高阻抗高電壓輸出的同軸脈沖形成線的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于脈沖功率技術領域，涉及一種高阻抗高電壓輸出的同軸脈沖形成線。
【背景技術】
[0002]在脈沖功率技術領域，用于產生高電壓脈沖的方法有許多種，其中單同軸線(文南犬 I:S.D.Korovin, V.V.Rostov, S.D.Polevin, Pulsed power-driven high-powermicrowave sources, Proceedings of the IEEE，Vol.92, N0.7 ； July 2004)和同軸Blumlein 線(文南犬 2:J.C.Martin, Nanosecond pulse techniques, Proceedings of theIEEE, Vol.80，N0.6 June 1992)是最常見的脈沖形成線。高功率脈沖裝置的小型化要求脈沖形成線儲能最大化，脈沖形成線的最佳阻抗主要取決于儲能介質的介電常數。一般來說，Blumlein線的輸出阻抗比單同軸線高。單同軸線由內筒和外筒兩個套在一起的同軸圓筒組成，負載匹配輸出電壓幅值等于單同軸線充電電壓的一半。同軸Blumlein線由內筒、中筒和外筒三個套在一起的同軸圓筒組成，在充電過程中筒為高電位，內筒與外筒等電位，即中筒與內外筒之間均存在電壓差，負載匹配輸出電壓幅值等于充電電壓。傳統的單同軸線和同軸Blumlein線存在以下不足:單同軸線的輸出電壓低、同軸Blumlein線雙線儲能在充電過程的絕緣壓力大。
[0003]同軸兩級重入脈沖形成線(專利受理號:201510262236.7)采用同軸外線儲能，并采用同軸兩級脈沖形成線的重入結構實現一般同軸線三倍的脈寬輸出，負載匹配阻抗為一般同軸線波阻抗的三倍，該技術方案能夠產生較寬的脈沖輸出、對較高阻值負載的能量傳輸效率高。該結構的不足處在于:匹配輸出電壓低，為充電電壓的一半，對于高電壓輸出需求來說，形成線的充電壓力較大。

【發明內容】

[0004]為克服傳統的單線儲能輸出電壓低和Blumlein線雙線儲能絕緣難度大的不足，本發明提供一種高阻抗高電壓輸出的同軸脈沖形成線，在同一脈沖形成結構上同時實現絕緣可靠和輸出電壓高的優點。
[0005]本發明解決其技術問題所形成的技術方案是:
[0006]高阻抗高電壓輸出的同軸脈沖形成線，包括依次連接的短路開關段1、形成線段2、輸出開關段3和負載段4，其特征在于:
[0007]所述短路開關段包括后端蓋17及短路開關，所述短路開關包括短路開關陽極18、短路開關陰極19及絕緣填充介質，所述短路開關陰極19設置在后端蓋內側與短路開關陽極18相對且保持一定間隙；
[0008]所述形成線段2包括4個直徑逐漸減小且長度相等的金屬圓筒、端板21、絕緣介質及多個引桿16，4個金屬圓筒分別是同軸設置并依次嵌套的形成線外筒14、筒B13、筒A12和內筒11 ;其中，筒B及內筒靠近短路開關段的一端通過圓周設置的端板21電連接，所述端板與筒B的連接處為圓周設置的圓弧段；筒A及筒B靠近輸出開關的一端通過圓周設置的圓弧段電連接；所述絕緣介質填充在相鄰金屬圓筒之間以及端部，形成線外筒14、筒B13及兩筒之間的絕緣介質形成外線，筒B13、筒A12及兩筒之間的絕緣介質形成中線，筒A12、內筒11及兩筒之間的絕緣介質形成內線，所述外線、中線和內線的波阻抗比值為4:3:12 ;
[0009]所述端板上以內筒中心為中心圓周設置有與引桿數量相同的導引孔20，所述引桿穿過端板21上的導引孔20，并與導引孔20同軸；
[0010]所述輸出開關段3包括輸出開關外筒9及設置在輸出開關外筒內的輸出開關，所述輸出開關包括相對設置的輸出開關陽極7、輸出開關陰極8及填充在輸出開關內的開關氣體介質，輸出開關陽極7和輸出開關陰極8保持一定的間隙距離；
[0011]所述負載段4包括負載外筒6及設置在負載外筒內的負載電阻及絕緣介質，絕緣介質填充在負載電阻5和負載外筒6之間；
[0012]所述形成線外筒14靠近短路開關段的一端與后端蓋電連接，所述形成線外筒14靠近輸出開關的一端與輸出開關外筒的一端電連接，所述輸出開關外筒的另一端與負載外筒的一端電連接；
[0013]所述引桿的一端與短路開關陽極電連接，所述引桿的另一端穿過導引孔20與筒A靠近短路開關的一端電連接；
[0014]所述內筒靠近輸出開關的一端與輸出開關陰極電連接；
[0015]所述負載電阻的一端與輸出開關陽極電連接，所述負載電阻的另一端與負載外筒的另一端電連接；
[0016]在充電過程中，形成線外筒14接地，在慢充電過程中內筒11、筒A 12和筒B13這三個金屬圓筒充上幅值相等的高電壓U0，所述短路開關的閾值為U0，所述輸出開關的閾值為-2U0。
[0017]上述的負載段4的匹配阻值為形成線段2外線的4倍。
