CN109698682B - 一种纳秒前沿高压脉冲产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳秒前沿高压脉冲产生装置。其采用电容直接放电的方式产生纳秒前沿高压脉冲，同时附属设备少，结构简单。该装置包括同轴筒体、上盖板、下盖板、储能电容、气体间隙高压电极安装绝缘件(开关电极固定件)、开关电极、充电电缆安装绝缘件、输出电缆安装绝缘件、电容充电电极板、高压导电电极板、输出转接电极、负载电阻、气体间隙充气气嘴(气缸)、腔体充气气嘴以及高压电源；通过降低气体间隙压力或者减小气体间隙大小的两种方式使得气体间隙导通，从而产生一个纳秒前沿高压脉冲。

Description

一种纳秒前沿高压脉冲产生装置
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。虽然采用Marx发生器和脉冲变压器的方式产生的电压可达到兆伏级别，但是当需要利用Marx发生器和脉冲变压器产生快前沿的高压脉冲时，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。
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产生纳秒前沿高压脉冲。
本发明采用的技术方案：
本发明提供了一种纳秒前沿高压脉冲产生装置，包括同轴筒体、上盖板、下盖板、储能电容、气体间隙高压电极安装绝缘件、开关电极、充电电缆安装绝缘件、输出电缆安装绝缘件、电容充电电极板、高压导电电极板、输出转接电极、负载电阻、气体间隙充气气嘴、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；上盖板的中心位置下方安装气体间隙高压电极安装绝缘件，气体间隙高压电极安装绝缘件与上盖板之间形成一个气体间隙腔体；
所述气体间隙腔体中填充有绝缘气体介质；
上盖板的中心位置上方设置有与气体间隙腔体连通的气体间隙充气气嘴；开关电极位于气体间隙内且通过一螺钉固定在气体间隙高压电极安装绝缘件上；
上盖板、下盖板、内筒体、外筒体以及气体间隙高压电极安装绝缘件之间形成一与气体间隙腔体相互隔离的绝缘腔体；腔体充气气嘴安装在上盖板上并与所述绝缘腔体连通；绝缘腔体内填充绝缘气体介质；
下盖板上有插装充电电缆安装绝缘件以及至少一个输出电缆安装绝缘件；
绝缘腔体内放置储能电容，储能电容输出端通过输出转接电极与输出电缆安装绝缘件连接，储能电容输入端通过电容充电电极板与充电电缆安装绝缘件连接；
负载电阻固定于输出转接电极和下盖板之间；
高压导电电极板一端与所述螺钉接触，另一端与储能电容输入端连接；
高压充电电缆安装于充电电缆安装绝缘件内，其一端与电容充电电极板连接，另一端与高压电源连接；
高压输出同轴电缆安装于输出电缆安装绝缘件内，其一端与输出转接电极连接，另一端向外输出高压脉冲。
除了上述通过降低气体间隙腔体的气压的方式产生纳秒前沿高压脉冲，本发明给出了另一种纳秒前沿高压脉冲产生装置，包括同轴筒体、上盖板、下盖板、储能电容、开关电极、开关电极固定件、充电电缆安装绝缘件、输出电缆安装绝缘件、电容充电电极板、高压导电电极板、输出转接电极、负载电阻、气缸、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；
上盖板、下盖板、内筒体、外筒体之间形成一个绝缘腔体；腔体充气气嘴安装在上盖板上并与所述绝缘腔体连通；绝缘腔体内填充绝缘气体介质；
上盖板的中心位置设置一气缸，气缸的缸筒固定于上盖板的上表面，气缸的活塞杆伸入绝缘腔体内；
上盖板的下表面安装开关电极固定件，开关电极通过一螺钉固定在开关电极固定件上，并正对气缸活塞杆的位置；
下盖板上有插装充电电缆安装绝缘件以及至少一个输出电缆安装绝缘件；
绝缘腔体内放置储能电容，储能电容输出端通过输出转接电极与输出电缆安装绝缘件连接，储能电容输入端通过电容充电电极板与充电电缆安装绝缘件连接；
负载电阻固定于输出转接电极和下盖板之间；
高压导电电极板一端与所述螺钉接触，另一端与储能电容输入端连接；
