CN109672358B - 一种纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置。该装置采用电容直接放电的方式可以产生纳秒前沿双极性高压脉冲，附属设备少，结构简单，且双极性高压脉冲的同步时延为纳秒级。该装置主要包括绝缘腔室、安装在绝缘腔室内的正极性储能电容、负极性储能电容、用于对三电极开关内进行充放气的三电极开关充气气嘴、用于对绝缘腔室充气的腔体充气气嘴；通过降低三电极开关的气压，使得气体间隙导通，从而分别产生一个负极性高压脉冲和正极性高压脉冲。

Description

一种纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置
技术领域
本发明涉及一种脉冲产生装置，具体涉及一种纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置。
背景技术
快前沿高压脉冲可用于直接驱动负载，也可作为输出更高电压脉冲功率系统的触发器。在新兴技术产业(环境保护、辐射消毒、辐射刻蚀)和高新技术武器(强脉冲激光、高功率微波、电磁脉冲武器)等方面发挥着日益重要的作用。
为了获得双极性高压脉冲，目前现有的方式是采用Marx发生器和脉冲变压器的方式产生。采用脉冲变压器的方式产生可以产生双极性高压脉冲，但是需要的大量的附属设备才能实现，使得整个结构复杂，成本增加。利用Marx发生器产生快前沿双极性高压脉冲时，同步时延很长(至少为百纳秒以上，抖动也在十几纳秒以上)，无法实现同步获取。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种附属设备少，结构简单的纳秒前沿高压脉冲产生装置，其采用电容直接放电的方式可以产生纳秒前沿双极性高压脉冲，且双极性高压脉冲的同步时延小于5纳秒。
本发明采用的技术方案：
本发明提供了一种纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，包括同轴筒体、上盖板、下盖板、正极性储能电容、正极性电压充电转接板、正极性充电电缆安装绝缘件、开关与正极性充电储能电容连接件、三电极开关、开关与负极性充电储能电容连接件、负极性储能电容、负极性电压充电转接板、负极性充电电缆安装绝缘件、负极性输出转接板、负极性输出电缆安装绝缘件、正极性输出电缆安装绝缘件、正极性输出转接板、正极性充电电缆、负极性输出同轴电缆、正极性输出同轴电缆、负极性充电电缆、负极性输出负载电阻、正极性输出负载电阻、三电极开关充气气嘴、腔体充气气嘴以及高压电源；
同轴筒体包括同轴设置的外筒体和内筒体；
上盖板、下盖板分别安装在外筒体的上端面和下端面，从而形成一个绝缘腔室；
正极性储能电容、负极性储能电容以及三电极开关均位于绝缘腔室内；
下盖板上插装正极性充电电缆安装绝缘件、负极性输出电缆安装绝缘件、正极性输出电缆安装绝缘件以及负极性充电电缆安装绝缘件；
正极性电压充电转接板一端与正极性储能电容输入端连接，另一端与正极性充电电缆安装绝缘件连接；
负极性电压充电转接板一端与负极性储能电容输入端连接，另一端与负极性充电电缆安装绝缘件连接；
负极性输出转接板一端与正极性储能电容输出端连接，另一端与负极性输出电缆安装绝缘件连接；
正极性输出转接板一端与负极性储能电容输出端连接，另一端与正极性输出电缆安装绝缘件连接；
三电极开关正电极通过开关与正极性充电储能电容连接件与正极性储能电容输入端连接，三电极开关负电极通过开关与负极性充电储能电容连接件与负极性储能电容输入端连接，三电极开关充气气嘴位于上盖板上，通过气管与三电极开关连通，通过三电极开关充气气嘴充放气控制三电极开关的气压；
负极性输出负载电阻固定于负极性输出转接板与下盖板之间，正极性输出负载电阻固定于正极性输出转接板与下盖板之间；
正极性充电电缆安装于正极性充电电缆安装绝缘件内，其一端与正极性电压充电转接板连接，另一端与高压电源连接；
负极性充电电缆安装于负极性充电电缆安装绝缘件内，其一端与负极性电压充电转接板连接，另一端与高压电源连接；
正极性输出同轴电缆安装于正极性输出电缆安装绝缘件内，其一端与正极性输出转接板连接，另一端向外输出正极性高压脉冲；
负极性输出同轴电缆安装于负极性输出电缆安装绝缘件内，其一端与负极性输出转接板连接，另一端向外输出负极性高压脉冲；
