度，有利于拓宽高功率脉冲形成线的应用领域；

(2)本发明采用涡旋线型电极，在脉冲形成的过程中，在较高储能密度的状态下，无不连续点(或称寄点)，能够有效保证输出脉冲波形质量，且在工作过程中避免由于电极结构或电极间的连接结构造成的场集中，有效提高绝缘强度。

(3)本发明结构紧凑易于实现小型化。

附图说明

图1为背景技术(技术方案一)谌怡、刘毅、陈莹等人在其发表的学术论文《介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验》【强激光与粒子束,2014,Vol.26,No.10,pp:105102_1-5】中报道的具有长方形电极结构的固态脉冲形成线；

图2为背景技术(技术方案二)王朗宁在其博士学位论文《基于慢波结构的固态高压脉冲形成线研究》中报道的具有半圆型电极结构的固态脉冲形成线；

图3为背景技术(技术方案三)王朗宁在其博士学位论文《基于慢波结构的固态高压脉冲形成线研究》中报道的具有曲折线型电极结构的固态脉冲形成线；

图4为本发明总体结构图；

图5为本发明涡旋型电极10结构俯视图；

图6为本发明固态储能介质1结构图；

图7为本发明地电极3结构图。

具体实施方式

图1为谌怡、刘毅、陈莹等人在其发表的学术论文《介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验》中报道的具有长方形电极结构的固态脉冲形成线。该器件主要由固态储能介质1，长方型电极2和地电极3组成。固态储能介质1是由陶瓷材料制成的长方体，长度l₁为300mm，宽度w₁为15mm，厚度h₁为1mm，陶瓷材料介电常数ε₁为23.5。长方型电极2由金属银制成的长方体，长度l₂为280mm、宽度w₂为2mm、厚度h₂约数十μm。地电极3由金属银制成的长方体，长度为l₂、宽度为w₂、厚度与长方型电极2的厚度h₂相等。长方型电极2通过印刷版技术紧贴在长方形固态储能介质1的由长和宽构成的一个端面中央。地电极3通过印刷版技术紧贴在长方形固态储能介质1的由长和宽构成的另一个端面中央。

图2为王朗宁在其博士学位论文《基于慢波结构的固态高压脉冲形成线研究》中报道的一种具有半圆型电极结构的固态脉冲形成线。该器件主要由固态储能介质1，半圆型电极4和地电极3组成。固态储能介质1是由陶瓷材料制成的圆盘，端面半径r₁为250mm，厚度h₃为8mm，陶瓷材料介电常数ε₂为1000。半圆型电极4由具有不同半径的同心半圆结构的金属银，通过长方体金属片5焊接而成。不同半径的同心半圆结构之间，两两间隔d₁为5mm，每个同心半圆结构宽度均为w₃，w₃为10mm，每个同心半圆结构厚度相等，等于地电极3的厚度，也为h₂。长方体金属片5的长度l₃为10mm，宽度w₄为5mm，厚度h₄为2mm。地电极3是由金属银制成的圆盘，半径为r₁，厚度为h₂。半圆型电极4通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的一个端面，地电极3通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的另一个端面。

图3为王朗宁在其博士学位论文《基于慢波结构的固态高压脉冲形成线研究》中报道的一种具有曲折线型电极结构的固态脉冲形成线，图3(a)为曲折线型电极结构的固态脉冲形成线总体结构图，图3(b)为图3(a)的II处示意图，即曲折线型电极6一个周期的示意图。如图3(a)所示，该器件主要由固态储能介质1、曲折线型电极6和地电极3组成。固态储能介质1是由陶瓷材料制成的长方体，长度l₄为250mm，宽度w₅为95mm，高度h₅为4mm，陶瓷材料介电常数ε₃为225。曲折线型电极6由长度为l₅，宽度为w₆，厚度为h₆的金属铜片折叠制成曲折线型。曲折线型电极6具有周期型结构7，如图3(b)所示，每个周期型结构包含两个半圆部分8和两个直线部分9，周期型结构的间隔d₂为5mm。周期数为N，直线部分的长度为l₆，弯曲部分的半径为r₃，满足l₅＝2N(πr₃+l₆)。地电极3是由金属铜制成的长方体，长度为l₄，宽度为w₅，厚度h₂为2mm。曲折线型电极6通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的一个端面，地电极3通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的另一个端面。