[0018]上述多個引桿以內筒為中心圓周均布。
[0019]本發明與現有技術相比，有益效果是:
[0020]1、單線儲能絕緣可靠:傳統的Blumlein線也能實現高電壓輸出一倍的充電電壓，但是采用雙線儲能絕緣難度大。本發明的形成線段2為一體化同軸結構，包含了 4個套在一起的金屬圓筒，構成了 3個脈沖形成線，僅外線用于能量儲存，絕緣可靠。
[0021]2、輸出電壓高:本發明采用了重入結構和串聯輸出電壓疊加方法，使得匹配輸出電壓幅值與形成線充電電壓相等，達到了傳統的同軸Blumlein線的效果，有利于減輕對形成線充電的壓力。傳統的儲能單線輸出電壓低一一充電電壓的一半。
[0022]3、輸出阻抗高:本發明由于采用了重入結構和串聯輸出結構，匹配輸出阻抗為用于儲能的外線的波阻抗的4倍，比傳統的同軸Blumlein線輸出阻抗高得多，對較高阻值負載的能量傳輸效率高。
[0023]4、采用輸出開關和短路開關組合實現脈沖輸出:在形成線慢充電過程，當短路開關間隙電壓到達閾值UO時發生導通，而輸出開關間隙電壓達到UO時不導通；當輸出開關間隙電壓迅速翻轉至-2U0時才發生導通。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明高阻抗高電壓輸出的同軸脈沖形成線的結構圖。
[0025]圖2是本發明形成線結構在左界面15位置的橫截面圖。
[0026]圖3是實施例脈沖形成線模型的仿真電路。
[0027]圖4是實施例仿真波形結果。
[0028]圖中，I短路開關段，2形成線段，3輸出開關段，4負載段，5負載電阻，6負載外筒，7輸出開關陽極，8輸出開關陰極，9輸出開關外筒，10右界面，11內筒，12筒A，13筒B，14形成線外筒，15左界面，16引桿，17后端蓋，18短路開關陽極，19短路開關陰極，20開孔，21端板(陰影部分)，端口 22-22'，端口 23-23'，24-中心孔。
【具體實施方式】
[0029]以下結合實施例對本發明進行說明，實施例參照圖3。
[0030]對本發明高阻抗高電壓輸出的同軸脈沖形成線的形成線段2進行有限元電磁場模擬仿真，其左界面15—側為端口 22-22'，端口 22相當于短路開關陽極底座，端口 22'相當于形成線外筒左端面，端口 22-22'與開關元件switch I連接，switch I為短路開關，其右界面10—側為端口 23-23'，端口 23相當于內筒右端面，端口 23'相當于形成線外筒右端面端口 23-23'通過開關元件switch 2與阻值63 Ω的電阻元件Rl連接，switch 2為輸出開關，電壓幅值U。的直流充電電源通過充電電阻Lh與仿真模型的端口離散點22連接。形成線段2仿真模型采用變壓器油介質，具體參數為:形成線段長度1000mm，形成線外筒14內徑450mm，筒B 13的外徑304mm、內徑264mm，筒A 12的外徑196mm、內徑190mm，內筒11外徑58mm。形成線充電600kV，筒B 13的外表面場強100kV/cm。放電過程，內筒11的表面場強130kV/cm，筒A 12的外表面場強78kV/cm。負載的匹配設計阻抗為63Ω，輸出電壓600kV，脈寬10ns。
[0031]圖4給出了圖3電路的仿真波形，輸出脈沖仿真結果與理論設計吻合，其中，V (22)、V(23)分別為端口離散點22和23的電壓波形，分別描述形成線段2在左端面15和右端面10的放電情況，V(RL)為負載電阻元件Rl的電壓波形。
[0032]現結合實施例、附圖對本發明脈沖形成過程的工作原理作進一步描述:
[0033]形成線段的4個同軸圓筒與絕緣介質構成了 3個脈沖形成線(外線、中線和內線)，假設筒B 13的充電電壓U。，形成線電長度為τ (其中τ = I ε/2/c，I為形成線的軸向長度，c為真空中的光速，\為絕緣介質的相對介電常數)。短路開關和輸出開關先后閉合，開關閉合后電磁波在傳輸線上傳輸時，遇到阻抗不連續的界面時將發生波的反射和透射行為。假定端板21所在的橫截面為左界面15，假定筒B13和筒A 12電連接端所在的橫截面為右界面10。
[0034]輸出開關未閉合時，波在不連續界面的幾個具體的波傳輸行為包括:
[0035]I)短路開關閉合行為。短路開關導通后，短路電壓波行經的傳輸線等效為內中線并聯后再與外線串聯。當外線、中線和內線的波阻抗比值為4:3:12時，產生的短路電壓波(左界面15位置)同時向內、外、中線傳輸，幅值分別為(-3/8) (-U0)、(3/8) (-U0)和(5/8)
(-U0) O
[0036]2)輸出開關未閉合時，形成線電壓波在右界面10的傳輸行為。內外線電壓波均發生開路反射，幅值和極性均相同。中線電壓波發生短路反射，幅值相同且極性相反。
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