CN204013444U - 一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，包括若干个脉冲形成线、两根充电电感、若干个气体开关基于Marx电压叠加连接为一体；脉冲形成线为环形脉冲形成线，每一个环形脉冲形成线的环形表面设置有一个气体开关；所述环形脉冲形成线通过气体开关依次叠加在一起形成一个柱形结构，所述充电电感穿过环形脉冲形成线的内环设置在柱形结构的内部，所述每两个环形脉冲形成线之间设置有环形绝缘板。本实用新型使得结构上更加紧凑，其功率体积比与目前国内外有报道的脉冲功率系统提高至少50%；同时同轴设计使得整个装置电场分布更加均匀，有利于降低电压畸变引起的高压击穿事件。

Description

一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置

技术领域

本实用新型涉及脉冲功率技术领域，具体是指一种矩形脉冲高压产生装置。可以应用于闪光照相、高功率微波 、高功率射频技术、材料研究等领域。

背景技术

高功率脉冲功率源小型化是当前脉冲功率技术研究的重要方向。HPM 、Ｘ射线、激光研究等方面应用对电子束质量要求较高，迫切需要发展矩形脉冲紧凑型脉冲功率源，基于Marx电压叠加技术的矩形脉冲功率源研究近年来成为国内外研究热点。目前采用的几种技术途径有：1是采用脉冲形成网络（PFN）形成脉冲，通过Marx技术实现电压叠加输出；2是采用高压传输线形成脉冲，通过Marx技术实现电压叠加输出；3是采用直线型平板固态线形成脉冲，通过Marx技术实现电压叠加输出。采用以上技术路线已研制成功一些小型化脉冲功率源，但这些装置实现的功率体积比水平距离实用化还有距离。

途径1中采用脉冲形成网络形成脉冲技术在产生长脉冲上具有一定的优势，但是在产生百十纳秒时，由于集中参数电容及电感会使得脉冲前后沿很长，再者，由于目前高压陶瓷电容器或者薄膜电容器体积较大，要产生平顶相对较好的脉冲电压需要多级电容电感，使得整个脉冲网络体积较大。对于途径2采用高压传输线形成脉冲，由于介电常数较低（目前已知介电常数最高的去离子水的介电常数也只有81），产生一定脉冲宽度的高压脉冲需要的电长度非常长，不利于整个脉冲功率装置小型化发展的趋势。途径3采用直线型平板固态线形成脉冲虽然能够相对较高的介电常数，但是平板固态线由于其根据波的反射原理形成脉冲，在传播过程中由于反射会使得波形质量较差，同时目前脉冲装置都是通过引线与开关连接，会使得整个回路电感较大，不利于形成快脉冲前沿的高压脉冲。同时为了减小开关连接电感，多级marx叠加时结构设计将会非常复杂。

前期本实用新型人研制了一种电极开口的环型固态脉冲形成线，已申请专利（专利号：201420085748.1）虽然其相比直线型平板固态脉冲线在紧凑化和小型化方面有了很大的提高，但是由于开口处两端的镀银层的尖端会使得场强较其他地方偏大，存在尖端放电问题，同时场强的增强会导致陶瓷材料的体击穿及沿面闪络的发生；同时也存在平板固态脉冲形成线电压波反射带来的波形质量变差等问题。

实用新型内容

针对上述现有技术方案产生高压脉冲的脉冲功率装置，本实用新型所要解决的技术问题是提供一套小型化的脉冲功率装置，其能够实现快脉冲前沿，高紧凑型，波形质量好，高功率体积比的高压脉冲输出。该型脉冲功率装置可以应用于闪光照相、高功率微波 、高功率射频技术、材料研究等领域，具有重要的社会效益和客观的经济效益。

本实用新型采用的技术方案：一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，包括设置在圆筒内的脉冲产生段和负载端，两者通过绝缘板密封隔离；所述脉冲产生段包括若干个脉冲形成线、两根充电电感、若干个气体开关基于Marx电压叠加连接为一体；其特征在于所述脉冲形成线为环形脉冲形成线，每一个环形脉冲形成线的环形表面设置有一个气体开关电极，相邻两个环形脉冲形成线表面的气体开关电极形成开关；所述环形脉冲形成线通过气体开关依次叠加在一起形成一个柱形结构，所述充电电感穿过环形脉冲形成线的内环设置在柱形结构的内部，所述每两个环形脉冲形成线之间设置有环形绝缘板。

在上述技术方案中，所述环形脉冲形成线包括环形陶瓷介质基板和电极层；所述电极层为闭环的圆环，所述环形陶瓷介质基板的两个环形表面上分别设置有电极层，两个电极层的同圆心、同半径。

