CN109327208A - 一种同轴型Marx发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同轴型Marx发生器。该发生器不仅在电容值选择上灵活方便，同时能够固定机芯内各零件之间的相对位置，并且又可以实现绝缘。其结构主要包括机芯和外壳，还包括M个第一支撑横梁；机芯包括N级电容器组以及N/2个气体开关；N级电容器组沿外壳轴向方向依次设置在外壳内部，每级电容器组中均包括一个支撑环以及S个电容，S个电容沿圆周方向均匀嵌装在支撑环内环边缘；M个第一支撑横梁依次穿过每级电容器组中的支撑环，且两端分别固定安装在外壳的两端，且沿着圆周方向均匀分布；M个第一支撑横梁分别安装充电电阻和开关触发电阻；每个气体开关安装在每两级电容器组之间，从而形成一组击穿单元，每组击穿单元之间串联连接。

Description

一种同轴型Marx发生器

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种同轴型Marx发生器。

背景技术

脉冲功率技术是一种以较低的功率存储能量，再对这些能量进行脉冲压缩，以高功率、短脉冲的电磁能量释放到特定负载的电物理技术。Marx发生器可以获得幅值从数百千伏到数兆伏、持续时间从数百纳秒到数微秒的高电压脉冲的一种装置，是脉冲功率系统中低功率储存能量向高电压脉冲转化的最为常用的设备。

Marx发生器的基本工作原理是，高电压直流电源通过电阻对电容器进行并联充电，然后触发开关击穿，从而使电容器串联放电，获得高幅值的电压脉冲。脉冲功率技术中通常采用的Marx发生器的原理电路如图1所示，人们习惯把Marx发生器由多少个电容器组成定义为Marx发生器的级数，把每个电容量为C₀的电容器(总数为n个)通过充电电阻R并联充电到电压U₀，而后使所有的开关S接通，所有电容器串联放电，能够在负载上建立起电压幅值为nU₀的高压。

Marx发生器是靠电容器串联放电来获得高电压的，每台电容器有不同的电位，应当按照电位来把电容器分布在相应的位置上，电容器相互之间、电容器与地(即发生器金属外壳)之间以及电阻与外壳之间一定要保证绝缘安全。发生器电感越小，其输出性能越好，因此，要求放电回路的包络面积或体积尽可能小，也就是说，在保证绝缘要求的前提下，Marx发生器结构布局需要更加合理。

现有的Marx发生器主要是用绝缘材料夹具或框架把电容器固定起来，首先保证内部电容器之间绝缘部件的沿面绝缘安全；而电容器、电阻与外壳之间，一般充入绝缘油或气体进行绝缘；整个机芯采用绝缘吊带悬挂在箱体顶部，或采用托架、垫块方式支撑在箱体底部，如文献【1】-【6】的Marx发生器均是采用上述结构。但是上述Marx发生器的一般应用在大型箱体外壳的发生器中，其放电回路较为松散，回路电感较大。

在一些低电感同轴型Marx发生器中，如参考文献【7】-【11】中提到的Marx发生器：一种是在金属外壳内表面，整个加一绝缘层套筒，机芯就直接放置绝缘套筒内；另外一种是采用绝缘套环与电容汇流板相互交叠累加的办法，电容器与电容器、机芯与外壳之间的绝缘均能够保证，并支撑住机芯。第一种Marx发生器适用于储能电容量较小的情况，第二种Marx发生器结构较为复杂，且不够紧凑，增大了放电回路电感。

【1】丰树平,李宏涛,曹文彬,等.Z箍缩实验装置高压低抖动Marx发生器[J].强激光与粒子束,2009,21(1):152-156.

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【3】李远,李劲,刘小平,等.低抖动Marx发生器设计与实验[J].强激光与粒子束,2010,22(4):743-747.

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【5】徐刚,张晋琪,张现福,等.1MV紧凑型重频Marx发生器绝缘设计和数值分析[J].强激光与粒子束,2008,20(11):1933-1936.

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【8】刘宏伟,谢卫平,李洪涛,等.紧凑型电感隔离快Marx发生器[J].高电压技术,2008,34(7):1436-1439.

【9】何小平,汤俊萍,孙蓓生,等.60kV同轴快沿脉冲源研制与调试[J].强激光与粒子束,2006,18(3):501-504.

【10】高景明,刘永贵,刘金亮,等.陡化前沿Marx发生器的设计与初步实验[J].强激光与粒子束,2008,20(1):167170.

【11】刘宏伟,谢卫平,李洪涛,等.一种紧凑型快前沿Marx发生器的设计[J].高能量密度物理,2007(3):97 101.

