一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，包括若干個脈沖形成線、兩根充電電感、若干個氣體開關基于Marx電壓疊加連接為一體；脈沖形成線為環形脈沖形成線，每一個環形脈沖形成線的環形表面設置有一個氣體開關；所述環形脈沖形成線通過氣體開關依次疊加在一起形成一個柱形結構，所述充電電感穿過環形脈沖形成線的內環設置在柱形結構的內部，所述每兩個環形脈沖形成線之間設置有環形絕緣板。本實用新型使得結構上更加緊湊，其功率體積比與目前國內外有報道的脈沖功率系統提高至少50%；同時同軸設計使得整個裝置電場分布更加均勻，有利于降低電壓畸變引起的高壓擊穿事件。
【專利說明】
—種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及脈沖功率【技術領域】，具體是指一種矩形脈沖高壓產生裝置。可以應用于閃光照相、高功率微波、高功率射頻技術、材料研究等領域。
【背景技術】
[0002]高功率脈沖功率源小型化是當前脈沖功率技術研究的重要方向。HPM、X射線、激光研究等方面應用對電子束質量要求較高，迫切需要發展矩形脈沖緊湊型脈沖功率源，基于Marx電壓疊加技術的矩形脈沖功率源研究近年來成為國內外研究熱點。目前采用的幾種技術途徑有:1是采用脈沖形成網絡(PFN)形成脈沖，通過Marx技術實現電壓疊加輸出；2是采用高壓傳輸線形成脈沖，通過Marx技術實現電壓疊加輸出；3是采用直線型平板固態線形成脈沖，通過Marx技術實現電壓疊加輸出。采用以上技術路線已研制成功一些小型化脈沖功率源，但這些裝置實現的功率體積比水平距離實用化還有距離。
[0003]途徑I中采用脈沖形成網絡形成脈沖技術在產生長脈沖上具有一定的優勢，但是在產生百十納秒時，由于集中參數電容及電感會使得脈沖前后沿很長，再者，由于目前高壓陶瓷電容器或者薄膜電容器體積較大，要產生平頂相對較好的脈沖電壓需要多級電容電感，使得整個脈沖網絡體積較大。對于途徑2采用高壓傳輸線形成脈沖，由于介電常數較低(目前已知介電常數最高的去離子水的介電常數也只有81)，產生一定脈沖寬度的高壓脈沖需要的電長度非常長，不利于整個脈沖功率裝置小型化發展的趨勢。途徑3采用直線型平板固態線形成脈沖雖然能夠相對較高的介電常數，但是平板固態線由于其根據波的反射原理形成脈沖，在傳播過程中由于反射會使得波形質量較差，同時目前脈沖裝置都是通過引線與開關連接，會使得整個回路電感較大，不利于形成快脈沖前沿的高壓脈沖。同時為了減小開關連接電感，多級marx疊加時結構設計將會非常復雜。
[0004]前期本實用新型人研制了一種電極開口的環型固態脈沖形成線，已申請專利(專利號:201420085748.1)雖然其相比直線型平板固態脈沖線在緊湊化和小型化方面有了很大的提高，但是由于開口處兩端的鍍銀層的尖端會使得場強較其他地方偏大，存在尖端放電問題，同時場強的增強會導致陶瓷材料的體擊穿及沿面閃絡的發生；同時也存在平板固態脈沖形成線電壓波反射帶來的波形質量變差等問題。
實用新型內容
[0005]針對上述現有技術方案產生高壓脈沖的脈沖功率裝置，本實用新型所要解決的技術問題是提供一套小型化的脈沖功率裝置，其能夠實現快脈沖前沿，高緊湊型，波形質量好，高功率體積比的高壓脈沖輸出。該型脈沖功率裝置可以應用于閃光照相、高功率微波、高功率射頻技術、材料研究等領域，具有重要的社會效益和客觀的經濟效益。
[0006]本實用新型采用的技術方案:一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，包括設置在圓筒內的脈沖產生段和負載端，兩者通過絕緣板密封隔離；所述脈沖產生段包括若干個脈沖形成線、兩根充電電感、若干個氣體開關基于Marx電壓疊加連接為一體；其特征在于所述脈沖形成線為環形脈沖形成線，每一個環形脈沖形成線的環形表面設置有一個氣體開關電極，相鄰兩個環形脈沖形成線表面的氣體開關電極形成開關；所述環形脈沖形成線通過氣體開關依次疊加在一起形成一個柱形結構，所述充電電感穿過環形脈沖形成線的內環設置在柱形結構的內部，所述每兩個環形脈沖形成線之間設置有環形絕緣板。
[0007]在上述技術方案中，所述環形脈沖形成線包括環形陶瓷介質基板和電極層；所述電極層為閉環的圓環，所述環形陶瓷介質基板的兩個環形表面上分別設置有電極層，兩個電極層的同圓心、同半徑。
[0008]在上述技術方案中，所述氣體開關包括兩個電極，其中一個電極為平板銅片直接焊接在環形絕緣基板上的電極層上；另一個電極為帶螺紋的螺桿，焊接在環形絕緣基板上的另一電極層上。
[0009]在上述技術方案中，所述帶螺紋的螺桿上設置有一個可以調節位置的螺帽。
[0010]在上述技術方案中，所述氣體開關的兩個電極焊接的位置上下相對應。
[0011]在上述技術方案中，所述相鄰的兩個環形絕緣板半徑不同。