高压充电电缆安装于充电电缆安装绝缘件内，其一端与电容充电电极板连接，另一端与高压电源连接；
高压输出同轴电缆安装于输出电缆安装绝缘件内，其一端与输出转接电极连接，另一端向外输出高压脉冲。
进一步地，为了对高压电源进行保护，上述两种装置中充电电缆安装绝缘件内设有充电限流电阻，所述高压充电电缆通过充电限流电阻与电容充电电极板连接；充电限流电阻采用阻值大于10kΩ的电阻。
进一步地，上述两种装置中的内筒体采用有机玻璃或者尼龙制成，外筒体和上盖板、下盖板采用不锈钢或铝制成。
进一步地，上述绝缘气体介质选用六氟化硫气体或干燥空气等绝缘气体。
进一步地，上述高压电源选用正极性高压直流电源或者负极性高压直流电源，用于为储能电容充电至预设电压。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的装置通过采用电容直接放电、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。
(2)本发明采用气体间隙高压电极安装绝缘件和上盖板配合形成了一个气体间隙腔体，通过降低气体间隙腔体的气压实现气体间隙导通或者采用气缸活塞杆的运动改变气体间隙大小，从而实现气体间隙导通，两种方式结构简单、并且有效的减小放电回路电感。
(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绝缘内筒体，减小腔体体积的同时保证绝缘强度。
附图说明
图1为结构1的剖面图。
图2为结构2的局部剖面图(图2仅示出了结构2相对结构1变化的部分，其余部分与结构1一致)。
附图标记如下：
1-下盖板，2-充电电缆安装绝缘件，3-充电限流电阻，4-绝缘腔体，5-输出电缆安装绝缘件，6-输出转接电极，7-外筒体，8-内筒体，9-储能电容，10-上盖板，11-气体间隙高压电极安装绝缘件，12-开关电极，13-气体间隙充气气嘴，14-气嘴安装盖板，15-腔体充气气嘴，16-高压导电电极板，17-电容充电电极板，18-高压电源，19-高压充电电缆，20-高压输出同轴电缆，21-气体间隙腔体，22-负载电阻，23-同轴筒体，24-螺钉、25-气缸、26-开关电极固定件。
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高压脉冲产生装置，该装置相对现有的Marx发生器和脉冲变压器结构简单、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1
如图1所示，本例中纳秒前沿高压脉冲产生装置，包括同轴筒体23、上盖板10、下盖板1、储能电容9、气体间隙高压电极安装绝缘件11、开关电极12、充电电缆安装绝缘件2、输出电缆安装绝缘件5、电容充电电极板17、高压导电电极板16、输出转接电极6、负载电阻22、气体间隙充气气嘴13、腔体充气气嘴15以及高压电源18；
同轴筒体包括同轴设置的外筒体7和内筒体8；
上盖板10、下盖板1分别安装在外筒体7的上端面和下端面；上盖板10的中心位置下方安装气体间隙高压电极安装绝缘件11，气体间隙高压电极安装绝缘件11与上盖板10之间形成一个气体间隙腔体21，气体间隙腔体21中填充有绝缘气体介质，上盖板10的中心位置上方设置有与气体间隙腔体21连通的气体间隙充气气嘴13(本例中气体间隙充气气嘴13通过一个安装板14设置在上盖板10上)；通过气体间隙充气气嘴13调节气体间隙腔体21的气压，实现气体间隙的导通；开关电极12位于气体间隙腔体21内且通过一螺钉24固定在气体间隙高压电极安装绝缘件11上；
上盖板10、下盖板1、外筒体7以及气体间隙高压电极安装绝缘件11之间形成一绝缘腔体4；上盖板10上还安装有与所述绝缘腔体4连通的腔体充气气嘴15，通过腔体充气气嘴15充气，从而提高储能电容9的充电电压。
下盖板1上有插装充电电缆安装绝缘件2以及输出电缆安装绝缘件5；
绝缘腔体4内放置储能电容9(储能电容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)，储能电容9输出端通过输出转接电极6与输出电缆安装绝缘件5连接，储能电容9输入端通过电容充电电极板17与充电电缆安装绝缘件2连接；