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明设计了一种同轴型Marx发生器，采用多个电容器组和每个电容器组中多个电容的巧妙布局，不仅在电容值选择上灵活方便，而且在结构上更加紧凑，同时其采用多根绝缘材料制成的支撑横梁，既能够固定Marx发生器内各零件之间的相对位置，同时也能够对充电电阻进行绝缘，进一步达到了简化结构的目的。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种同轴型Marx发生器，包括机芯和外壳，其改进之处是：还包括M个第一支撑横梁；所述机芯包括N级电容器组以及N/2个气体开关；其中，M＝N/2+2；N≥2；

N级电容器组沿外壳轴向方向依次设置在外壳内部，每级电容器组中均包括一个支撑环以及S个电容，所述S个电容沿圆周方向均匀嵌装在支撑环内环边缘；S≥2；

M个第一支撑横梁依次穿过每级电容器组中的支撑环，且两端分别固定安装在外壳的两端，并且M个第一支撑横梁沿着圆周方向均匀分布；

M个第一支撑横梁均为中空结构，一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的正电位充电电阻或负电位充电电阻、一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的零电位充电电阻、N/2个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的开关触发电阻；

每个气体开关安装在每两级电容器组之间，从而形成一组击穿单元，每组击穿单元之间串联连接。

为了使该发生器既能正向放电又可以负向放电，该Marx发生器还有以下结构，除了第一支撑横梁结构不同，其余均相同，具体是：所述M＝N/2+3，其中，一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的正电位充电电阻、一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的负电位充电电阻、、一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的零电位充电电阻、N/2个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的气体开关触发电阻。

进一步地，为了进一步的提升发生器的整体强度，上述两种发生器还包括内部为实心的T个第二支撑横梁，所述第二支撑横梁安装方式与第一支撑横梁相同；T个第二支撑横梁和M个第一支撑横梁沿着圆周方向均匀分布，T≥1。

进一步地，电容为圆柱体形状(其他形状也可选取，例如扇形)。

进一步地，为了确保这个设备的绝缘性，第一支撑横梁和第二支撑横梁均选取硬质的绝缘材料，优选采用尼龙或聚乙烯。

进一步地，为了进一步地提升绝缘效果，所述外壳内填充绝缘油或绝缘气体。

进一步地，为了方便后期对电容器组组合形式进行调整，所述第一支撑横梁和第二支撑横梁的两端均通过螺纹连接的安装方式设置在外壳上。

本发明的有益效果是：

1、电容器组结构设计巧妙：多级电容器组并排设置，每级电容器组中通过支撑环并联嵌装多个圆周均匀分布的电容，不仅在电容值选择上灵活方便，而且在结构上更加紧凑。

2、简化绝缘支撑结构：绝缘结构相对较为简单，支撑和绝缘部件一体化设计，大大简化了发生器的绝缘支撑结构，有利于设备安装和检修。

3、增强绝缘安全性能：同轴型Marx发生器内部，充电电阻和金属外壳之间距离较近，是绝缘薄弱点，充电电阻放置在绝缘支撑横梁内，提升了充电电阻和金属外壳之间的绝缘安全性能，进而提升了发生器机芯与外壳之间的绝缘性能。

4、电容器组安装牢靠：多根第一支撑横梁和支撑环将Marx发生器机芯牢牢固定，在整个装置搬动过程中，电容器和气体开关等关键部件相对外壳不会出现丝毫移动和损坏。

5、发生器电容器组组合方便：多根支撑横梁加支撑环的支撑方式，可以根据发生器重量和结构尺寸进行设计，这样，就不会限制发生器电容器组和气体开关的数量，容易进行电路参数组合。

6、发生器电感参数优化：绝缘支撑结构简化、绝缘安全性能提升，能够优化发生器放电回路结构，减小机芯与外壳之间的包围体积，进而减小了发生器的放电回路电感，提升发生器输出性能。

附图说明

图1为Marx发生器的电路图。

图2为本发明的剖面示意图。

图3为图2的A向截面示意图。

附图标记如下：

1-外壳、2-电容器组，3-气体开关，4-第一支撑横梁，5-支撑环，6-电容，7-正电位充电电阻，8-负电位充电电阻，9-零电位充电电阻，10-开关触发电阻，11-第二支撑横梁，12-前面板，13-后面板，14-中间圆筒外壳。

具体实施方式

为了解决现有同轴型Marx发生器中电容值难以选择且结构复杂的问题，本发明提供了一种同轴型Marx发生器，其包括外壳1和机芯以及M个第一支撑横梁4；机芯包括N级电容器组2和N/2个气体开关3；N≥2；