[0012]在上述技術方案中，所述從輸出方向到輸出入向單數層的絕緣板的半徑大于偶數層的絕緣板半徑，且單數層的絕緣板的邊緣上設置有一圈通孔。
[0013]在上述技術方案中，所述所用絕緣板的同一方向設置有開口。
[0014]在上述技術方案中，所述相鄰兩個環形脈沖形成線上空氣開關的電極位置相對應，兩個環形脈沖形成線之間的氣體開關的間距通過螺帽調節。
[0015]本實用新型中，為解決現有開口處兩端的鍍銀層的尖端會使得場強較大和電壓波在傳播過程中的反射帶來的波形質量變差問題，本實用新型采用了一種全封閉鍍銀電極的環型固態脈沖形成線，此環型固態形成線是在陶瓷材料的環形板片的兩個面上全封閉的鍍上銀作為電極，不留開口，因此不存在反射問題。其準矩形高壓脈沖的產生是根據脈沖沿環線雙向傳輸，并聯輸出的成形原理，較直線型平板固態脈沖形成線根據波的反射原理產生準矩形脈沖技術，其波形質量會有明顯的改善，脈沖前沿會有提高，因此通過此方法避免了電壓波在傳播到端面時波的反射導致波形質量變差的問題。同時由于沒有開口端面的存在，亦不存在端面處銀電極的尖端存在，從而使得電場分布更加均勻，有限避免了尖端放電的可能，同時整個環型陶瓷鍍銀使得電場分布更加均勻，能夠提高整個固態脈沖形成線的耐壓水平，減小沿面閃絡的發生概率。
[0016]在本實用新型中，將氣體開關的兩個電極直接焊在環型固態脈沖形成線的兩個白銀電極上，兩個電極分別是一個圓形的平板銅片和一個帶螺紋的螺桿，通過設計一個電極螺帽擰在螺桿上，當多級環型固態脈沖形成線進行marx疊加時，可通過調節電極螺帽來調節兩個環型固態脈沖形成線之間氣體開關的間距。這樣就使得氣體開關和固態脈沖線形成一個整體，減少了脈沖形成線與氣體開關直接的連接線，從而使得每個開關的連接電感降低，整個放電回路的回路電感大大的降低，回路電感的降低能夠有效的提高脈沖前沿，優化輸出高壓脈沖質量。
[0017]本實用新型中，脈沖形成線、氣體開關和充電電感均沿軸線層疊排布，氣體開關在形成線環間緊密排布，充電電感置于形成線包圍的空間內。由于固態脈沖形成線和外筒都是同軸型的設計，這樣就使得環型固態脈沖形成線電極上的高壓端和外筒之間場分布更加均勻，大大減小了尖端放電的風險和概率，在一定的絕緣電壓下所需要的絕緣空間就大大減小，能夠較好的實現整個裝置的小型化。同時由于多級固態脈沖形成線進行疊加時，每級形成線對周圍電場分布影響小，不容易產生電場畸變等問題，從而使得在電壓波放電過程中周圍電場或者其他固體脈沖形成線對其放電電場影響小，輸出脈沖波形質量高。
[0018]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是:整個脈沖功率系統由于在結構采用了同軸一體化的設計，使得結構上更加緊湊，其功率體積比與目前國內外有報道的脈沖功率系統提高至少50% ;同時同軸設計使得整個裝置電場分布更加均勻，有利于降低電壓畸變引起的高壓擊穿事件。采用環形固態形成線作為產生脈沖單元能夠輸出快脈沖前沿的高壓脈沖。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]本實用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0020]圖1是本實用新型的結構示意圖；
[0021]圖2是本實用新型的脈沖形成線的局部結構示意圖；
[0022]圖3是環形形成線的結構示意圖；
[0023]圖4是典型輸出電壓波形；
[0024]其中:1是充電電感，2是環形脈沖形成線，3是環形絕緣板，4是接地線，5是螺帽，6是平板銅片，7是充電輸入端，8是高壓輸出端，9是絕緣隔板，10是負載，11是電極層，12是陶瓷介質基板。
【具體實施方式】
[0025]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0026]如圖1所示，本實用新型的基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置包含設置在圓筒內的脈沖產生段和負載段組成，脈沖產生段和負載段之間通過絕緣隔板密封隔開。脈沖產生段充SF6氣體(或SF6與N2混合氣體)絕緣，負載段充變壓器油絕緣，兩種絕緣介質之間用有機玻璃絕緣板隔離，圖中整個裝置的外筒未畫出。脈沖產生段是裝置的主體，包括環形脈沖形成線、氣體開關、環形絕緣板、充電電感等部件。
[0027]如圖2所示。環形脈沖形成線、氣體開關和充電電感均沿軸線層疊排布，氣體開關在形成線環間緊密排布，兩組充電電感置于形成線包圍的空間內，除首級和末級外，其它級脈沖形成線采用兩環串聯使用。負載采用水電阻或二極管。為了緊固環形形成線，在環形絕緣板的圓周邊緣設置有通孔，在通孔中插入帶螺紋的螺桿，從最上面一層一層的用緊固螺母壓緊每一層環形脈沖形成線。工作時，充電電源的充電輸入端與充電電感連接，通過充電電感對脈沖形成線并聯充電至預定電壓，當電壓值大于氣體開關的擊穿電壓時開關導通，各級脈沖形成線電壓疊加產生高壓脈沖對負載放電，通過高壓輸出端將高壓脈沖輸出到負載。充電電感在充電期間可看作短路，在脈沖形成線放電期間實現形成線單元之間及形成線與電源之間的隔離。