负载电阻22固定于输出转接电极6和下盖板1之间；负载电阻22用于控制高压输出脉冲宽度，当气体间隙腔体21放电时，在负载电阻22上产生一个与储能电容9充电电压极性相反的高压脉冲。负载电阻22采用一定绝缘长度，阻值可变的电阻，电阻功率需满足储能电容放电功率要求，电阻长度需满足电压绝缘要求即可；
高压导电电极板16一端与所述螺钉24接触，另一端与储能电容9输入端连接；
高压充电电缆19安装于充电电缆安装绝缘件2内，其一端与电容充电电极板17连接，另一端与高压电源18连接；
高压输出同轴电缆20安装于输出电缆安装绝缘件5内，其一端与输出转接电极6连接，另一端向外输出高压脉冲。
结构2
基于上述降低气压的方式来进行触发之外，还可通过减小气体间隙距离的方式来对气体间隙进行触发，本发明采用了另外一种结构形式：
该结构形式中，除以下几点外，其余设计与结构1的设计相同：
一、气体间隙高压电极安装绝缘件11通过一个开关电极固定件26代替，无需一个与绝缘腔体4相互隔离的气体间隙腔体21，开关电极12直接处于绝缘腔体4内，
二、气体间隙充气气嘴13被气缸25代替；
三、气体间隙放电通过气缸25的活塞杆与开关电极12之间的间隙变化产生。
该变化中各零件具体连接关系如图2所示：
上盖板10的中心位置设置一气缸25，气缸25的缸筒固定于上盖板10的上表面，气缸25活塞杆伸入绝缘腔体4内；
上盖板10的下表面安装开关电极固定件26，开关电极12通过一螺钉24固定在开关电极固定件26上，并正对气缸25活塞杆的位置；
上述两种结构形式均包括以下相同的优化设计：
1、充电电缆安装绝缘件2内设有充电限流电阻3，高压充电电缆19通过充电限流电阻3与电容充电电极板17连接。充电限流电阻3采用一定绝缘长度、阻值大于10kΩ的电阻，限制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，输出电缆安装绝缘件5的个数为1至3个。
3、通过调整内筒体8来减小腔体体积，同时保证绝缘强度。绝缘内筒体8采用有机玻璃或者尼龙制成。
本例中的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、将绝缘腔体4和气体间隙腔体21充绝缘气体介质(六氟化硫气体或干燥空气等)至一定气压，该气压能保证储能电容9充电到预设电压时气体间隙不发生自击穿。2、高压电源18通过高压充电电缆19给储能电容9充电至预设电压。
放电过程：1、通过气体间隙充气气嘴13降低气体间隙腔体21的气压，使得气体间隙导通。2、如果是气缸14，则通过控制气缸25活塞杆的伸出长度来减小气体间隙距离，使得气体间隙导通。3、气体间隙导通的同时，在负载电阻22上产生一个高压脉冲，通过高压输出同轴电缆20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 (10)

1.一种纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：
包括同轴筒体、上盖板、下盖板、储能电容、气体间隙高压电极安装绝缘件、开关电极、充电电缆安装绝缘件、输出电缆安装绝缘件、电容充电电极板、高压导电电极板、输出转接电极、负载电阻、气体间隙充气气嘴、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；上盖板的中心位置下方安装气体间隙高压电极安装绝缘件，气体间隙高压电极安装绝缘件与上盖板之间形成一个气体间隙腔体；
所述气体间隙腔体中填充有绝缘气体介质；
上盖板的中心位置上方设置有与气体间隙腔体连通的气体间隙充气气嘴；开关电极位于气体间隙内且通过一螺钉固定在气体间隙高压电极安装绝缘件上；
上盖板、下盖板、内筒体、外筒体以及气体间隙高压电极安装绝缘件之间形成一与气体间隙腔体相互隔离的绝缘腔体；腔体充气气嘴安装在上盖板上并与所述绝缘腔体连通；绝缘腔体内填充绝缘气体介质；
下盖板上有插装充电电缆安装绝缘件以及至少一个输出电缆安装绝缘件；
