CN111199810A

CN111199810A - 一种磁绝缘传输线

Info

Publication number: CN111199810A
Application number: CN202010161067.9A
Authority: CN
Inventors: 周良骥; 邓建军; 蒋吉昊; 袁建强; 陈林; 郭帆
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2020-05-26

Abstract

本发明公开了一种磁绝缘传输线，传输线为单层圆锥型结构；且传输线在径向截面上呈沿环向分布的连续周期性波纹结构。本发明采用连续周期性波纹的整体轮廓，有效增加电极面积，使得传输线的阻抗大大降低，从而实现使用单层磁绝缘传输线即可获得较低的阻抗，规避了多层汇流结构带来的复杂的PHC结构和磁零位区损失问题，且利于实现快速更换，有望解决未来聚变能源驱动器超高功率电脉冲传输到靶的瓶颈问题。

Description

一种磁绝缘传输线

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种磁绝缘传输线。

背景技术

脉冲功率技术中，要获得极大的快脉冲电流(大于10MA，上升时间～100ns)，必须采用多个脉冲功率装置并联的方法。极高电流密度和功率流密度条件下的电流传输汇聚必须利用磁绝缘传输线来实现，多个脉冲功率装置并联输出的核心和难点就是低阻抗高传输效率的磁绝缘传输线设计。

目前比较成熟的技术Z装置中共顶点圆盘锥多层汇流结构(如附图1所示)。该结构通过四层并联实现了较低的等效阻抗(电感)，已经成功运行于峰值电流接近30MA的条件下。多层并联结构虽然可以实现较低的电感，但要将电流馈入负载，仍需在末端并联为两电极结构，这就需要引进柱孔结构(如附图2所示)，柱孔结构的引入必然从物理机制上造成柱孔间某些区域磁场为零，在这些磁零位区磁绝缘失效，会造成显著的电流损失。同时，多层并联结构很难实现整个磁绝缘传输线的快速更换，因此无法满足未来聚变能源应用需求。为此，有科学家提出了单层圆盘锥构型的磁绝缘传输线(RTL)概念(如附图3所示)，该设计虽然能够满足真空保持和磁绝缘传输线更换的需求，但电感将达到50nH甚至更高，导致需要初级功率源提供的电压大于20MV。

综上所述，现有技术存在以下不足：

(1)多层汇流结构使用柱-孔结构并联，不可避免出现磁场较弱(甚至为零)的区域，称为磁零位区(magnetic nulls)，磁零位区会导致该处磁绝缘失效，造成电流损失。

(2)多层结构不利于整个磁绝缘传输线的更换，无法满足未来能源应用需求。

(3)单层结构电感太大(长度为7m的RTL电感大于50nH)，导致需要初级功率源提供的电压大于20MV，工程难度很大，极大的限制了技术可行性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了解决上述问题的一种磁绝缘传输线，尤其适用于Z箍缩驱动聚变能源应用的低阻抗单层无磁零位区磁绝缘传输线。

本发明通过下述技术方案实现：

一种磁绝缘传输线，传输线为单层圆锥型结构；且传输线在径向截面上呈沿环向分布的连续周期性波纹结构。

进一步地，所述传输线轴向绝缘，且在传输线的小径端呈同轴的圆柱形结构，所述圆柱形结构作为负载近区。

进一步地，所述连续周期性波纹结构沿环向周期性分布。

进一步地，所述连续周期性波纹整体呈中心对称分布。

进一步地，所述连续周期性波纹中的每个波纹呈弧线型、或直线型、或由弧线型和直线型连接构成的异形。

进一步地，所有波纹形状和/或大小相同。

进一步地，所述连续周期性波纹中，每个波纹包括两条直线段和一条外凸的弧线段；两条直线段在沿径向远离环心方向上，两条直线段之间的距离逐渐增大，两条直线段上远离环心的端部通过所述弧线段平滑连接；相邻波纹之间的直线段自由端部通过内凹的弧线段平滑连接。

进一步地，所述连续周期性波纹通过金属导体单层板折叠构成。

本发明具有如下的优点和有益效果：

传输线是脉冲功率技术中常用的器件，一般用于传输高压大电流的脉冲。在所传输的脉冲电压确定的条件下，由于要保证高压绝缘安全，其电极间隙必须足够大。传输线的电感和电极面积为负相关关系，传输线的阻抗与电极面积亦为负相关关系，因此，要在保持电极间隙不变的前提下降低传输线的阻抗或单位长度的电感，可通过增大电极的面积来实现。因此，基于上述理论，本发明设计轴向整体轮廓为圆锥形的单层传输线，以实现脉冲向负载的汇聚，在保持一定电极间隙(由工作电压决定)的条件下，将传输线横截面的轮廓设计为连续周期性波纹沿环向分布形成的闭环结构。这样将大大增大电极面积，有效降低传输线的阻抗和单位长度电感。