N级电容器组2沿外壳1轴向方向依次设置在外壳内部，每级电容器组2中均包括一个支撑环5以及S个电容6，所述S个电容6沿圆周方向均匀嵌装在支撑环5内环边缘；S≥2；

M个第一支撑横梁4依次穿过每级电容器组2中的支撑环5，且两端分别固定安装在外壳1的两端(此处可以选择通过螺纹连接的方式进行，便于后期拆卸)，并且M个第一支撑横梁4沿着圆周方向均匀分布；第一支撑横梁4和支撑环5组成了电容器组的绝缘支撑结构；

绝缘支撑结构根据需要有三种不同设计方式：

第一种，只进行正向或负向充电的情况时：

仅包括均为中空结构设计的M个第一支撑横梁4(M＝N/2+2)，一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的正电位充电电阻7或负电位充电电阻8、一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的零电位充电电阻9、N/2个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的开关触发电阻10；

第二种，既进行正向充电也负向充电的情况时：

仅包括均为中空结构设计的M个第一支撑横梁4(M＝N/2+3)，其中，一个第一支撑横梁4内部安装N/2个首尾相连的正电位充电电阻7、一个第一支撑横梁4内部安装N/2个首尾相连的负电位充电电阻8、一个第一支撑横梁4内部安装N/2个首尾相连的零电位充电电阻9、N/2个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的气体开关触发电阻10。

第三种，只进行正向或负向充电，同时需要保证Marx发生器整体强度的情况时：

在第一种方式的基础上，再增加内部为实心的T个第二支撑横梁11，第二支撑横梁11安装方式与第一支撑横梁4相同；T个第二支撑横梁11和M个第一支撑横梁4沿着圆周方向均匀分布。

第四种，既进行正向充电也负向充电，同时需要保证Marx发生器整体强度的情况时：

在第二种方式的基础上，再增加内部为实心的T个第二支撑横梁11，第二支撑横梁11安装方式与第一支撑横梁4相同；T个第二支撑横梁11和M个第一支撑横梁4沿着圆周方向均匀分布，T≥1。

每个气体开关安装在每两级电容器组之间，从而形成一组击穿单元，每组击穿单元之间串联连接。

为了确保设备的绝缘性的基础上并保持较好的强度，第一支撑横梁4和第二支撑横梁11均选取硬质的绝缘材料，优选采用尼龙或聚乙烯。

为进一步地提升绝缘效果，外壳1内填充绝缘油或绝缘气体。

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

本实施例中根据工作指标要求，电路设计给出了Marx发生器的电容、电感等参数，再选用实际器件，最后确定了六级电容器组，每级电容器组由六只电容并联组成，电容器组分为正负充电模式，那么需要三只气体开关，这样就确定了发生器机芯的结构、尺寸，重量和具体工作参数等信息。根据上述信息，选取绝缘第一支撑横梁和第二支撑横梁材料、设计结构，再结合充电电阻的尺寸，确定绝缘支撑结构尺寸，通过反复迭代，给出绝缘支撑结构的最终设计结构。

如图1、2所示，该同轴型Marx发生器的外壳1包括前面板12、后面板13以及设置在前面板12和后面板13之间的中间圆筒外壳14；前面板12和后面板13均采用可拆连接方式设置在中间圆筒外壳14上。

电容器组2绝缘支撑结构主要包括5根第一支撑横梁、1根第二支撑横梁以及六块支撑环组成；六只电容沿圆周方向均匀嵌装在支撑环内环边缘。

设计绝缘第一支撑横梁的外直径尺寸为50mm，中空横梁的内直径尺寸为28mm，保证机械强度的同时，还可以放入直径为26mm的三个正电位充电电阻、三个负电位充电电阻、三个零电位充电电阻和三个开关触发电阻，并且保证了电阻与电容、电阻和外壳之间的绝缘安全，尼龙等固体材料的绝缘性能较好，减小了电容器组与外壳之间的距离，进而降低了发生器的电感(电感小于450nH)。

本实施例中，第一级电容器组和第二级电容器组之间安装气体开关形成第一组击穿单元、第三级电容器组和第四级电容器组之间安装气体开关形成第二组击穿单元、第五级电容器组和第六级电容器组之间安装气体开关形成第三组击穿单元，其中，每组击穿单元中气体开关的工作电压均为±80kV；

每组击穿单元中正电位电容最大充电电压为+80kV，负电位电容最大充电电压为-80kV。采用最大幅值为160kV、前沿15ns的高压快脉冲进行触发。Marx发生器腔内充入变压器油，增强绝缘性能，气体开关的工作介质采用干燥压缩空气。