绝缘腔体内放置储能电容，储能电容输出端通过输出转接电极与输出电缆安装绝缘件连接，储能电容输入端通过电容充电电极板与充电电缆安装绝缘件连接；
负载电阻固定于输出转接电极和下盖板之间，用于在气体间隙腔体放电时，产生一个与储能电容充电电压极性相反的高压脉冲；
高压导电电极板一端与所述螺钉接触，另一端与储能电容输入端连接；
高压充电电缆安装于充电电缆安装绝缘件内，其一端与电容充电电极板连接，另一端与高压电源连接；
高压输出同轴电缆安装于输出电缆安装绝缘件内，其一端与输出转接电极连接，另一端向外输出高压脉冲。
2.根据权利要求1所述的纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：所述充电电缆安装绝缘件内设有充电限流电阻，所述高压充电电缆通过充电限流电阻与电容充电电极板连接；充电限流电阻采用阻值大于10kΩ的电阻。
3.根据权利要求2所述的纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：所述内筒体采用有机玻璃或者尼龙制成，外筒体和上盖板、下盖板采用不锈钢或铝制成。
4.根据权利要求3所述的纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：绝缘气体介质选用六氟化硫气体或干燥空气。
5.根据权利要求4所述的纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：高压电源选用正极性高压直流电源或者负极性高压直流电源，用于为储能电容充电至预设电压。
6.一种纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：
包括同轴筒体、上盖板、下盖板、储能电容、开关电极、开关电极固定件、充电电缆安装绝缘件、输出电缆安装绝缘件、电容充电电极板、高压导电电极板、输出转接电极、负载电阻、气缸、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；
上盖板、下盖板、内筒体、外筒体之间形成一个绝缘腔体；腔体充气气嘴安装在上盖板上并与所述绝缘腔体连通；绝缘腔体内填充绝缘气体介质；
上盖板的中心位置设置一气缸，气缸的缸筒固定于上盖板的上表面，气缸的活塞杆伸入绝缘腔体内；
上盖板的下表面安装开关电极固定件，开关电极通过一螺钉固定在开关电极固定件上，并正对气缸活塞杆的位置；
下盖板上有插装充电电缆安装绝缘件以及至少一个输出电缆安装绝缘件；
绝缘腔体内放置储能电容，储能电容输出端通过输出转接电极与输出电缆安装绝缘件连接，储能电容输入端通过电容充电电极板与充电电缆安装绝缘件连接；
负载电阻固定于输出转接电极和下盖板之间，用于在气体间隙腔体放电时，产生一个与储能电容充电电压极性相反的高压脉冲；
高压导电电极板一端与所述螺钉接触，另一端与储能电容输入端连接；
高压充电电缆安装于充电电缆安装绝缘件内，其一端与电容充电电极板连接，另一端与高压电源连接；
高压输出同轴电缆安装于输出电缆安装绝缘件内，其一端与输出转接电极连接，另一端向外输出高压脉冲。
7.根据权利要求6所述的纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：所述充电电缆安装绝缘件内设有充电限流电阻，所述高压充电电缆通过充电限流电阻与电容充电电极板连接；充电限流电阻采用阻值大于10kΩ的电阻。
8.根据权利要求7所述的纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：所述内筒体采用有机玻璃或者尼龙制成，外筒体和上盖板、下盖板采用不锈钢或铝制成。
9.根据权利要求8所述的纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：绝缘气体介质选用六氟化硫气体或干燥空气。
10.根据权利要求9所述的纳秒前沿高压脉冲产生装置，其特征在于：高压电源选用正极性高压直流电源或者负极性高压直流电源，用于为储能电容充电至预设电压。
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