CN204304957U - 基于平板传输线p-c型高功率亚纳秒脉冲产生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的基于平板传输线P-C型高功率亚纳秒脉冲产生装置，突破了传统同轴线结构的亚纳秒脉冲产生装置设计模式，其输入、输出接口为平板传输线，装置的平板电极引线与同轴开关电极之间的结构转换，较好地解决了高电压绝缘、高压气体密封和开关多通道放电的形成等技术问题，有机玻璃高压气腔，使得装置的开关放电过程清晰可见，为气体开关研究提供了便利。

Description

基于平板传输线P-C型高功率亚纳秒脉冲产生装置

技术领域

本实用新型涉及一种高功率亚纳秒脉冲产生装置，尤其是一种基于平板传输线输入输出接口的P-C型(即Peaking-Chopping型)高压气体开关产生亚纳秒脉冲。

背景技术

亚纳秒电磁脉冲是指脉冲前沿为亚纳秒量级、脉冲宽度为纳秒级的电磁脉冲信号，在通讯、环保、医疗以及军事等领域有着广泛的应用，其中亚纳秒脉冲产生技术是其关键技术。一般采用基于同轴线Peaking-Chopping型高功率亚纳秒脉冲产生技术。

但基于同轴线Peaking-Chopping型高功率亚纳秒脉冲产生技术存在的问题是：同轴结构的亚纳秒脉冲产生无法应用于平板传输线装置，从而使得平板传输线内无法得到所需要的亚纳秒脉冲，限制了脉冲源的应用范围。

柔性平板传输线在给某系统的研制工作带来诸多益处的同时，由于结构的限制，也会损失掉超宽谱源所产生的高频脉冲能量，表现为柔性平板传输线传输的脉冲前沿变慢，从而影响效应物的损伤效应。对截面尺寸W＝220cm，h＝220cm平板传输线而言，其截止波长为：

(λc)TE10＝(2W+0.8h)＝61.6cm，截止频率即为fc＝487MHz。

所以，引入柔性平板传输线后，需要在柔性传输线的末端设计安装一套脉冲整形装置，以补偿脉冲500MHz以上的高频分量，根据效应实验需要，将输入到效应物的高功率脉冲整形为：前沿小于1ns、宽度2～6ns可调的脉冲。为此，设计了基于平板传输线的P-C型高功率亚纳秒气体开关。

气体开关在一定条件下有可能形成多通道导通，多通道可以降低开关电感，有利于脉冲前沿变快。然而由于电极安装、加工以及发射点不可控性等种种因素的限制，在高温、高压和绝缘支撑介质的稳定性差等不利条件下，开关多数情况下难于实现多通道导通，尤其是基于平板传输线的脉冲输入、输出接口，不易实现高气压的密封，而且平板结构开关对高功率、多通道、亚纳秒开关的结构设计，没有先例可以借鉴。所以，装置设计的主要技术难点是：如何实现在高气压状态下的平板输入、输出结构与同轴开关电极结构的匹配。如何确保高压气腔的安全性能及其密封性能。如何保证小尺寸开关结构的阴、阳电极的同心度问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于平板传输线P-C型高功率亚纳秒脉冲产生装置，其在平板传输线上产生高功率亚纳秒脉冲输出，从而解决了现有同轴线Peaking-Chopping型高功率亚纳秒脉冲产生装置无法得到所亚纳秒脉冲的技术问题。

本实用新型的技术解决方案为：

一种基于平板传输线P-C型高功率亚纳秒脉冲产生装置，其特殊之处是：包括Peaking开关有机玻璃气腔2、Chopping开关有机玻璃气腔3、Peaking开关输入极板1、Chopping开关输入输出极板4、Peaking开关输出极板7、Peaking开关阳极头5、Peaking开关阴极头6、Chopping开关阳极头8、Chopping开关阴极头9、单向阀主体10；所述Peaking开关有机玻璃气腔2和Chopping开关有机玻璃气腔3通过多个PVC紧固螺栓11扣合构成圆柱形有机玻璃高气压腔体；所述Peaking开关输入极板1设置在Peaking开关有机玻璃气腔2内，所述Peaking开关输出极板7设置在Peaking开关有机玻璃气腔2和Chopping开关有机玻璃气腔3扣合处，所述Chopping开关输入输出极板4设置在Chopping开关有机玻璃气腔3内，所述Peaking开关输入极板1、Peaking开关输出极板7、Chopping开关输入输出极板4平行设置；所述Peaking开关阳极头5固定在Peaking开关输入极板1的下方；所述Peaking开关阴极头6固定在Peaking开关输出极板7的上方，其中心设置有气体通道；所述Chopping开关阳极头8固定在Peaking开关输出极板7的下方，其中心设置有气体通道；所述Chopping开关阴极头9与单向阀主体10同轴连接，其中心设置有气体通道；所述单向阀主体10固定在Chopping开关输入输出极板4上方，其出口端与Chopping开关阴极头9的气体通道联通，其入口端设置在Chopping开关有机玻璃气腔3的外端面上；所述Peaking开关输入极板1的圆周一侧设置有多个接线孔，其通过平板传输线与脉冲源的正极连接；所述Peaking开关输出极板7的圆周相对一侧设置有多个接线孔，其通过平板传输线输出亚纳秒脉冲正极；所述Chopping开关输入输出极板4的圆周两侧分别设置有多个接线孔，其一侧通过平板传输线与脉冲源的负极连接，其另一侧通过平板传输线输出亚纳秒脉冲负极。