腔体充气气嘴设置在上盖板上且与所述绝缘腔室连通用于向绝缘腔室内填充绝缘气体介质。
进一步地，为了对高压电源进行保护，所述正极性充电电缆安装绝缘件和负极性充电电缆安装绝缘件内均设有充电限流电阻，所述正极性充电电缆通过充电限流电阻与正极性电压充电转接板连接；所述负极性充电电缆通过充电限流电阻与负极性电压充电转接板连接。
进一步地，根据同步输出高压脉冲个数需求，所述正极性输出电缆安装绝缘件和负极性输出电缆安装绝缘件的均个数为1至3个。
进一步地，上述内筒体采用有机玻璃或者尼龙制成。
进一步地，充电限流电阻采用阻值大于10kΩ的电阻。
进一步地，绝缘气体介质选用六氟化硫或干燥空气等绝缘气体。
进一步地，高压电源选用同时输出正负极性高压的直流电源，用于为正、负极性储能电容充电至预设电压。
进一步地，上述外筒体和上盖板、下盖板采用不锈钢或铝制成。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的装置通过采用正负电容直接放电、高压同轴电缆输出、同轴筒体、气体绝缘等技术设计出一个结构简单、无需太多附属设备就能解决双极性高电压与快前沿之间相互制约的技术难题，可产生十几纳秒前沿、幅值从几kV到200kV的高压脉冲，同时两个储能电容同时充电至幅值相同，极性相反的高压，且输出的高压脉冲同步时延小于5纳秒。
(2)本发明采用三电极开关作为放电间隙，简化了安装结构、有效减小放电回路电感。
(3)本发明的用输出电缆采用高压同轴电缆作为输出脉冲形成线，保证高压脉冲不因线缆长距离传输而损失前沿；
(4)本发明的绝缘腔体内置内筒体，减小腔体体积的同时保证绝缘强度。
附图说明
图1是本发明实施例的结构剖面图。
附图标记如下：
1-正极性储能电容，2-正极性电压充电转接板，3-外筒体，4-内筒体，5-正极性充电电缆安装绝缘件，6-下盖板，7-负极性输出电缆安装绝缘件，8-正极性输出电缆安装绝缘件，9-负极性充电电缆安装绝缘件，10-负极性电压充电转接板，11-负极性储能电容，12-上盖板，13-开关与负极性充电储能电容连接件，14-三电极开关，15-三电极开关充气气嘴，16-开关与正极性充电储能电容连接件，17-腔体充气气嘴，18-负极性输出转接板，19-正极性输出转接板，20-高压电源，21-正极性充电电缆，22-负极性输出同轴电缆，23-正极性输出同轴电缆，24-负极性充电电缆，25-充电限流电阻，26-负极性输出负载电阻，27-正极性输出负载电阻、28-同轴筒体，29-绝缘腔室。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。
本发明提供了一种纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，该装置相对现有的Marx发生器能够产生几乎能够同步输出的双极性高压脉冲，相对于现有的脉冲变压器其结构简单、无需太多附属设备就能解决高电压与快前沿之间相互制约的技术难题，可产生十几纳秒前沿、幅值从几kV到200kV的高压脉冲。
结构
如图1所示，本例中纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，包括同轴筒体28、上盖板12、下盖板6、正极性储能电容1、正极性电压充电转接板2、正极性充电电缆安装绝缘件5、开关与正极性充电储能电容连接件16、三电极开关14、开关与负极性充电储能电容连接件13、负极性储能电容11、负极性电压充电转接板10、负极性充电电缆安装绝缘件9、负极性输出转接板18、负极性输出电缆安装绝缘件7、正极性输出电缆安装绝缘件8、正极性输出转接板19、正极性充电电缆21、负极性输出同轴电缆22、正极性输出同轴电缆23、负极性充电电缆24、负载电阻26、三电极开关充气气嘴15、腔体充气气嘴17以及高压电源20；
高压电源20选用同时输出正负极性高压的直流电源，用于为正、负极性储能电容充电至预设电压；
上盖板12、下盖板6分别安装在外筒体3的上端面和下端面，从而形成一个绝缘腔室29；
正极性储能电容1、负极性储能电容11以及三电极开关14均位于绝缘腔室29内；正极性储能电容1、负极性储能电容11采用高压低电感脉冲电容器，容量与输出脉冲宽度有关，耐压水平取决于高压脉冲电压幅值要求。
下盖板6上插装正极性充电电缆安装绝缘件5、负极性输出电缆安装绝缘件7、正极性输出电缆安装绝缘件8以及负极性充电电缆安装绝缘件9；
