基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統及方法，通過采用初級脈沖源直接為觸發系統峰化電容充電至幾十千伏，并利用自擊穿峰化開關和自擊穿短路開關相互配合截取觸發信號的技術途徑，直接產生百千伏觸發信號，避免了傳統的十幾伏至百千伏的信號放大電路，大大減小了信號放大級數，顯著降低了觸發系統時間延遲(即響應時間)，提高了其響應速度；此外，簡化了初始觸發信號獲取單元結構并提高了獲取電壓信號幅值(幾十千伏)，增強了系統抗電磁干擾能力，確保了系統工作的可靠性。
【專利說明】基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種能夠產生高電壓、快前沿、長脈寬電脈沖的快響應觸發系統及方 法，應用于大型脈沖功率裝置中同初級脈沖源（Marx或LTD發生器）工作時序相關聯的各 類受控脈沖高壓開關的電脈沖觸發（包括主開關、能量轉移開關等）。
【背景技術】
[0002] 在國際現有大型脈沖功率裝置中，多級脈沖壓縮已成為一種普遍采用的技術途 徑，如Saturn、Z、ZR、PTS、閃光-II、強光一號等裝置，其中主開關工作特性成為脈沖壓縮過 程中的核心部件，如何有效控制其導通時刻直接決定著主開關工作性能評價。一般情況下， 裝置設計要求主開關在初級脈沖源為下游傳輸線充電至90%?95%峰值時間段內導通， 以提高裝置整體能量轉化效率。因此，主開關同初級脈沖源之間具有明確的時間關聯性，即 初級脈沖建立特定時間后導通。與主開關具有類似要求的還有近年來出現的用于保護初級 脈沖源的能量轉移開關。針對這類用途需求，目前各類裝置中多采用觸發類型開關，對于多 路同步要求非常高的裝置中多采用激光觸發，但激光觸發系統結構復雜、成本高昂；而較為 常見的則是電脈沖觸發類型，其觸發系統具有結構簡單、成本低廉、維護方便等優點，但要 求其響應快且輸出電壓脈沖具有高電壓（數百千伏）、快前沿（數納秒）、長脈寬（數百納 秒）等特點。因此，同初級脈沖源時序相關聯受控開關的電脈沖觸發系統成為大型脈沖功 率裝置研制領域一個重要的研究內容。
[0003] 目前，國內外已研制成功的用于同初級脈沖源時序相關聯受控開關（主要是主開 關和能量轉移開關）觸發的電脈沖觸發系統主要分為兩類，一類是觸發系統與初級脈沖源 完全獨立，此種情況下，觸發系統初始信號源自于控制時序用的同步機，一般為幾十伏低壓 信號，例如：在尹佳輝、孫鳳舉、邱愛慈等人的《多組多路輸出100kv快前沿電脈沖觸發系 統》（強激光與粒子束2008年第20卷第12期）中，介紹了一種從同步機幾十伏信號經4級 放大至100kV的觸發系統，最后通過電纜引出至高阻負載，其觸發電壓可達180kV，觸發信 號最短延遲時間約305ns ;另一類是觸發系統初始信號源自于初級脈沖源，此種情況下，初 級脈沖源充當了同步機的功用，通過采樣比較電路為觸發系統提供幾伏至十幾伏量級的觸 發信號，其特點是初級脈沖源同受控開關時序直接相關聯，例如，在楊莉、程亮、黃建軍等人 的《閃光二號加速器氣體主開關同步觸發系統》（強激光與粒子束2007年第19卷第6期） 中，介紹了一種利用比較電路從發生器獲取十幾伏觸發信號，而后經過3級放大至100kV 的觸發系統，觸發信號最短延遲時間約440ns ;在D. M. Barrett的《Trigger system for the EAGLE pulsed power research facility》 （3rd IEEE International Pulsed Power Conference, Albuquerque, New Mexico, 1981，pp. 206-209)中，同樣介紹了一種利用比較電 路從Marx發生器獲取5V初始信號，后經3級放大至140kV的觸發系統，觸發信號最短延遲 時間約510ns。由上可知，無論采用上述何種方案，現有觸發系統均需要將幾伏至幾十伏的 信號逐級放大至數百千伏，由此帶來以下三方面的問題：第一，由于現有技術尚不能實現將 幾伏至十幾伏的信號直接放大至數百千伏，一般均采用3?4甚至更多級信號放大電路，而 每一級均會引入一定的時間延遲，因此大大增加了該類觸發系統的整體時延，不利于快響 應觸發系統的研制；第二，隨著放大級數的增多，觸發系統結構復雜化，降低了系統工作可 靠性，同時增大了日常維護難度。第三，對于上文所述第一類觸發系統，當初級脈沖源處于 非正常工作模式時（如發生故障），觸發系統與初級脈沖源工作時序將會被破壞，對裝置運 行的可靠性構成嚴重危險。而對于上文所述第二類觸發系統，通過采樣比較電路從發生器 幾十甚至上百千伏信號中獲取幾伏的初始觸發信號本身存在著較大的偏差，同時該信號容 易受到強電磁環境的干擾，不利于觸發系統時序控制。
