CN1110137C - 多功能电磁脉冲模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种三源汇聚的多功能电磁脉冲模拟器，由初级电源高压脉冲电容器C、三电极开关S₁、爆炸导体断路开关S_OP、锐化开关S₂、照射器C_R和匹配电阻器R构成，它一次产生的电磁脉冲具有雷电、核电和其它电磁脉冲的性质，可用它模拟这些电磁脉冲源对电子、电器系统的危害程度，以寻求防护和加固方法。本发明利用电感器L的储能、升压和产生近区感应场的三种作用，并使用了简单的爆炸导体断路开关S_OP，以及利用了各开关放电产生的电磁脉冲，从而用简单的方法和低造价就能在一次放电中获得宽频谱、高场强的电磁脉冲。

Description

多功能电磁脉冲模拟器

技术领域

本发明涉及一种用于模拟多类横向联合电磁波的电磁脉冲的模拟器。

背景技术

在目前现有的电磁脉冲模拟器技术中，模拟器所用的脉冲高压电源系统，主要是使用常规的麻克斯(Marx)发生器，有时也用范·德·格拉夫发电机、L-C倍压器、脉冲变压器和层叠线倍压器等。而模拟器所用的电磁脉冲照射器有两种型式，一种是有界波型，它把电磁波限制在有限空间而构成封闭式；另一种是辐射波型，它用长天线向四周辐射电磁波，形成开放式。有界波型电磁脉冲模拟器能把电磁波集中在照射器内，从而能增大电磁场的强度，但它们多半用电容储能型式的麻克斯发生器和陡化电容器或布鲁姆莱因(Blumlein)线组成高压电源，因而导致结构复杂和成本高，例如美国的洛斯·阿拉莫斯国家实验室建造的ALECS模拟器，空军武器实验室建造的TRESTLE模拟器，以及中国航天工业总公司建造的DM-1200型模拟器等，都是使用Marx发生器作高压电源的有界波型。辐射波型模拟器是借助天线向其周围辐射脉冲电磁波，虽然结构简单，但无方向性，效率低，电磁场强度小，而且也多采用电容储能型式的高压脉冲电源系统，例如美国的哈里·戴蒙实验室建造的TEMPS模拟器和陆军研究实验室使用的VEMPS II模拟器等。在现有技术中，无论是有界波型还是辐射波型电磁脉冲模拟器，几乎都是为模拟高空核爆炸产生的电磁脉冲而建造的，并且绝大多数均使用电容储能单一方式的高压脉冲电源，只能模拟核电磁脉冲而不能模拟自然界经常出现的、能量集中于中频段的雷电电磁脉冲，也不能模拟静电放电产生的电磁脉冲。

显然，研制一种结构简单、成本低、能产生宽频谱和用于多种场合的电磁脉冲模拟器十分迫切。以便用这种新模拟器模拟自然界雷电现象时产生的脉冲电磁场和太阳黑子剧烈变化(太阳“风暴”)所产生的强电磁脉冲辐射，也可用它模拟冲击雷达发射的强脉冲电磁波以及高功率微波武器、电磁“导弹”、核爆炸等试验所产生的脉冲电磁波，还可用它模拟高电压试验室、输配电动力系统和其它工交领域大功率脉冲放电所产生的强脉冲电磁场。因为上述各种电磁脉冲都危害电子计算机、电子系统、电器设备以及各种自控系统的正常工作；所以用一种有效的设备模拟上述各种电磁脉冲源对电子系统的危害程度并以此为据对其进行加固研究，是一件异常必要的工作。