正极性电压充电转接板2一端与正极性储能电容1输入端连接，另一端与正极性充电电缆安装绝缘件5连接；
负极性电压充电转接板10一端与负极性储能电容11输入端连接，另一端与负极性充电电缆安装绝缘件9连接；
负极性输出转接板18一端与正极性储能电容1输出端连接，另一端与负极性输出电缆安装绝缘件7连接；
正极性输出转接板19一端与负极性储能电容11输出端连接，另一端与正极性输出电缆安装绝缘件8连接；
三电极开关14正电极通过开关与正极性充电储能电容连接件16与正极性储能电容1输入端连接，三电极开关14负电极通过开关与负极性充电储能电容连接件13与负极性储能电容11输入端连接，触发电极位于正电极和负电极之间的中间位置，且三电极开关14与三电极开关充气气嘴15通过气管连通；利用三电极气体开关14作为放电间隙，采用降低气压的控制方式实现放电间隙导通；三电极开关充气气嘴15通过气管与外部气源相连，通过调节三电极开关14内的气压，控制其放电导通。
负极性输出负载电阻26固定于负极性输出转接板18与下盖板6之间，正极性输出负载电阻27固定于正极性输出转接板19与下盖板6之间；
负极性输出负载电阻26和正极性输出负载电阻27均用于控制高压输出脉冲宽度，三电极开关14放电时，在负极性输出负载电阻26和正极性输出负载电阻27上分别产生与其对应的负极性储能电容11以及正极性储能电容1充电电压极性相反的快前沿高压脉冲。
正极性充电电缆21安装于正极性充电电缆安装绝缘件5内，其一端与正极性电压充电转接板2连接，另一端与高压电源20连接；
负极性充电电缆24安装于负极性充电电缆安装绝缘件9内，其一端与负极性电压充电转接板10连接，另一端与高压电源20连接；
正极性输出同轴电缆23安装于正极性输出电缆安装绝缘件8内，其一端与正极性输出转接板19连接，另一端向外输出正极性高压脉冲；
负极性输出同轴电缆22安装于负极性输出电缆安装绝缘件7内，其一端与负极性输出转接板18连接，另一端向外输出负极性高压脉冲；
腔体充气气嘴17设置在上盖板12上且与所述绝缘腔室29连通用于向绝缘腔室29内填充绝缘气体介质，从而提高正极性储能电容1和负极性储能电容11的充电电压。
基于该结构，本例还提供一些优化设计：
1、正极性充电电缆安装绝缘件5和负极性充电电缆安装绝缘件9内均设有充电限流电阻25，正极性充电电缆21通过充电限流电阻25与正极性电压充电转接板2连接；负极性充电电缆24通过充电限流电阻25与负极性电压充电转接板10连接；充电限流电阻25采用一定绝缘长度、阻值大于10kΩ的电阻，限制正极性储能电容、负极性储能电容的充电电流，同时对对高压电源进行保护。
2、根据同步输出高压脉冲个数需求，正极性输出电缆安装绝缘件8以及负极性输出电缆安装绝缘件7的个数均可设置为1至3个。
3、同轴筒体包括同轴设置的外筒体3和内筒体4，通过调整内筒体4来减小腔体体积，同时保证绝缘强度。内筒体4采用有机玻璃或者尼龙制成。
本例中的纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置需放置在一个工装平台，工装平台起到支撑作用，工装平台本身可固定也可移动。
工作原理
充电过程：
1、分别通过腔体充气气嘴17、三电极开关充气气嘴向绝缘腔体4、三电极开关14内充绝缘气体介质(六氟化硫气体或干燥空气等)至一定气压，该气压能保证正极性储能电容1和负极性储能电容充电到预设电压时三电极开关14不发生自击穿。
2、高压电源20通过正极性充电电缆21和负极性充电电缆24分别给正极性储能电容1和负极性储能电容11充电至预设电压。
放电过程：
1、通过三电极开关充气气嘴15放气降低三电极开关14内的气压，使得气体间隙导通。
2、气体间隙导通的同时，在负极性输出负载电阻26和正极性输出负载电阻27上产生分别产生一个负极性高压脉冲和正极性高压脉冲，通负极性输出同轴电缆22和正极性输出同轴电缆23向外输出高压脉冲。
本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各结构的具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进都属于本发明的权利范围。

Claims (8)