【發明內容】
[0004] 為克服現有電脈沖觸發系統中電路放大級數多、觸發時延大、同初級脈沖源獲取 觸發信號單元結構復雜且信號幅值低易受干擾等方面存在的不足，本發明提供了一種基于 初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統及方法。
[0005] 本發明的技術解決方案是：
[0006] -種基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統，其特殊之處在于：
[0007] 包括裝有變壓器油的箱體19、浸置于變壓器油內的觸發信號模塊20 ;
[0008] 所述觸發信號模塊包括"工"字形柱狀尼龍電纜支座12,設置在尼龍電纜支座底端 的圓盤形高壓板3,設置在尼龍電纜支座上端的圓盤形接地板4,沿模塊中心軸線上下排布 的多個串連的圓柱形峰化電容5,設置在峰化電容外圍的有機玻璃套筒11，設置在有機玻 璃套筒外圓周呈120度夾角分布的自擊穿峰化開關7、自擊穿短路開關6和充電測量單元 10 ;所述圓柱形峰化電容5兩端分別同高壓板3和接地板4相連接；所述高壓板3通過充電 電阻1連接至初級脈沖源輸出端；所述自擊穿峰化開關7 -端同高壓板相接，另一端通過一 峰化電阻9連接至接地板4 ;所述自擊穿短路開關6 -端連接至高壓板3,另一端通過一阻 尼電阻8連接至接地板4 ;所述峰化電阻9高壓端通過一繞置在尼龍電纜支座上的輸出電 纜13輸出。
[0009] 上述脈沖觸發系統還包括浸置于變壓器油內的Marx模塊21 ;
[0010] 所述Marx模塊包括兩個觸發電阻18、兩只±100kV觸發開關15、兩級R-L-C放電 回路14,所述兩級R-L-C放電回路包括壘砌在一起的四個電容；所述觸發信號模塊20的輸 出電纜13同時與兩個觸發電阻的一端連接，兩個觸發電阻的另一端分別連接兩只±100kV 觸發開關的觸發端口，所述壘砌在一起的四個電容中相鄰電容充電極性相反，依次串聯，且 每一級R-L-C放電回路的兩個電容之間接一只±100kV觸發開關15 ;四個電容串聯后的其 中一端通過箱體接地，另一端輸出觸發脈沖。
[0011] 上述Marx模塊的輸出端設置一回流板和接地電阻，所述回流板一端連接至Marx 模塊接地電阻低壓端，另一端連接至靠近觸發輸出端口的油箱外殼，整體傾斜；接地電阻高 壓端連接至觸發輸出端，放電形成過程中充當脈沖隔離電阻。
[0012] 上述觸發信號模塊和Marx模塊固定于變壓器油箱體內的尼龍板上。
[0013] 一種基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發方法，其特殊之處在于：包括以下 步驟：
[0014] 1)初級脈沖源通過充電電阻和高壓板向峰化電容充電至幾十千伏高電壓；
[0015] 2)峰化電容充電至峰化開關自擊穿電壓閾值時，峰化開關導通并在峰化電阻高壓 端產生一觸發信號；短路開關在峰化開關動作特定時間后導通，以釋放源自初級脈沖源的 電流；通過充氣氣壓調整峰化開關和短路開關擊穿閾值；
[0016] 3)觸發信號通過電纜引至Marx模塊，觸發信號脈寬為電纜電長度的2倍；
[0017] 4)觸發信號通過Marx模塊的保護電阻觸發兩只±100kV觸發開關，兩級R-L-C放 電回路串聯放電，實現快前沿、高幅值觸發信號的輸出。
[0018] 上述短路開關和阻尼電阻之間應滿足以下條件：在峰化開關導通單倍電纜電長度 時間后，短路開關導通。
[0019] 上述峰化開關和短路開關擊穿閾值通過其充氣氣壓調整。