发明内容

本发明多功能电磁脉冲模拟器，和以往主要用于模拟高空核爆炸的核电磁脉冲模拟器不同，多功能电磁脉冲模拟器能模拟雷电电磁脉冲和低、高空核爆炸电磁脉冲以及其它大功率射频的电磁脉冲。在本发明中，初级电源是一个或几个并联充电的高压脉冲电容器C，用普通的直流电源对电容器C充电至电压U₀(≈100kV)；闭合用的外触发开关S₁可采用三电极火花球隙开关；电感器L采用铜或铝导线绕制成合适形状的集束多匝线圈并分为两束；C、S₁、L和爆炸导体断路开关S_op构成本发明的高压脉冲电源I(放电时为第I回路)，S_op一般仅是一条或几条直径小于1mm的细铜丝。首先外信号触发三电极开关S₁，使已充毕电荷的电容器C通过L和S_op在第I回路放电，当放电电流i达到最大值I_m时刻，电流欧姆加热使S_op汽化而导致电阻增至最大值，引起第I回路“断路”，此时第I回路产生的感应电压(-Ldi/dt)幅值很高，常为4U₀到8U₀之大，它加在锐化开关S₂的两球形电极之间，使S₂过电压自击穿，此时由第I回路转换成第II回路放电。此时第II回路除包括原C、S₁、L外，还有锐化开关S₂、照射器C_R和匹配电阻器R。C_R是由一对抗磁质的弓形金属板做成的照射器或试品工作室，它的中段是一个平行板传输线，两端过渡段逐渐变窄并渐近成锥形，感应电压加在其上下板之间，照射器内便有横向电磁(TEM)波向前传输，最后被匹配电阻器R所吸收，因而无波反射。照射器用几毫米厚的铝板做成，其大小由被试品的尺寸、TEM波脉宽和电磁场强度所决定，一般长、宽、高均大于1m；照射器两端有锥形过渡段，过渡段的宽高比应与照射器中间部分的一致，以便保障波阻抗相同。匹配电阻器用有机玻璃筒内盛硫酸铜水溶液做成。把电感器线圈分成两部分，串联地分别置于照射器两侧，使线圈形状和口径大小与照射器开放的口径相同，即矩形，此举目的是把第I回路放电时产生的低频近区感应场也加到照射器空间内，使被试品遭受到类似雷电电磁脉冲或近地核爆炸产生的电磁脉冲的作用。另外，把S₁、S₂和S_op三开关都装在照射器开放空间的侧边缘，使它们放电时产生的高频辐射电磁波能直接有效地进入照射器内照射被试品；还可在这三开关后面各设一抛物面天线，并把三开关置于对应天线的焦点上，三天线构成各自的反射“镜”，能把原来投向其它方向的电磁波部分地反射到照射器内的被试品上，从而获得更丰富频谱和更高的照射场强。TEM波和各球隙火花放电开关辐射的高频电磁脉冲，再加之放电时电感器L能在照射器产生的低频感应脉冲电磁场，本发明具有“三源汇聚”的功能，能获得宽频谱、高场强的电磁脉冲；所以可用它模拟多种电磁脉冲源的作用效应。

若想照射庞大的被试物(例如航空或航天器)，或者想进一步提高照射器内的电磁场强度，也可改用麻克斯发生器代替高压脉冲电容器C作初级电源。

附图说明

图1是本发明多功能电磁脉冲模拟器的电路线路图；

图2是本发明多功能电磁脉冲模拟器的另一种实施方案的电路线路图；

图3是对图1进行工程化的优化方案结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1所描述的多功能电磁脉冲模拟器电路包括一个或一组高压脉冲电容器C、外触发三电极开关S₁、电感器线圈L、爆炸导体断路开关S_op、能自击穿的锐化开关S₂、有界波照射器C_R和匹配电阻器R。

若将图1中的电感器L和爆炸导体断路开关S_op互换位置，则可构成该类多功能电磁脉冲模拟器的另一种实用电路(图2)，其功能与图1无本质差别。

图1的高压脉冲电容器C实际起初级能源的作用，本方案为了简单和小型化起见，采用单台或几台高压脉冲电容器并联。在中等规模的模拟器中，可用两组电容器串联后正负极性充电，以提高初始电压。倘若建造大型模拟器时，可用麻克斯发生器的串联放电电容器代替图1或图2的高压脉冲电容器C。

图1中的三电极开关S₁可以是外触发的球隙闭合开关，其放电部位可用耐烧蚀的良导体(如铜钨合金)制作；也可采用其它形式的外触发闭合开关，但采用大气火花隙放电方式有利于产生所需的高频脉冲电磁场。

电路图1或图2中的电感器L分为两部分，即结构图3所示的24和25，分别挂靠紧固在照射器两侧开口处，在本发明中具有三种重要作用：储存磁能，与断路开关S_op一起增高输出电压，以及提供低频脉冲感应电磁场。它可用铜或铝质的粗导线绝缘绕制而成，应充分考虑匝间和输出端的电绝缘强度；又因电感器线圈受较大的电磁力作用，因此制做时需采取机械加固措施。

图1中的爆炸导体断路开关S_op是关键部件之一。虽然通常有许多其它型式的断路开关可用；但本发明为了简单、降低造价和获得良好的断路性能，而采用了爆炸导体断路开关。所谓爆炸导体断路开关就是一条或多条金属丝或箔，本发明采用单根铜丝。模拟器工作时，需要在第I回路的电流i达到最大值I_m时刻使爆炸导体电“爆炸”断路，以保障此时电容C的电场能量全转为电感L的磁能(LI_m ²/2)。为保障模拟器能有效地工作，需提供两个重要物理量的计算公式。一个是保证在电流达到I_m时刻S_op“爆炸”断路所用铜丝的横截面积 $A\≈2.2\×{10}^{-3}\sqrt{{\mathrm{CU}}_0/Z}$ 式中：C为电容器的电容量，其单位是μF；U₀为电容C的初始充电电压，其单位是kV；L是电感器的电感，其单位是μH；Z为第I回路的特性阻抗，其单位为Ω，而 $Z=\sqrt{L/C};$ 所计得的铜丝横截面积A的单位是mm²。另一个物理量的计算公式是，保障彻底断路而不沿铜丝表面空气击穿放电的铜丝长度(单位mm)：

