CN109787590B - 基于气体密闭环境的纳秒复合冲击波发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于气体密闭环境的纳秒复合冲击波发生装置，包括包括上绝缘法兰、下金属法兰、绝缘管组成的气压高于或等于标准大气压的气体密闭腔体，将储能电容、放电开关、各形形成电阻均安装在气体密闭环境中，一方面使得各元件具有良好的绝缘耐压特性，另一方面，可以进一步减少放电开关的间隙距离，由于放电在同一个密闭气体环境中，纳秒发生回路中的各元件可以紧凑安装缩短连线，进一步缩短由于连线而造成的回路总电感量的增加，可以使得回路连线电感减少，从而有利于纳秒复合冲击波的产生。

Description

基于气体密闭环境的纳秒复合冲击波发生装置

技术领域

本发明属于纳秒脉冲电流的发生装置，特别涉及一种基于气体密闭环境的纳秒复合冲击波发生装置。

背景技术

随着脉冲电流技术的发展，具有纳秒上升时间、微秒长持续时间的脉冲电流成为研究的热点。美国和俄罗斯在该领域的研究处于先进水平。美国著名的脉冲技术实验室有国家Lawrence Livermore实验室、Sandia国实验室、Maxwell实验室、Los Alamos实验室、海军武器研究中心、Texas大学等。1967年美国建成Hermes-I脉冲装置；1972年美国建成Aurora装置，该脉冲实验设备由4台Marx发生器组成，在发展史上具有重要意义。俄罗斯著名的脉冲技术实验室有库尔恰托夫研究所、新西伯利亚核物理所、托姆斯科大电流电子学研究所、电物理装备所、列别捷夫所等。1985年俄罗斯研制成功AHrapa-5等脉冲发生装置。

我国从20世纪70年代开始脉冲电流技术的研究。我国有众多科研机构从事该领域的研究，著名的科研机构有中科院等离子体物理研究所、中科院高能物理研究所、中科院电工技术研究所、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、西北核技术研究等。

脉冲电流波持续时间一般为纳秒至微秒级别。发生在大气层中雷电现象给人类的生活带来很大影响，雷电防护中后续短时间雷击的电流波，其峰值时间近似值为T₁≈250ns，波尾持续时间较长，该波形具有上升时间短、持续时间较长的等特点。电磁环境试验方法中的短脉冲复合冲击波，其电压和电流冲击波的峰值时间为100ns，半峰值时间大约为2.5μs。

纳秒冲击波一般由RLC二阶电路产生，回路电感是影响脉冲电流上升时间和回路效率的至关重要的因素，RLC二阶电路的总电感包含储能电容C的剩余电感、波形形成电阻的剩余电感、放电开关的剩余电感以及回路连线电感等，再加上复合冲击波不但对电压和电流的波形参数有要求，同时对电压峰值与电流峰值的比值也提出了一定的要求，如何减少冲击波发生回路的等效电感是纳秒复合冲击波产生的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气体密闭环境的纳秒复合冲击波发生装置，减少回路总电感量，高效产生纳秒复合冲击波。

为实现上述目的本发明采用如下方案：

基于气体密闭环境的纳秒复合冲击波发生装置，包括上绝缘法兰、下金属法兰、绝缘管组成的气压高于或等于标准大气压的气体密闭腔体，在气体密闭腔体内安装有储能电容、放电开关、第一波形形成电阻、第二波形形成电阻和第三波形形成电阻；储能电容高压端通过第一绝缘套管与直流高压充电端电气连接，直流高压充电电源的低压端与下金属法兰相连并接参考地；储能电容低压端与下金属法兰相连；储能电容高压端与放电开关一端相连，放电开关另一端与第一波形形成电阻上端相连，第一波形形成电阻下端分别与第二波形形成电阻、第三波形形成电阻上端电气连接，第二波形形成电阻下端与下金属法兰相连；第二波形形成电阻上端还通过第三绝缘套管引出纳秒复合冲击波发生装置的开路电流输出端电流输出端，第三波形形成电阻下端通过第二绝缘套管引出纳秒复合冲击波发生装置的电流输出端。

进一步，所述储能电容的安装支路与第一波形形成电阻和第二波形形成电阻的连接支路平行设置且二者尽可能靠近安装，在纳秒冲击放电时，两支路中流经的电流大小相等、方向相反。

进一步，所述储能电容和放电开关的连接支路与第一波形形成电阻和第二波形形成电阻的连接支路平行设置且二者尽可能靠近安装，在纳秒冲击放电时，两支路中流经的电流大小相等、方向相反。