本发明提供的单层低阻抗无磁零位区磁绝缘传输线构型，无需多层并联即可实现较低的阻抗(电感)，没有多层结构必然遇到的柱孔结构造成的磁零位区；同时，单层结构有利于磁绝缘传输线的整体或部分更换，有望解决未来聚变能源驱动器超高功率电脉冲传输到靶的瓶颈问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有Z装置磁绝缘传输线示意图；附图1中，附图标记对应的零部件名称：A-A层，B-B层，C-C层，D-D层；

图2为现有Z装置磁绝缘传输线柱孔结构示意图；附图2，附图标记对应的零部件名称：A-磁零位区，B-柱，C-孔；

图3为现有RTL概念示意图；附图2，附图标记对应的零部件名称：A-换靶机构，B-RTL，C-爆室；

图4为本发明的磁绝缘传输线立体结构示意图；

图5为本发明的磁绝缘传输线径向截面结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：11-直线段I，12-直线段II，13-弧线段I，14-弧线段II。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种磁绝缘传输线，传输线为单层圆锥型结构；且传输线在径向截面上呈沿环向分布的连续周期性波纹结构。传输线轴向绝缘，且在传输线的小径端呈同轴的圆柱形结构，以圆柱形结构作为负载近区，用于与负载连接。

连续周期性波纹的分布规律以及其中的每个波纹的形状和大小均可依据实际情况进行设计。连续周期性波纹结构沿环向周期性分布，进一步优选连续周期性波纹整体呈中心对称分布。连续周期性波纹中的每个波纹呈弧线型、或直线型、或由弧线型和直线型连接构成的异形，进一步优选，所有波纹形状和/或大小相同。

实施例2

基于实施例2的基础上进一步改进，所述连续周期性波纹中每个波纹的形状和大小均相同，且以环形为中心呈中心对称，呈如图2所示的花瓣结构。每个波纹包括两条直线段和一条外凸的弧线段：如附图2所示，直线段I11、直线段II12和弧线段I13；直线段I11和直线段II12在沿径向远离环心方向上，两条直线段之间的距离逐渐增大，两条直线段上远离环心的端部通过所述弧线段I13平滑连接；相邻波纹之间的直线段自由端部通过内凹的弧线段II14平滑连接。连续周期性波纹通过金属导体单层板折叠构成形成如图2所示的花瓣结构。

传输线电极间隙为2m，从花瓣形入口开始进行收缩，轴向总长度为7m，到末端(负载近区)变为同轴圆柱结构。

通过模拟计算显示：在输入电流脉冲为正弦波，T/4＝180ns，阴阳极均为金属材料，阴极电子发射阈值取230kV/cm，峰值电流约60MA等初始条件下，所需的驱动电压小于10MV，传输线具备较高的电流传输(＞80％)。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁绝缘传输线，其特征在于，传输线为单层圆锥型结构；且传输线在径向截面上呈沿环向分布的连续周期性波纹结构。

2.根据权利要求1所述的一种磁绝缘传输线，其特征在于，所述传输线轴向绝缘，且在传输线的小径端呈同轴的圆柱形结构，所述圆柱形结构作为负载近区。

3.根据权利要求1所述的一种磁绝缘传输线，其特征在于，所述连续周期性波纹结构沿环向周期性分布。

4.根据权利要求3所述的一种磁绝缘传输线，其特征在于，所述连续周期性波纹整体呈中心对称分布。

5.根据权利要求1所述的一种磁绝缘传输线，其特征在于，所述连续周期性波纹中的每个波纹呈弧线型、或直线型、或由弧线型和直线型连接构成的异形。

6.根据权利要求5所述的一种磁绝缘传输线，其特征在于，所有波纹形状和/或大小相同。

7.根据权利要求6所述的一种磁绝缘传输线，其特征在于，所述连续周期性波纹中，每个波纹包括两条直线段和一条外凸的弧线段；两条直线段在沿径向远离环心方向上，两条直线段之间的距离逐渐增大，两条直线段上远离环心的端部通过所述弧线段平滑连接；相邻波纹之间的直线段自由端部通过内凹的弧线段平滑连接。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种磁绝缘传输线，其特征在于，所述连续周期性波纹通过金属导体单层板折叠构成。