Marx发生器的工作过程如下：首先，通过正电位充电电阻、负电位充电电阻和零电位充电电阻，高压直流电源将开关两端六级正负电位电容分别充电±80kV，这时开关两端也就施加±80kV直流高压；然后，通过两只开关触发电阻，将前沿约15ns、最大幅值约160kV的触发脉冲分别馈入到气体开关A和气体开关B中，两只开关触发点火，正负高压电极导通；气体开关A和气体开关B击穿后，前四级电容串联放电，在气体开关C两端产生大于400kV的电压差，气体开关C也迅速自击穿导通；三只开关全部导通后，六级电容串联放电，就能够发生器输出端产生约480kV的脉冲电压。Marx发生器涉及到的所有高压直流和脉冲工作，电容器组之间和电容器组与外壳之间都不能发生任何击穿放电现象，否则Marx发生器就不能正常工作，而本发明的绝缘支撑结构保证了这些区域的良好绝缘安全。

本实施例已经对发明内容给出了充分的说明，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。附图与实施例所给出的Marx发生器与高电压绝缘支撑结构只是在实际中应用的一种典型方式，这种高电压绝缘支撑结构及其设计方法的应用不限于上述工作参数的同轴型Marx发生器，还可以应用于其它工作参数的同轴型Marx发生器，甚至普通Marx发生器等场合。将多根绝缘材料制成第一支撑横梁，既能够固定机芯部件之间的相对位置，同时也是充电电阻的绝缘外套过，实现了机芯支撑与部件绝缘一体化结构均为本专利的保护范围。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进属于本发明的权利范围。

Claims (10)

1.一种同轴型Marx发生器，包括机芯和外壳，其特征在于：还包括M个第一支撑横梁；所述机芯包括N级电容器组以及N/2个气体开关；N≥2；

N级电容器组沿外壳轴向方向依次设置在外壳内部，每级电容器组中均包括一个支撑环以及S个电容，所述S个电容沿圆周方向均匀嵌装在支撑环内环边缘；S≥2；

M个第一支撑横梁依次穿过每级电容器组中的支撑环，且两端分别固定安装在外壳的两端，并且M个第一支撑横梁沿着圆周方向均匀分布；

其中，M＝N/2+2；M个第一支撑横梁均为中空结构，一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的正电位充电电阻或负电位充电电阻、一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的零电位充电电阻、N/2个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的开关触发电阻；

每个气体开关安装在每两级电容器组之间，从而形成一组击穿单元，每组击穿单元之间串联连接。

2.根据权利要求1所述的同轴型Marx发生器，其特征在于：

还包括内部为实心的T个第二支撑横梁，所述第二支撑横梁安装方式与第一支撑横梁相同；T个第二支撑横梁和M个第一支撑横梁沿着圆周方向均匀分布；T≥1。

3.根据权利要求2所述的同轴型Marx发生器，其特征在于：电容为圆柱体形状，第一支撑横梁和第二支撑横梁均选取硬质的绝缘材料制成。

4.根据权利要求3所述的同轴型Marx发生器，其特征在于：所述绝缘材料采用尼龙或聚乙烯。

5.根据权利要求4所述的同轴型Marx发生器，其特征在于：所述外壳内填充绝缘油或绝缘气体；所述第一支撑横梁和第二支撑横梁的两端均通过螺纹连接的安装方式设置在外壳上。

6.一种同轴型Marx发生器，包括机芯和外壳，其特征在于：还包括M个第一支撑横梁；所述机芯包括N级电容器组以及N/2个气体开关；N≥2；

N级电容器组沿外壳轴向方向依次设置在外壳内部，每级电容器组中均包括一个支撑环以及S个电容，所述S个电容沿圆周方向均匀嵌装在支撑环内环边缘；S≥2；

M个第一支撑横梁依次穿过每级电容器组中的支撑环，且两端分别固定安装在外壳的两端，并且M个第一支撑横梁沿着圆周方向均匀分布；

其中，所述M＝N/2+3；一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的正电位充电电阻、一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的负电位充电电阻、一个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的零电位充电电阻、N/2个第一支撑横梁内部安装N/2个首尾相连的气体开关触发电阻；

每个气体开关安装在每两级电容器组之间，从而形成一组击穿单元，每组击穿单元之间串联连接。

7.根据权利要求6所述的同轴型Marx发生器，其特征在于：

还包括内部为实心的T个第二支撑横梁，所述第二支撑横梁安装方式与第一支撑横梁相同；T个第二支撑横梁和M个第一支撑横梁沿着圆周方向均匀分布；T≥1。

8.根据权利要求7所述的同轴型Marx发生器，其特征在于：电容为圆柱体形状；第一支撑横梁和第二支撑横梁均选取硬质的绝缘材料制成。

9.根据权利要求8所述的同轴型Marx发生器，其特征在于：所述绝缘材料采用尼龙或聚乙烯。

10.根据权利要求9所述的同轴型Marx发生器，其特征在于：所述外壳内填充绝缘油或绝缘气体；所述第一支撑横梁和第二支撑横梁的两端均通过螺纹连接的安装方式设置在外壳上。