进一步，所述放电开关为具有沿面闪络触发结构形式，放电开关采用平板电极，包括上电极、下电极和触发电极，触发电极同轴安装在下电极中、且通过绝缘隔离介质电气隔离，放电开关通过上导流杆、下导流杆分别与第一波形形成电阻上端、储能电容高压端相连。

进一步，所述放电开关平板电极边缘为具有一定曲率半径的圆角。

进一步，所述气体密闭腔体气压为1×10⁵Pa至5×10⁵Pa。

本发明基于气体密闭环境的纳秒复合冲击波发生装置，包括上绝缘法兰、下金属法兰、绝缘管组成的气压高于或等于标准大气压的气体密闭腔体，将储能电容、放电开关、各形形成电阻均安装在气体密闭环境中，一方面使得各元件具有良好的绝缘耐压特性，另一方面，可以进一步减少放电开关的间隙距离，由于放电在同一个密闭气体环境中，纳秒发生回路中的各元件可以紧凑安装缩短连线，进一步缩短由于连线而造成的回路总电感量的增加，可以使得回路连线电感减少，从而有利于纳秒复合冲击波的产生。

进一步，储能电容的安装支路与第一波形形成电阻和第二波形形成电阻的连接支路平行设置且二者尽可能靠近安装，或者储能电容的安装支路与第一波形形成电阻和第二波形形成电阻的连接支路平行设置且二者尽可能靠近安装，在纳秒冲击放电时，两支路中流经的电流大小相等、方向相反，使得两支路之间的互感作用加强，几乎抵消了两支路自身的自感作用，从而使复合冲击回路的总剩余电感量最小。

进一步，放电开关采用具有沿面闪络触发结构形式，电极采用平板电极且边缘皆为具有一定曲率半径的圆角，使得放电开关两端具有均匀的电场，在一定耐受电压的条件下，纳秒脉冲电流流经开关电极的路径最短，剩余电感量最小。

附图说明

图1是本发明纳秒复合冲击波RLC发生回路原理图

图2是本发明纳秒复合冲击波发生装置结构示意图

图3是本发明纳秒复合冲击波发生装置第二个实施例结构示意图

图4是本发明放电开关的结构示意图

图中：1-上绝缘法兰、2-下金属法兰、3-绝缘管、4-储能电容、5-放电开关、6-第一波形形成电阻、7-第二波形形成电阻、8-第三波形形成电阻、9-第一绝缘套管、10-第二绝缘套管、11-第三绝缘套管、12-直流高压充电端、13-开路电流输出端、14-电流输出端、RL负载、LC-储能电容低压端、HC-储能电容高压端、E1-上电极、E2-下电极、TE-触发电极、ID-绝缘隔离介质、S1-上导流杆、S2-下导流杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图1，本发明的纳秒复合冲击波发生回路的原理图。其中包括储能电容4、放电开关5、电感L、第一波形形成电阻6、第二波形形成电阻7、第三波形形成电阻8和负载RL。下面以雷电流系统电磁环境效应试验方法中的短脉冲复合冲击波为例，来说明回路参数的选取方法。

短脉冲复合冲击波满足以下表达式为：

i(t)＝I_p(-αe^-αt+βe^-βt)，其中：α＝11354s^-1，β＝647265s^-1

由此计算得到：脉冲复合冲击波为RC的衰减时间函数，但在实际中，上升时间为零的冲击波是无法实现的，因为发生回路自身的电感、连线电感都是客观存在在，因此，在标准中规定了短脉冲复合冲击波的峰值时间为100ns，波形底宽时间为6.4μs。但随着回路电感量的增加，纳秒复合冲击波的上升过程会变缓，因此，如何减少复合冲击波发生回路的剩余电感量，是纳秒复合冲击波发生的关键。

参见图1，当负载呈现高阻抗时，纳秒复合冲击波发生装置在负载两端输出纳秒冲击电压波，当负载呈现低阻状态时，纳秒复合冲击波发生装置流经负载两端的电流为纳秒冲击电流波。