[0020] 上述觸發信號模塊中的電纜伸入至接地板以下的部分在滿足絕緣要求的條件下 盡量靠近峰化電容。
[0021] 本發明的優點：
[0022] 1、本發明系統通過采用初級脈沖源直接為觸發系統峰化電容充電至幾十千伏，并 利用自擊穿峰化開關和自擊穿短路開關相互配合截取觸發信號的技術途徑，直接產生百千 伏觸發信號，避免了傳統的十幾伏至百千伏的信號放大電路，大大減小了信號放大級數，顯 著降低了觸發系統時間延遲（即響應時間），提高了其響應速度；此外，簡化了初始觸發信 號獲取單元結構并提高了獲取電壓信號幅值（幾十千伏），增強了系統抗電磁干擾能力，確 保了系統工作的可靠性。
[0023] 2、本發明基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統，采用兩級放大電路實現 了數百千伏觸發脈沖的輸出，大大簡化了系統結構，同時第一級觸發信號幅值可方便地通 過改變峰化開關和短路開關氣壓進行調整，有效降低了日常運行維護難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1是Marx模塊"弓"字形放電回路。
[0025] 圖2是本發明的縱剖面結構示意圖。
[0026] 圖中，1-充電電阻；2-尼龍板；3-高壓板；4-接地板；5-峰化電容；6-短路開關； 7_峰化開關；8-阻尼電阻；9-峰化電阻；10-充電測量單元；11-有機玻璃套筒；12-尼龍 電纜支座；13-輸出電纜；14-R-L-C放電回路；15-觸發開關；16-接地電阻；17-回流板； 18-觸發電阻；19-裝有變壓器油的箱體；20-觸發信號模塊；21-Marx模塊。
【具體實施方式】
[0027] 觸發信號模塊整體呈圓柱狀結構，外殼為一"工"字形柱狀尼龍電纜支座，底端為 圓盤形高壓板，上端為圓盤形接地板，圓柱形峰化電容沿模塊中心軸線排布，兩端分別同高 壓板和接地板相連接；高壓板通過一充電電阻連接至初級脈沖源輸出端，通過合理調節充 電電阻和峰化電容參數實現特定時刻峰化電容充電幅值的調整；峰化電容外圍設置一有 機玻璃套筒，以防止峰化電容高壓同周圍部件之間發生擊穿放電；沿有機玻璃套筒外圓周 均勻分布著自擊穿峰化開關、自擊穿短路開關和充電測量單元；峰化開關一端同高壓板相 接，另一端通過一峰化電阻連接至接地板，當峰化電容充電至峰化開關自擊穿電壓閾值時， 峰化開關導通并在峰化電阻高壓端產生一觸發信號，該信號通過一繞置在尼龍電纜支座上 的電纜引出至Marx模塊，輸出觸發信號脈寬為電纜電長度的2倍；電纜伸入至接地板以下 的部分要求在滿足絕緣要求的條件下盡量靠近峰化電容，以減小引出電感，獲得快前沿觸 發脈沖；由于初級脈沖源電壓的持續增大，且為了獲得較快的響應，峰化電容充電常數一般 設置較小，因此峰化開關導通后峰化電容充電電壓在一個小的回落后會繼續增大，針對于 此設置短路開關在峰化開關動作特定時間后導通，以釋放源自初級脈沖源的電流；短路開 關一端連接至高壓板，另一端通過一阻尼電阻連接至接地板，通過合理設置阻尼電阻參數， 可有效減小峰化電容電壓反沖；峰化開關和短路開關擊穿閾值可以通過其充氣氣壓調整； Marx模塊主要由兩級R-L-C放電回路構成，兩只±100kV觸發開關由觸發信號模塊的電纜 通過一保護電阻進行觸發；輸出端設置一回流板以減小輸出端電感，實現最終的快前沿觸 發信號的輸出，回流板一端連接至Marx模塊接地電阻低壓端，另一端連接至靠近觸發輸出 端口的油箱外殼，整體傾斜特定角度，以保證同接地電阻之間的絕緣安全。整個觸發信號模 塊和Marx模塊固定于一尼龍板上，并浸置于一變壓器油箱體內，構成一個緊湊型的觸發系 統。
[0028] 觸發信號模塊中的峰化電容直接由初級脈沖源通過充電電阻充電至幾十千伏高 電壓。
[0029] 峰化開關、峰化電阻和輸出電纜相互配合，實現觸發信號模塊中觸發脈沖的引出， 觸發脈寬約為2倍電纜電長度時間。
[0030] 短路開關和阻尼電阻相互配合，實現觸發信號模塊的保護，在峰化開關導通單倍 電纜電長度時間后，短路開關導通，源自于初級脈沖源的電流通過阻尼電阻進行釋放。