在上述技术方案中，所述气体开关包括两个电极，其中一个电极为平板铜片直接焊接在环形绝缘基板上的电极层上；另一个电极为带螺纹的螺杆，焊接在环形绝缘基板上的另一电极层上。

在上述技术方案中，所述带螺纹的螺杆上设置有一个可以调节位置的螺帽。

在上述技术方案中，所述气体开关的两个电极焊接的位置上下相对应。

在上述技术方案中，所述相邻的两个环形绝缘板半径不同。

在上述技术方案中，所述从输出方向到输出入向单数层的绝缘板的半径大于偶数层的绝缘板半径，且单数层的绝缘板的边缘上设置有一圈通孔。

在上述技术方案中，所述所用绝缘板的同一方向设置有开口。

在上述技术方案中，所述相邻两个环形脉冲形成线上空气开关的电极位置相对应，两个环形脉冲形成线之间的气体开关的间距通过螺帽调节。

本实用新型中，为解决现有开口处两端的镀银层的尖端会使得场强较大和电压波在传播过程中的反射带来的波形质量变差问题，本实用新型采用了一种全封闭镀银电极的环型固态脉冲形成线，此环型固态形成线是在陶瓷材料的环形板片的两个面上全封闭的镀上银作为电极，不留开口，因此不存在反射问题。其准矩形高压脉冲的产生是根据脉冲沿环线双向传输，并联输出的成形原理，较直线型平板固态脉冲形成线根据波的反射原理产生准矩形脉冲技术，其波形质量会有明显的改善，脉冲前沿会有提高，因此通过此方法避免了电压波在传播到端面时波的反射导致波形质量变差的问题。同时由于没有开口端面的存在，亦不存在端面处银电极的尖端存在，从而使得电场分布更加均匀，有限避免了尖端放电的可能，同时整个环型陶瓷镀银使得电场分布更加均匀，能够提高整个固态脉冲形成线的耐压水平，减小沿面闪络的发生概率。

在本实用新型中，将气体开关的两个电极直接焊在环型固态脉冲形成线的两个白银电极上，两个电极分别是一个圆形的平板铜片和一个带螺纹的螺杆，通过设计一个电极螺帽拧在螺杆上，当多级环型固态脉冲形成线进行marx叠加时，可通过调节电极螺帽来调节两个环型固态脉冲形成线之间气体开关的间距。这样就使得气体开关和固态脉冲线形成一个整体，减少了脉冲形成线与气体开关直接的连接线，从而使得每个开关的连接电感降低，整个放电回路的回路电感大大的降低，回路电感的降低能够有效的提高脉冲前沿，优化输出高压脉冲质量。

本实用新型中，脉冲形成线、气体开关和充电电感均沿轴线层叠排布，气体开关在形成线环间紧密排布，充电电感置于形成线包围的空间内。由于固态脉冲形成线和外筒都是同轴型的设计，这样就使得环型固态脉冲形成线电极上的高压端和外筒之间场分布更加均匀，大大减小了尖端放电的风险和概率，在一定的绝缘电压下所需要的绝缘空间就大大减小，能够较好的实现整个装置的小型化。同时由于多级固态脉冲形成线进行叠加时，每级形成线对周围电场分布影响小，不容易产生电场畸变等问题，从而使得在电压波放电过程中周围电场或者其他固体脉冲形成线对其放电电场影响小，输出脉冲波形质量高。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：整个脉冲功率系统由于在结构采用了同轴一体化的设计，使得结构上更加紧凑，其功率体积比与目前国内外有报道的脉冲功率系统提高至少50%；同时同轴设计使得整个装置电场分布更加均匀，有利于降低电压畸变引起的高压击穿事件。采用环形固态形成线作为产生脉冲单元能够输出快脉冲前沿的高压脉冲。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的脉冲形成线的局部结构示意图；

图3是环形形成线的结构示意图；

图4是典型输出电压波形；

其中：1是充电电感，2是环形脉冲形成线，3是环形绝缘板，4是接地线，5是螺帽，6是平板铜片，7是充电输入端，8是高压输出端，9是绝缘隔板，10是负载，11是电极层，12是陶瓷介质基板。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，本实用新型的基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置包含设置在圆筒内的脉冲产生段和负载段组成，脉冲产生段和负载段之间通过绝缘隔板密封隔开。脉冲产生段充SF₆气体（或SF₆与N₂混合气体）绝缘，负载段充变压器油绝缘，两种绝缘介质之间用有机玻璃绝缘板隔离，图中整个装置的外筒未画出。脉冲产生段是装置的主体，包括环形脉冲形成线、气体开关、环形绝缘板、充电电感等部件。