             l_k≥(nd²Z)λ_k式中：n为所用铜丝的根数；d为一根铜丝的直径，其单位是mm；λ_k是对应长度l_k的表征长度特征的量，其单位是Ω^-1·mm^-1，并且λ_k≈α₀(10^-6εν)^0.36，其中，α₀为与材料有关的常数，对于铜材α₀＝1.35×10³；ε是一个和铜丝能量相关的量，其单位是J·Ω^-1·mm^-4，ε＝CU₀ ²(n²d⁴Z)；ν是和电爆炸断路时间相关的量，其单位是μS·mm^-1， $v=\sqrt{\mathrm{LC}}/d.$

图1中的自击穿锐化开关S₂具有进一步陡化输出电压的功能，可采用球形电极组成的二电极火花隙开关，可使用同S₁所用的材料制做。

图1中的照射器C_R内将放置被试品，需要具有一定空间，应尽可能地将所有脉冲电磁场的能量都集中在C_R内。C_R可用两块弓形金属板上下相对放置而组成，中间段构成一平行板传输线。为了降低成本和减轻重量，可采用3～6mm厚的铝板。照射器的两端应具有锥形过渡段。过渡段的高度和宽度应当是渐变的，但其比值应当不变，并与中间段的相同，以保证它们的波阻抗与照射器的波阻抗Z₀相同。照射器的波阻抗 $Z_0=377\frac{h}{b}{\{1+\frac{h}{\mathrm{\πb}}[1+\ln \left(2\mathrm{\π}\frac{b}{h}\right)\left]\right\}}^{-1}$   对于h/b≤1 $Z_0\≈377\frac{1}{\mathrm{\π}}\ln (4h/b)$   对于h/b＞1式中规定：照射器板宽为2b，两板距离(高)为2h，计得Z₀的单位是Ω。

图1中的R为匹配电阻器，它的阻值R＝Z₀，以保障在照射器内传输的TEM波不反射。匹配电阻器R需有较大的吸热容量，一般用有玻璃筒内装硫酸铜水溶液而制成。

图2电路的物理性质和图1的相同，因此上述的计算公式对图2方案也适用。

图3是本发明多功能电磁脉冲磁模拟器的一种最佳的工程实施方案，它是把图1中的各电路元件工程化为“三源汇聚”的总装配结构。由木质或其它绝缘材料制做的工作台1位于地面上，工作台1上放置平行板式照射器40。照射器的下绝缘板2紧挨工作台1放置，用四根绝缘支柱10把下绝缘板2和上绝缘板7支撑开。照射器的下电极板5和上电极板6均分别固定在下绝缘板2和上绝缘板7上。下电极板接地引线4与下电极板5的输入端电连接。上下电极板右侧过渡段收敛端用匹配电阻器11并联连接。八块外加的辅助绝缘板8分别粘在上下绝缘板上，以防止两电感器线圈24和25对上下电极板放电。锐化开关S₂的一个球电极15通过电极杆18电连接在上电极板6左过渡段端部，另一球电极14与球电极15靠近而组成锐化开关S₂。球电极15和14均通过电极杆18和13固定在上绝缘板7上，并设计成球隙距离可调节。球电极14通过电极杆13与爆炸导体断路开关16的上接线柱12电连接，爆炸导体断路开关(细金属丝)16被拉直后电连接在它的上下接线柱12和17之间，爆炸导体断路开关下接线柱17与接地引线3电连接。电感L分成两矩形电感线圈24和25，分别固定在上下绝缘板7和2的“侧耳”上，所谓“侧耳”是指上下绝缘板两侧的突出部分，并在上绝缘板7上方用螺栓9把电感两部分端线串联连接和固成一体。三电极开关S₁的一个主极球20通过主极杆19固定在上绝缘板7的一个“侧耳”板上，并与电感器L线圈25另一端电连接。三电极开关S₁的另一主极球22固定在高压脉冲电容器23的输出端上。对电容器23的放置不做特殊要求。由三电极开关S₁的触发极针21引入外触发信号。

图1和图3反映出以下的发明思想和实施方式：

(1)通过合理的设计，可把多种电磁脉冲辐射场皆集中在照射器内，它们是：电感器L的两部分24和25通过爆炸导体断路开关S_op断路而输出高电压脉冲，经过锐化开关S₂锐化后加在照射器C_R的上下两极板6和5间，在照射器C_R内形成TEM平面电磁波；由于电感器L的两部分24和25串联地固定在上下绝缘板7和2的“侧耳”上，则第I回路放电的1/4周期产生的脉冲磁场首先集中在照射器内；还有由于三电极开关S₁的两主极球20和22，锐化开关S₂的两球电极14和15，以及爆炸导体断路开关S_op被排布在照射器周围，它们大电流脉冲放电时电火花产生的高频脉冲电磁场也有一部分射入照射器，若在它们后面再加上抛物面反射天线(因可独立存在故图中未示)，能将更多的高频辐射场反射进入照射器。