参见图2和图3，本发明纳秒复合冲击波发生装置，包括由上绝缘法兰1、下金属法兰2、绝缘管3组成的气压为1×10⁵Pa至5×10⁵Pa的气体密闭腔体，在气体密闭腔体内安装有储能电容4、放电开关5、第一波形形成电阻6、第二波形形成电阻7和第三波形形成电阻8；储能电容高压端HC通过第一绝缘套管9与直流高压充电端12电气连接，直流高压充电电源的低压端与与下金属法兰2相连并接参考地；储能电容低压端LC与下金属法兰2相连；储能电容高压端HC与放电开关5的左端相连，放电开关5的右端与第一波形形成电阻6的上端相连，第一波形形成电阻6的下端分别与第二波形形成电阻7、第三波形形成电阻8的上端电气连接，第二波形形成电阻7的下端与下金属法兰2相连；第二波形形成电阻7的上端通过第三绝缘套管11引出纳秒复合冲击波发生装置的开路电流输出端13，第三波形形成电阻8的下端通过第二绝缘套管10引出纳秒复合冲击波发生装置的电流输出端14。

参见图4，本发明的放电开关5采用沿面触发、平板电极的结构形式，包括上电极E1、下电极E2和触发电极TE，触发电极TE同轴安装在下电极E2中，且通过绝缘隔离介质ID电气隔离，放电开关5通过上导流杆S1、下导流杆S2分别与第一波形形成电阻6上端、储能电容高压端HC相连；为了减少充电过程中的电晕放电现象，放电开关5的平板电极边缘皆为具有一定曲率半径的圆角结构，使得放电开关两端具有均匀的电场，且由于平板电极的轴向距离较圆球状电极的放电路径短得多，因而使得纳秒冲击流经开关电极的路径最短，即放电开关5的等效电感量最小。

参见图2，所述的储能电容4与第一波形形成电阻6和第二波形形成电阻7支路平行且尽可能靠近安装。参见图3，或者储能电容4、放电开关5放电支路与第一波形形成电阻6和第二波形形成电阻7支路平行且尽可能靠近安装；如此设置在纳秒冲击放电时，两支路中流经的电流大小相等、方向相反，使得两支路之间的互感作用加强，几乎抵消了两支路自身的自感作用，从而使复合冲击回路的总剩余电感量最小。

本发明将储能电容4、放电开关5、第一波形形成电阻6、第二波形形成电阻7和第三波形形成电阻8均安装在具有密闭气体环境中，一方面使得各元件具有良好的绝缘耐压特性，另一方面，纳秒发生回路中的各元件可以紧凑安装，进一步缩短由于连线而造成的回路总电感量的增加，从而有利于纳秒复合冲击波的产生。

最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于气体密闭环境的纳秒复合冲击波发生装置，其特征在于：包括上绝缘法兰(1)、下金属法兰(2)、绝缘管(3)组成的气压高于或等于标准大气压的气体密闭腔体，在气体密闭腔体内安装有储能电容(4)、放电开关(5)、第一波形形成电阻(6)、第二波形形成电阻(7)和第三波形形成电阻(8)；储能电容高压端(HC)通过第一绝缘套管(9)与直流高压充电端(12)电气连接，直流高压充电电源的低压端与下金属法兰(2)相连并接参考地；储能电容低压端(LC)与下金属法兰(2)相连；储能电容高压端(HC)与放电开关(5)一端相连，放电开关(5)另一端与第一波形形成电阻(6)上端相连，第一波形形成电阻(6)下端分别与第二波形形成电阻(7)、第三波形形成电阻(8)上端电气连接，第二波形形成电阻(7)下端与下金属法兰(2)相连；第二波形形成电阻(7)上端还通过第三绝缘套管(11)引出纳秒复合冲击波发生装置的开路电流输出端(13)电流输出端，第三波形形成电阻(8)下端通过第二绝缘套管(10)引出纳秒复合冲击波发生装置的电流输出端(14)；

所述储能电容(4)的安装支路与第一波形形成电阻(6)和第二波形形成电阻(7)的连接支路平行设置且二者尽可能靠近安装，在纳秒冲击放电时，两支路中流经的电流大小相等、方向相反；

或者所述储能电容(4)和放电开关(5)的连接支路与第一波形形成电阻(6)和第二波形形成电阻(7)的连接支路平行设置且二者尽可能靠近安装，在纳秒冲击放电时，两支路中流经的电流大小相等、方向相反。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述放电开关(5)为具有沿面闪络触发结构形式，放电开关(5)采用平板电极，包括上电极(E1)、下电极(E2)和触发电极(TE)，触发电极(TE)同轴安装在下电极(E2)中、且通过绝缘隔离介质(ID)电气隔离，放电开关(5)通过上导流杆(S1)、下导流杆(S2)分别与第一波形形成电阻(6)上端、储能电容高压端(HC)相连。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述放电开关(5)平板电极边缘为具有一定曲率半径的圆角。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述气体密闭腔体气压为1×10⁵Pa至5×10⁵Pa。

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