[0031] 圖2中，本發明的基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統主要由觸發信號 模塊20和Marx模塊21兩個部分組成。觸發信號模塊20整體呈圓柱狀結構，最外圍為一 "工"字型尼龍電纜支座13,上端與接地板4相接，下端與高壓板3相接；位于觸發信號模塊 20中心軸線位置為一 0. 93nF的圓柱狀峰化電容5,其一端連接至高壓板3,另一端連接至 接地板4,其外圍設置有一有機玻璃套筒11，以防止峰化電容5在充電情況下同外圍各部件 之間發生擊穿放電；有機玻璃套筒11外圍均布著峰化開關7、短路開關6和充電測量單元 10,三者一端均與高壓板3電連接；充電測量單元10另一端直接連接至接地板4,短路開關 6另一端通過一 5 Ω阻尼電阻8連接至接地板4,峰化開關7另一端通過一 1.5k Ω峰化電 阻9連接至接地板4 ;同時，峰化電阻9高壓端連接一 50 Ω輸出電纜13,電纜長約7m，整體 纏繞于尼龍電纜支座12上（圖2中未能畫出），其另一端連接至Marx模塊21中的觸發電 阻18中間金屬部分；觸發信號模塊20的高壓板3通過一 1. 5k Ω充電電阻1與初級脈沖源 高壓端電連接；在實際工作中，初級脈沖源通過充電電阻1為峰化電容器5充電，當其充電 幅值約70kV時，峰化開關7導通，并在峰化電阻9上產生一觸發信號，該信號通過輸出電纜 13成形在末端開路條件下輸出一幅值約140kV、脈寬約70ns的觸發脈沖；峰化開關7導通 約35ns時間后，短路開關6導通并通過阻尼電阻8將源自于初級脈沖源的電流釋放，而整 個工作過程可以通過充電測量單元10在示波器上進行觀察。Marx模塊21是對前級觸發信 號的放大，其由兩級R-L-C放電回路14構成，觸發信號模塊20產生的觸發脈沖通過觸發電 阻18直接作用于兩個觸發開關15的觸發電極，引燃觸發開關15并在接地電阻16高壓端 產生一更高幅值的觸發脈沖，在R-L-C放電回路14預充電100kV的條件下，系統最終可獲 得峰值約400kV的觸發脈沖；同時，為了減小輸出端電感，獲得較快前沿觸發脈沖，輸出端 設置有一回流板17,其一端連接至接地電阻16低壓端，另一端連接至變壓器油箱體19輸出 端口附近；最后，觸發信號模塊20和Marx模塊21固定于同一尼龍板之上，然后整體浸置于 95cmX55cmX45cm變壓器油箱體19內，形成一個緊湊型的觸發系統。
[0032] 0. 93nF峰化電容5直接由初級脈沖源通過1. 5k Ω充電電阻1充電至70kV，峰化 電容5和充電電阻1具體數值需依據初級儲能源參數確定，但充電電阻1數值應同后端的 峰化電阻9的數值基本接近，相等時最佳。
[0033] 峰化電容5充電至70kV時，峰化開關7導通，約35ns后短路開關6導通，觸發信 號模塊20輸出脈沖電壓幅值約140kV、脈寬約70ns ;觸發信號模塊20電壓幅值可通過改變 峰化開關7氣壓進行調整，而脈寬時間可通過改變短路開關6與峰化開關7導通時刻差及 輸出電纜13長度進行調整。
[0034] 基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統由觸發信號模塊20和Marx模塊21 兩級構成，觸發信號模塊20輸出脈沖電壓幅值約140kV時，其響應時間約150ns、前沿時間 小于10ns ;Marx模塊21輸出脈沖電壓幅值最高可達400kV，其響應時間約為70ns、前沿時 間小于10ns ;觸發系統整體響應時間約為220ns。
[0035] 本發明中的各部件電參數及輸出指標并不唯一，可依據初級脈沖源參數及應用需 求進行一定的調整；實際應用中，對觸發脈沖幅值要求低于200kV時，可由本觸發系統中的 觸發信號模塊20直接提供，無需第二級Marx模塊21，如此可以獲得更快的響應時間。
【權利要求】