(2)在两照射器极板6和5的上方和下方设置两带“侧耳”的玻璃钢绝缘板7和2，可得到这些益处：若想再提高照射器场强时，可在本发明中方便地串联高压脉冲电容器C正、负极性充电作初级电源；绝缘板“侧耳”固挂的电感器线圈24和25，能把它们产生的脉冲磁场集中于照射器内；上绝缘板7为开关S₁的主极球20、开关S₂的球电极14和15以及断路开关S_op提供支撑和固定，从而省去了各处通常为支撑和调节所需的特别调节装置。

(3)在上下绝缘板7和2边缘粘接八块玻璃钢辅助绝缘板8，目的是加强电感器L的两部分24和25与照射器上下电极板6和5间的电绝缘强度。

(4)采用图3所示的结构，容易拆装和检修。能方便地将照射器上下弓形电极板6和5拆卸下来，以便换装冷阴极二极管负载以产生高功率电子束或闪光X射线，供其它场合应用；也可将被试品作负载，对某些试品进行特殊的雷击电涌试验。

(5)从图3的设计可见，本发明方案工程化成模拟器以后，部件材料普通、结构简单、紧凑，照射空间相对大，造价低，且能获得更高场强和更宽频谱的电磁脉冲，因此可用于对雷电电磁脉冲、核电磁脉冲和其它电磁脉冲的模拟。

本发明多功能电磁脉冲模拟器，结合图1和图3，其工作过程是：首先用普通高压直流电源对高压脉冲电容器C充电至一定的电压值U₀，然后用外触发信号触发三电极开关S₁，使第I回路大电流脉冲放电，电流i通过三电极开关S₁的主极球20和22，通过电感器L的两部分24和25，通过爆炸导体断路开关S_op，电感器L首先在照射器内产生一低频感应脉冲磁场；当电流i在1/4周期达到最大值时刻，S_op细铜丝16爆炸断路，在第I回路串联的电感器L两端感应出极高的脉冲电压并加在锐化开关S₂两球电极14和15间，开关S₂被过电压自击穿，一个被陡化的过电压波加在照射器C_R的上下电极板6和5间，此时又在照射器内产生一TEM脉冲波，此为第二种电磁脉冲，此电磁波沿6和5构成的传输线传播，最后被终端匹配电阻器R所吸收；在多功能电磁脉冲模拟器工作期间，它的开关S₁、S₂和S_op放电产生的第三种脉冲高频电磁场也可被汇聚在照射器内，连同上述电感器产生的近区感应场和照射器内的TEM波，从而形成一次放电三种电磁脉冲都集中在照射器内的“三源汇聚”状态。

Claims (3)

1.一种多功能电磁脉冲模拟器，由一个高压脉冲电源(I)、一个锐化开关(S₂)和一个能把三种电磁脉冲聚集其内的电磁照射器(C_R)组成；高压脉冲电源(I)由初级电源、外触发三电极开关(S₁)、储能电感器(L)和爆炸导体断路开关(S_op)诸元件顺序地机械固定和电串联连接而构成，而初级电源是由高压脉冲电容器(C)组成的；在高压脉冲电源(I)输出端引出锐化开关(S₂)，把高电压脉冲输出给照射器(C_R)，照射器(C_R)由两块弓形铝材电极板(6，5)组成，两端具有锥形过渡段，匹配电阻(R)被电并联在照射器两电极板(6，5)的终端，其特征在于：照射器的上电极板(6)和下电极板(5)分别固定在上绝缘板(7)和下绝缘板(2)上，电感器(L)被分成两个电感线圈(24，25)，分别固定在上下绝缘板的“侧耳”上，并在上绝缘板上方用螺栓(9)把两部分电感线圈串联连接和固定成一体；爆炸导体断路开关(S_op)既可电串联在高压脉冲电容器(C)和电感器(L)之间，也可串联在电感器(L)的高压输出端和接地线之间。

2.根据权利要求1所述的多功能电磁脉冲模拟器，其特征在于：在外触发开关(S₁)、锐化开关(S₂)和爆炸导体断路开关(S_op)后面分别设置适合的抛物面反射天线，并把开关置于各自对应天线的焦点上。

3.根据权利要求1所述的多功能电磁脉冲模拟器，其特征在于：将照射器(C_R)的上下电极板(6，5)拆卸掉，换上合适的高功率冷阴极二极管作负载，电磁脉冲模拟器便变为强流电子束加速器或闪光X射线机。

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