[0028]充電電感內置于環型固態脈沖形成線內，這樣一方面有利于防止電場畸變帶來的影響，同時也可實現緊湊化和小型化的目的。兩個環型固態脈沖線之間通過尼龍或者有機玻璃作為絕緣介質，絕緣厚度根據施加在環型固態脈沖形成線兩端的電壓及SF6氣體單位距離下的絕緣場強而定，相鄰兩個環型固態脈沖形成線兩端的兩個銅電極作為氣體開關，由于整個脈沖產生段充滿了一定壓力的SF6氣體，所以SF6作為氣體開關和脈沖形成線的絕緣介質。
[0029]如圖3所示，環形脈沖形成線由一個環形的陶瓷介質基板，在陶瓷介質基板的兩個環形面上設置有一層環形電極，電極采用鍍銀的方式設置。陶瓷介質基板為燒結后的陶瓷片，環形電極層兩端的寬度小于陶瓷片寬度(5mm)，增加電極的擊穿長度，從而防止沿面閃絡擊穿。為了減少電感，將氣體開關直接焊接在環形脈沖形成線的電極層上，氣體開關有兩個電極，其中一個電極采用平板銅片焊接在電極層上，另一個氣體開關的電極采用帶螺紋的螺桿，焊接在環形脈沖形成線的另一個電極層上；氣體開關的兩個電極在垂直方向上—致。
[0030]如圖4，實驗獲得的波形為良好的矩形脈沖輸出，輸出脈沖半高寬(F W H M)約60ns,前沿8.2ns，匹配下電壓效率大于90%。
[0031]本實用新型并不局限于前述的【具體實施方式】。本實用新型擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組口 ο
【權利要求】
1.一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，包括設置在圓筒內的脈沖產生段和負載端，兩者通過絕緣板密封隔離；所述脈沖產生段包括若干個脈沖形成線、兩根充電電感、若干個氣體開關基于Marx電壓疊加連接為一體；其特征在于所述脈沖形成線為環形脈沖形成線，每一個環形脈沖形成線的環形表面設置有一個氣體開關電極，相鄰兩個環形脈沖形成線表面的氣體開關電極形成開關；所述環形脈沖形成線通過氣體開關依次疊加在一起形成一個柱形結構，所述充電電感穿過環形脈沖形成線的內環設置在柱形結構的內部，所述每兩個環形脈沖形成線之間設置有環形絕緣板。
2.根據權利要求1所述的一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，其特征在于所述環形脈沖形成線包括環形陶瓷介質基板和電極層；所述電極層為閉環的圓環，所述環形陶瓷介質基板的兩個環形表面上分別設置有電極層，兩個電極層的同圓心、同半徑。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，其特征在于所述氣體開關包括兩個電極，其中一個電極為平板銅片直接焊接在環形陶瓷介質基板上的電極層上；另一個電極為帶螺紋的螺桿，焊接在環形陶瓷介質基板上的另一電極層上。
4.根據權利要求3所述的一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，其特征為所述帶螺紋的螺桿上設置有一個可以調節位置的螺帽。
5.根據權利要求3所述的一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，其特征為所述氣體開關的兩個電極焊接的位置上下相對應。
6.根據權利要求1所述的一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，其特征為所述相鄰的兩個環形絕緣板半徑不同。
7.根據權利要求1或6所述的一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，其特征為從脈沖功率的輸出方向到輸入方向單數層的絕緣板的半徑大于偶數層的絕緣板半徑，且單數層的絕緣板的邊緣上設置有一圈通孔。
8.根據權利要求7所述的一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，其特征為所述絕緣板的同一方向設置有開口。
9.根據權利要求1或4或5所述的一種基于環形陶瓷固態線的脈沖功率裝置，其特征為所述相鄰兩個環形脈沖形成線上空氣開關的電極位置相對應，兩個環形脈沖形成線之間的氣體開關的間距通過螺帽調節。
【文檔編號】H03K5/04GK204013444SQ201420412896
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】許州, 羅敏, 王朋, 康強, 李名加, 向飛, 王淦平, 羅光耀, 張北鎮, 李春霞, 金暉, 楊曉亮, 譚杰 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所