1.一种纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，其特征在于：
包括同轴筒体、上盖板、下盖板、正极性储能电容、正极性电压充电转接板、正极性充电电缆安装绝缘件、开关与正极性充电储能电容连接件、三电极开关、开关与负极性充电储能电容连接件、负极性储能电容、负极性电压充电转接板、负极性充电电缆安装绝缘件、负极性输出转接板、负极性输出电缆安装绝缘件、正极性输出电缆安装绝缘件、正极性输出转接板、正极性充电电缆、负极性输出同轴电缆、正极性输出同轴电缆、负极性充电电缆、负极性输出负载电阻、正极性输出负载电阻、三电极开关充气气嘴、腔体充气气嘴以及高压电源；
同轴筒体包括同轴设置的外筒体和内筒体；
上盖板、下盖板分别安装在外筒体的上端面和下端面，从而形成一个绝缘腔室；
正极性储能电容、负极性储能电容以及三电极开关均位于绝缘腔室内；
下盖板上插装正极性充电电缆安装绝缘件、负极性输出电缆安装绝缘件、正极性输出电缆安装绝缘件以及负极性充电电缆安装绝缘件；
正极性电压充电转接板一端与正极性储能电容输入端连接，另一端与正极性充电电缆安装绝缘件连接；
负极性电压充电转接板一端与负极性储能电容输入端连接，另一端与负极性充电电缆安装绝缘件连接；
负极性输出转接板一端与正极性储能电容输出端连接，另一端与负极性输出电缆安装绝缘件连接；
正极性输出转接板一端与负极性储能电容输出端连接，另一端与正极性输出电缆安装绝缘件连接；
三电极开关正电极通过开关与正极性充电储能电容连接件与正极性储能电容输入端连接，三电极开关负电极通过开关与负极性充电储能电容连接件与负极性储能电容输入端连接，三电极开关充气气嘴位于上盖板上，通过气管与三电极开关连通，通过三电极开关充气气嘴充放气控制三电极开关的气压；
负极性输出负载电阻固定于负极性输出转接板与下盖板之间，正极性输出负载电阻固定于正极性输出转接板与下盖板之间；
正极性充电电缆安装于正极性充电电缆安装绝缘件内，其一端与正极性电压充电转接板连接，另一端与高压电源连接；
负极性充电电缆安装于负极性充电电缆安装绝缘件内，其一端与负极性电压充电转接板连接，另一端与高压电源连接；
正极性输出同轴电缆安装于正极性输出电缆安装绝缘件内，其一端与正极性输出转接板连接，另一端向外输出正极性高压脉冲；
负极性输出同轴电缆安装于负极性输出电缆安装绝缘件内，其一端与负极性输出转接板连接，另一端向外输出负极性高压脉冲；
腔体充气气嘴设置在上盖板上且与所述绝缘腔室连通用于向绝缘腔室内填充绝缘气体介质。
2.根据权利要求1所述的纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，其特征在于：所述正极性充电电缆安装绝缘件和负极性充电电缆安装绝缘件内均设有充电限流电阻，所述正极性充电电缆通过充电限流电阻与正极性电压充电转接板连接；所述负极性充电电缆通过充电限流电阻与负极性电压充电转接板连接。
3.根据权利要求2所述的纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，其特征在于：所述正极性输出电缆安装绝缘件和负极性输出电缆安装绝缘件的均个数为1至3个。
4.根据权利要求3所述的纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，其特征在于：所述内筒体采用有机玻璃或者尼龙制成。
5.根据权利要求4所述的纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，其特征在于：所述充电限流电阻采用阻值大于10kΩ的电阻。
6.根据权利要求5所述的纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，其特征在于：所述绝缘气体介质选用六氟化硫气体或干燥空气。
7.根据权利要求6所述的纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，其特征在于：所述高压电源选用同时输出正负极性高压的直流电源，用于为正、负极性储能电容充电至预设电压。
8.根据权利要求7所述的纳秒前沿双极性高压脉冲产生装置，其特征在于：所述外筒体和上盖板、下盖板采用不锈钢或铝制成。
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