图4为本发明N＝5时的总体结构图。如图4所示，本发明由圆柱型固态储能介质1，涡旋线型电极10和地电极3组成。涡旋线型电极10位于固态储能介质1的一个端面，地电极3位于固态储能介质1的另一个端面。

图5为本发明涡旋型电极10结构俯视图。涡旋线型电极10由金属片绕成涡旋线形状而成，金属片厚度为h₉(h₉>0mm)，宽度为w₇。涡旋线基圆(即最内圈)半径为r₅，间隔(即涡旋线相邻两圈之间的径向距离)为d，定义具有相同半径的半圆为一个周期，周期数为N₂，N₂为正整数。满足：r₄＞r₅+N₂(d+w₇)。涡旋线型电极的涡旋线形状由半径分别为S₁,S₂,...,S_q,S_q+1,...,(q＝1,2,...,N₂-1)的半圆组成，相邻半圆首尾相连，不存在不连续点，要求满足：S_q+1-S_q＞d+w₇。

图6为本发明固态储能介质1结构图；如图6所示，固态储能介质1是由高介电常数材料制成的圆盘，端面半径为r₄，厚度为h₈，陶瓷材料介电常数ε₄为1000，绝缘强度为U。满足：U·h₈＞Q，Q为脉冲形成线的工作电压。

图7为本发明地电极3结构图。如图7所示，地电极3由金属制成，是半径为r₄，厚度为h₁₀的圆盘，覆盖在固态储能介质1的一个端面。涡旋线型电极10通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的一个端面，地电极3通过印刷版技术紧贴在固态储能介质1的另一个端面。

Claims (5)

1.一种具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线，由固态储能介质(1)，电极和地电极(3)组成；固态储能介质(1)是圆盘，端面半径为r₄，厚度为h₈；地电极(3)是由金属制成的圆盘，半径为r₄，厚度为h₁₀；电极通过印刷版技术紧贴在固态储能介质(1)的一个端面，地电极(3)通过印刷版技术紧贴在固态储能介质(1)的另一个端面；其特征在于所述固态储能介质(1)由高介电常数材料制成，电极为涡旋线型电极(10)；涡旋线型电极(10)由金属片绕成涡旋线形状而成，金属片厚度为h₉，h₉>0mm，宽度为w₇；涡旋线基圆半径为r₅，间隔即涡旋线相邻两圈之间的径向距离为d，定义具有相同半径的半圆为一个周期，周期数为N₂，N₂为正整数，满足：r₄＞r₅+N₂(d+w₇)；涡旋线型电极(10)的涡旋线形状由半径分别为的半圆组成，q＝1,2,...,N₂-1，相邻半圆首尾相连，不存在不连续点。

2.如权利要求1所述的一种具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线，其特征在于所述制备固态储能介质(1)的高介电常数材料是指介电常数大于5的材料，且高介电常数材料绝缘强度U满足：U·h₈＞Q，Q为具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线的工作电压。

3.如权利要求2所述的一种具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线，其特征在于所述制备固态储能介质(1)的高介电常数材料采用钛酸锶钡、玻璃陶瓷、聚合物基陶瓷复合材料中的任意一种。

4.如权利要求1所述的一种具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线，其特征在于所述涡旋线型电极(10)的涡旋线形状由半径满足：S_q+1-S_q＞d+w₇。

5.如权利要求1所述的一种具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线，其特征在于所述周期数N₂由实际使用环境需要的具有涡旋线型电极结构的固态高功率脉冲形成线的电长度τ和固态储能介质(1)的介电常数ε_r决定，要求：

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其中，c为光在真空中的传播速度。