1. 一種基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統，其特征在于： 包括裝有變壓器油的箱體（19)、浸置于變壓器油內的觸發信號模塊（20); 所述觸發信號模塊包括"工"字形柱狀尼龍電纜支座（12)，設置在尼龍電纜支座底端的 圓盤形高壓板（3)，設置在尼龍電纜支座上端的圓盤形接地板（4)，沿模塊中心軸線上下排 布的多個串連的圓柱形峰化電容（5)，設置在峰化電容外圍的有機玻璃套筒（11)，設置在 有機玻璃套筒外圓周呈120度夾角分布的自擊穿峰化開關（7)、自擊穿短路開關（6)和充電 測量單元（10);所述圓柱形峰化電容（5)兩端分別同高壓板（3)和接地板（4)相連接；所 述高壓板（3)通過充電電阻（1)連接至初級脈沖源輸出端；所述自擊穿峰化開關（7) -端 同高壓板相接，另一端通過一峰化電阻（9)連接至接地板（4);所述自擊穿短路開關（6) - 端連接至高壓板（3)，另一端通過一阻尼電阻（8)連接至接地板（4);所述峰化電阻（9)高 壓端通過一繞置在尼龍電纜支座上的輸出電纜（13)輸出。
2. 根據權利要求1所述的基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統，其特征在 于： 還包括浸置于變壓器油內的Marx模塊（21); 所述Marx模塊包括兩個觸發電阻（18)、兩只±100kV觸發開關（15)、兩級R-L-C放電 回路（14)，所述兩級R-L-C放電回路包括壘砌在一起的四個電容；所述觸發信號模塊（20) 的輸出電纜（13)同時與兩個觸發電阻的一端連接，兩個觸發電阻的另一端分別連接兩只 ± 100kV觸發開關的觸發端口，所述壘砌在一起的四個電容中相鄰電容充電極性相反，依次 串聯，且每一級R-L-C放電回路的兩個電容之間接一只±100kV觸發開關（15);四個電容 串聯后的其中一端通過箱體接地，另一端輸出觸發脈沖。
3. 根據權利要求1所述的基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統，其特征在 于： 所述Marx模塊的輸出端設置一回流板和接地電阻，所述回流板一端連接至Marx模塊 接地電阻低壓端，另一端連接至靠近觸發輸出端口的油箱外殼，整體傾斜；接地電阻高壓端 連接至觸發輸出端，放電形成過程中充當脈沖隔離電阻。
4. 根據權利要求1或2或3所述的基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發系統，其 特征在于： 所述觸發信號模塊和Marx模塊固定于變壓器油箱體內的尼龍板上。
5. -種基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發方法，其特征在于：包括以下步驟： 1) 初級脈沖源通過充電電阻和高壓板向峰化電容充電至幾十千伏高電壓； 2) 峰化電容充電至峰化開關自擊穿電壓閾值時，峰化開關導通并在峰化電阻高壓端產 生一觸發信號；短路開關在峰化開關動作特定時間后導通，以釋放源自初級脈沖源的電流； 通過充氣氣壓調整峰化開關和短路開關擊穿閾值； 3) 觸發信號通過電纜引至Marx模塊，觸發信號脈寬為電纜電長度的2倍； 4) 觸發信號通過Marx模塊的保護電阻觸發兩只±100kV觸發開關，兩級R-L-C放電回 路串聯放電，實現快前沿、高幅值觸發信號的輸出。
6. 根據權利要求5所述的基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發方法，其特征在 于： 所述短路開關和阻尼電阻之間應滿足以下條件：在峰化開關導通單倍電纜電長度時間 后，短路開關導通。
7. 根據權利要求5所述的基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發方法，其特征在 于： 所述峰化開關和短路開關擊穿閾值通過其充氣氣壓調整。
8. 根據權利要求5所述的基于初級脈沖源充電的快響應電脈沖觸發方法，其特征在 于： 所述觸發信號模塊中的電纜伸入至接地板以下的部分在滿足絕緣要求的條件下盡量 靠近峰化電容。
【文檔編號】H02M1/00GK104113187SQ201410320186
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月7日 優先權日:2014年7月7日
【發明者】呼義翔, 曾江濤, 孫鳳舉, 姜曉峰, 王志國, 魏浩, 叢培天 申請人:西北核技術研究所