如图2所示。环形脉冲形成线、气体开关和充电电感均沿轴线层叠排布，气体开关在形成线环间紧密排布，两组充电电感置于形成线包围的空间内，除首级和末级外，其它级脉冲形成线采用两环串联使用。负载采用水电阻或二极管。为了紧固环形形成线，在环形绝缘板的圆周边缘设置有通孔，在通孔中插入带螺纹的螺杆，从最上面一层一层的用紧固螺母压紧每一层环形脉冲形成线。工作时，充电电源的充电输入端与充电电感连接，通过充电电感对脉冲形成线并联充电至预定电压，当电压值大于气体开关的击穿电压时开关导通，各级脉冲形成线电压叠加产生高压脉冲对负载放电，通过高压输出端将高压脉冲输出到负载。充电电感在充电期间可看作短路，在脉冲形成线放电期间实现形成线单元之间及形成线与电源之间的隔离。

充电电感内置于环型固态脉冲形成线内，这样一方面有利于防止电场畸变带来的影响，同时也可实现紧凑化和小型化的目的。两个环型固态脉冲线之间通过尼龙或者有机玻璃作为绝缘介质，绝缘厚度根据施加在环型固态脉冲形成线两端的电压及SF6气体单位距离下的绝缘场强而定，相邻两个环型固态脉冲形成线两端的两个铜电极作为气体开关，由于整个脉冲产生段充满了一定压力的SF6气体，所以SF6作为气体开关和脉冲形成线的绝缘介质。

如图3所示，环形脉冲形成线由一个环形的陶瓷介质基板，在陶瓷介质基板的两个环形面上设置有一层环形电极，电极采用镀银的方式设置。陶瓷介质基板为烧结后的陶瓷片，环形电极层两端的宽度小于陶瓷片宽度(5mm)，增加电极的击穿长度，从而防止沿面闪络击穿。为了减少电感，将气体开关直接焊接在环形脉冲形成线的电极层上，气体开关有两个电极，其中一个电极采用平板铜片焊接在电极层上，另一个气体开关的电极采用带螺纹的螺杆，焊接在环形脉冲形成线的另一个电极层上；气体开关的两个电极在垂直方向上一致。

如图4，实验获得的波形为良好的矩形脉冲输出，输出脉冲半高宽（ＦＷＨＭ）约60ns，前沿8.2ns，匹配下电压效率大于90%。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，包括设置在圆筒内的脉冲产生段和负载端，两者通过绝缘板密封隔离；所述脉冲产生段包括若干个脉冲形成线、两根充电电感、若干个气体开关基于Marx电压叠加连接为一体；其特征在于所述脉冲形成线为环形脉冲形成线，每一个环形脉冲形成线的环形表面设置有一个气体开关电极，相邻两个环形脉冲形成线表面的气体开关电极形成开关；所述环形脉冲形成线通过气体开关依次叠加在一起形成一个柱形结构，所述充电电感穿过环形脉冲形成线的内环设置在柱形结构的内部，所述每两个环形脉冲形成线之间设置有环形绝缘板。

2.根据权利要求1所述的一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，其特征在于所述环形脉冲形成线包括环形陶瓷介质基板和电极层；所述电极层为闭环的圆环，所述环形陶瓷介质基板的两个环形表面上分别设置有电极层，两个电极层的同圆心、同半径。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，其特征在于所述气体开关包括两个电极，其中一个电极为平板铜片直接焊接在环形陶瓷介质基板上的电极层上；另一个电极为带螺纹的螺杆，焊接在环形陶瓷介质基板上的另一电极层上。

4.根据权利要求3所述的一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，其特征为所述带螺纹的螺杆上设置有一个可以调节位置的螺帽。

5.根据权利要求3所述的一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，其特征为所述气体开关的两个电极焊接的位置上下相对应。

6.根据权利要求1所述的一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，其特征为所述相邻的两个环形绝缘板半径不同。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，其特征为从脉冲功率的输出方向到输入方向单数层的绝缘板的半径大于偶数层的绝缘板半径，且单数层的绝缘板的边缘上设置有一圈通孔。

8.根据权利要求7所述的一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，其特征为所述绝缘板的同一方向设置有开口。

9.根据权利要求1或4或5所述的一种基于环形陶瓷固态线的脉冲功率装置，其特征为所述相邻两个环形脉冲形成线上空气开关的电极位置相对应，两个环形脉冲形成线之间的气体开关的间距通过螺帽调节。