上述Peaking开关阳极头5中心设置有气体通道；上述脉冲产生装置还包括设置在Peaking开关有机玻璃气腔2外端面的气压表；上述气压表与Peaking开关阳极头5的气体通道联通。

上述Peaking开关输入极板1、Peaking开关输出极板7、Chopping开关输入输出极板4的圆周侧面设置有切线断面，上述多个接线孔并排设置在切线断面上。

本实用新型的有益效果：

1、解决了装置输入输出结构由柔性平板传输线结构到同轴结构的互相转换，首次实现了基于平板传输线结构的Peaking与Chopping气体开关的组合，得到了脉冲前沿加快，脉冲宽度变窄的亚纳秒电磁脉冲，扩展了系统输出脉冲的频谱范围，使效应物的损伤效应提高了20％。

2、突破传统同轴线结构设计模式，采用有机玻璃取代传统的金属材料作为高气压气腔的主体材料，解决了高功率装置的高气压安全性难题，并实现了高功率亚纳秒气体开关多通道放电瞬间的可视性(见图3)，为气体开关技术研究提供了便利。

3、采用一体化结构的同轴引线+平板电极(或环形电极)方式，解决了P-C脉冲波形整形开关的结构尺寸小、工作稳定性差的技术难题。

4、本实用新型避免了现有同轴型亚纳秒脉冲产生装置必须采用金属壳体，而且充气单向阀只能放置在腔体侧面等所带来的高气压容器的安全性能与高电压绝缘等技术问题；采用有机玻璃壳体，充气单向阀设置在有机玻璃高气压腔体端面的结构，有机玻璃壳体便于观察腔体内的工作状态。

5、本实用新型通过多个PVC紧固螺栓11实现Peaking开关有机玻璃气腔2和Chopping开关有机玻璃气腔3的扣合，避免了金属扣合件的高压放电。

附图说明

图1为基于平板传输线P-C型高功率亚纳秒脉冲产生装置原理示意图；

图2为Peaking开关输入极板示意图；

图3为Peaking开关有机玻璃气腔示意图；

图4为Chopping开关有机玻璃气腔示意图；

图5为Chopping开关输入输出极板示意图；

图6为Peaking开关阳极头示意图；

图7为Peaking开关阴极头示意图；

图8为Peaking开关输出极板示意图；

图9为Chopping开关阳极头示意图；

图10为Chopping开关阴极头示意图；

图11为单向阀主体示意图；

图12为PVC紧固螺栓示意图；

图13为基于平板传输线亚纳秒脉冲产生装置工作图；

图14为基于同轴传输线Peaking-Chopping型亚纳秒脉冲产生装置原理图；

图15为基于平板传输线Peaking-Chopping型高功率亚纳秒脉冲产生装置；

图中：1－Peaking开关输入极板，2-Peaking开关有机玻璃气腔，3-Chopping开关有机玻璃气腔，4-Chopping开关输入输出极板，5-Peaking开关阳极头，6-Peaking开关阴极头，7-Peaking开关输出极板，8-Chopping开关阳极头9-Chopping开关阴极头，10-单向阀主体，11-PVC紧固螺栓。

具体实施方式

本实用新型P-C开关是一种具有一定自适应能力的组合型高压气体开关，其原理结构如图1所示。开关装置设计采用水平的平板输入输出结构过渡到半圆结构后再转换为垂直的同轴结构方式，在保证有效绝缘的前提下，实现开关结构的匹配。开关能否多通道导通，不仅与电极的形状有关，还与开关结构和安装方式密切相关。为此，电极采用同轴引线+平板(或环形)电极一体化结构，在保证加工精度的前提下，阴、阳电极的同轴度能得到较好地保证，有效地保证了开关多通道的形成。

为了提高高压气腔的安全性能，气体开关的气室的尺寸不易过大，所以开关的结构尺寸基本确定为直径Φ28，开关间隙为1～2mm，工作介质为5～10MPa高纯氮气，由于P-C开关输入、输出结构的特殊性，加上Peaking开关和Chopping开关与输入输出结构和柔性传输线末端的距离较近，反射波叠加会使得开关装置的输入脉冲和输出脉冲波形难以测量，所以电极的绝缘支撑结构采用透光性和绝缘性能较好的有机玻璃材料，以便能较好地观察开关的工作情况。经过计算，确定有机玻璃高压气室的紧固螺钉选用强度较好的PVC材料，其拉伸强度为实际使用强度的3倍以上。从图13可见，开关放电后的亮度及其均匀性，可以判断形成了多通道导通，达到了气体开关装置的设计目的。

装置的设计指标为：输出脉冲的峰值功率为1.5GW，脉冲前沿小于1ns、脉冲宽度为2～6ns可调。同轴结构P-C开关(简称P-C开关)的特点是：高气压(～10MPa)、短间隙(1～2mm)、快脉冲输入(1ns～2ns上升时间)以及高电压(～200kV或更高电压)自击穿工作，击穿时气体间隙中电场可高达几MV/cm，因此开关闭合非常快，输出脉冲电压的上升时间仅几百ps甚至可以快到几十ps，脉冲宽度可以缩短至1ns，从而大大提升脉冲所对应的上限频率和中心频率，提高系统的防排爆效率。由于P-C开关导通通道多、导通速度快、结构尺寸小、安全性能高等特点，所以采用P-C型结构来设计基于平板传输线的高功率亚纳秒气体开关。

系统工作原理：

亚纳秒气体开关的气体间隙击穿时，在电极间强电场作用下，形成电子雪崩，导致放电间隙出现流注。当两个电极间存在连续流注时，通道里的电离度会增加，而且进一步发展，以至形成电极间隙的气体击穿，由于高气压开关的电极间隙小、电压高，为亚纳秒脉冲的形成创造了有力条件。

微波源产生的电压脉冲经柔性传输线后为纳秒信号，传输至P-C开关平板输入结构，通过Peaking开关(轴向火花隙气体开关)陡化输入脉冲的前沿，将脉冲前沿由约2ns陡化为小于1ns，然后经Chopping开关(轴向火花隙气体开关)再截断该脉冲后沿，从而将装置的输入脉冲整形为前沿约为1ns，宽度约为2～6ns的亚纳秒脉冲输出，然后通过平板输出接口进入柔性辐射装置的效应区域。

Claims (3)

1.一种基于平板传输线P-C型高功率亚纳秒脉冲产生装置，其特征在于：包括Peaking开关有机玻璃气腔(2)、Chopping开关有机玻璃气腔(3)、Peaking开关输入极板(1)、Chopping开关输入输出极板(4)、Peaking开关输出极板(7)、Peaking开关阳极头(5)、Peaking开关阴极头(6)、Chopping开关阳极头(8)、Chopping开关阴极头(9)、单向阀主体(10)；

所述Peaking开关有机玻璃气腔(2)和Chopping开关有机玻璃气腔(3)通过多个PVC紧固螺栓(11)扣合构成圆柱形有机玻璃高气压腔体；

所述Peaking开关输入极板(1)设置在Peaking开关有机玻璃气腔(2)内，所述Peaking开关输出极板(7)设置在Peaking开关有机玻璃气腔(2)和Chopping开关有机玻璃气腔(3)扣合处，所述Chopping开关输入输出极板(4)设置在Chopping开关有机玻璃气腔(3)内，所述Peaking开关输入极板(1)、Peaking开关输出极板(7)、Chopping开关输入输出极板(4)平行设置；

所述Peaking开关阳极头(5)固定在Peaking开关输入极板(1)的下方；

所述Peaking开关阴极头(6)固定在Peaking开关输出极板(7)的上方，其中心设置有气体通道；

所述Chopping开关阳极头(8)固定在Peaking开关输出极板(7)的下方，其中心设置有气体通道；

所述Chopping开关阴极头(9)与单向阀主体(10)同轴连接，其中心设置有气体通道；

所述单向阀主体(10)固定在Chopping开关输入输出极板(4)上方，其出口端与Chopping开关阴极头(9)的气体通道联通，其入口端设置在Chopping开关有机玻璃气腔(3)的外端面上；

所述Peaking开关输入极板(1)的圆周一侧设置有多个接线孔，其通过平板传输线与脉冲源的正极连接；

所述Peaking开关输出极板(7)的圆周相对一侧设置有多个接线孔，其通过平板传输线输出亚纳秒脉冲正极；

所述Chopping开关输入输出极板(4)的圆周两侧分别设置有多个接线孔，其一侧通过平板传输线与脉冲源的负极连接，其另一侧通过平板传输线输出亚纳秒脉冲负极。

2.根据权利要求1所述的基于平板传输线P-C型高功率亚纳秒脉冲产生装置，其特征在于：

所述Peaking开关阳极头(5)中心设置有气体通道；所述脉冲产生装置还包括设置在Peaking开关有机玻璃气腔(2)外端面的气压表；所述气压表与Peaking开关阳极头(5)的气体通道联通。

3.根据权利要求1或2所述的基于平板传输线P-C型高功率亚纳秒脉冲产生装置，其特征在于：

所述Peaking开关输入极板(1)、Peaking开关输出极板(7)、Chopping开关输入输出极板(4)的圆周侧面设置有切线断面，所述多个接线孔并排设置在切线断面上。