本發(fā)明涉及高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源技術(shù)領(lǐng)域的脈沖形成線，尤其是一種半圓形同軸高功率脈沖形成線。

背景技術(shù)：

高功率(大于百兆瓦)脈沖驅(qū)動(dòng)源技術(shù)是研究將能量以較低的功率儲(chǔ)存起來，通過開關(guān)、脈沖調(diào)制等技術(shù)在很短的時(shí)間內(nèi)把儲(chǔ)存的能量釋放給負(fù)載，從而在負(fù)載上獲得具有特定波形的高功率電脈沖的技術(shù)。具有準(zhǔn)方波波形的高功率電脈沖具有能量效率高，作用效果好等優(yōu)點(diǎn)，得到了最為廣泛的應(yīng)用。近些年來，在高性能脈沖驅(qū)動(dòng)源裝置的應(yīng)用牽引下，準(zhǔn)方波高功率電脈沖在高功率微波、高能量脈沖激光、等離子體物理、沖擊波發(fā)生器、材料表面改性、工業(yè)廢氣廢水處理、生物醫(yī)學(xué)以及食品殺菌消毒等眾多重點(diǎn)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注和快速的發(fā)展，并取得了豐碩的成果。脈沖形成線是高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源在負(fù)載上獲得準(zhǔn)方波電脈沖的核心部分，直接決定了驅(qū)動(dòng)源的工作性能和應(yīng)用前景。

高功率脈沖形成線實(shí)質(zhì)上為電傳輸線，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的存儲(chǔ)、傳輸和方波形成等功能。這種器件首先將電能儲(chǔ)存于位于電傳輸線之間的儲(chǔ)能介質(zhì)中，然后在理想閉合開關(guān)的作用下，以恒定的電壓幅值將能量傳遞給負(fù)載(負(fù)載阻抗與脈沖形成線本征阻抗相等)，并在負(fù)載上形成方波電脈沖。方波電脈沖的脈沖寬度定義為由電脈沖幅值一半處對(duì)應(yīng)的時(shí)間寬度，是影響電脈沖應(yīng)用能力和衡量脈沖形成線工作性能的核心參量之一，由形成線電長(zhǎng)度決定。隨著應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)脈沖形成線及高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源性能需求的不斷提升，發(fā)展具有結(jié)構(gòu)緊湊、電長(zhǎng)度大的高功率脈沖形成線具有廣闊的應(yīng)用前景。

劉振祥,張建德,等人在學(xué)術(shù)論文《螺旋線型水介質(zhì)長(zhǎng)脈沖形成線的設(shè)計(jì)和改進(jìn)》【強(qiáng)激光與粒子束,2006,Vol.18,No.12,pp:2078-2081】報(bào)道了一種直線型同軸脈沖形成線，以下簡(jiǎn)稱技術(shù)方案一。該器件主要由高壓導(dǎo)體1，接地導(dǎo)體2，儲(chǔ)能介質(zhì)3，后端支撐板4，前端支撐板5，介質(zhì)輸入口6，介質(zhì)輸出口7和閉合開關(guān)8組成，靠近閉合開關(guān)8的一側(cè)為前端，遠(yuǎn)離閉合開關(guān)8的一側(cè)為后端。高壓導(dǎo)體1是由不銹鋼制成的空心圓柱體，外半徑為R₁，軸向長(zhǎng)度為l₁，壁厚為d(考慮工程實(shí)現(xiàn)，要求d>5mm)。接地導(dǎo)體2是由不銹鋼制成的空心圓柱體，內(nèi)半徑為R₂，軸向長(zhǎng)度為l₂，壁厚為d。高壓導(dǎo)體1與接地導(dǎo)體2同軸。儲(chǔ)能介質(zhì)3為去離子水，主要起到高功率脈沖形成線絕緣和儲(chǔ)能的作用。后支撐板4與接地導(dǎo)體2呈緊配合關(guān)系，是由高分子材料構(gòu)成的圓柱體，外半徑為R₂，軸向長(zhǎng)度為D。后支撐板4中心鉆通孔，孔徑為R₁。前支撐板5與接地導(dǎo)體2呈緊配合關(guān)系，是由高分子材料構(gòu)成的圓柱體，外半徑為R₁，軸向長(zhǎng)度為D。介質(zhì)輸入口6是由長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為D₁的不銹鋼圓管制成，焊接在接地導(dǎo)體2下部，在接地導(dǎo)體2對(duì)應(yīng)介質(zhì)輸入口6的空心部分鉆通孔，其中心與高壓導(dǎo)體1前端面的距離為S，要求S<l₂。介質(zhì)輸出口7是由長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為D₁的不銹鋼圓管制成，焊接在接地導(dǎo)體2上部，在接地導(dǎo)體2對(duì)應(yīng)介質(zhì)輸出口7的空心部分鉆通孔，其中心與高壓導(dǎo)體1后端面的距離也為S。

根據(jù)高功率脈沖形成線電長(zhǎng)度的計(jì)算公式，其中，ε_r為儲(chǔ)能介質(zhì)3的介電常數(shù)，c為真空中的光速，l為高壓導(dǎo)體1的軸向長(zhǎng)度。對(duì)于技術(shù)方案一中的直線型同軸脈沖形成線，l＝l₁。當(dāng)不改變儲(chǔ)能介質(zhì)，且需要進(jìn)一步增加高功率電脈沖的脈沖寬度時(shí)，采用這種結(jié)構(gòu)的高功率脈沖形成線需要不斷增加軸向長(zhǎng)度，不利于裝置的小型化和緊湊化要求，這也在一定程度上限制了高功率脈沖形成線的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有高功率脈沖形成線軸向長(zhǎng)度較大，結(jié)構(gòu)不緊湊等問題，提供一種半圓形同軸高功率脈沖形成線。具有這種結(jié)構(gòu)的高功率脈沖形成線可以在不改變儲(chǔ)能介質(zhì)的情況下，在相同的軸向長(zhǎng)度內(nèi)將輸出電脈沖寬度提高約3.14倍。與此同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)能夠較為方便的實(shí)現(xiàn)模塊化運(yùn)行，提高裝置緊湊程度，有效拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

本發(fā)明由N段同軸脈沖形成線(即第一同軸脈沖形成線，第二同軸脈沖形成線，……第i同軸脈沖形成線，……第N同軸脈沖形成線，i＝1,2,...,N)組成，每段同軸脈沖形成線軸向截面呈半圓形，相鄰半圓形同軸脈沖形成線通過螺桿進(jìn)行連接。N段同軸脈沖形成線的彎曲半徑分別為S₁,S₂,...,S_q,S_q+1,...,S_N(q＝1,2,...,N-1)；每段同軸脈沖形成線的橫截面直徑均為D₂；考慮空間排布，有S_q+1＞S_q+D₂。N由實(shí)際使用環(huán)境需要的脈沖形成線電長(zhǎng)度τ和脈沖形成線儲(chǔ)能介質(zhì)的介電常數(shù)ε_r決定，假設(shè)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境所需電長(zhǎng)度為τ，則要求：

其中，c為光在真空中的傳播速度。

每段同軸脈沖形成線除了彎曲半徑不同外，其它結(jié)構(gòu)均相同。下面以第i同軸脈沖形成線為例來說明所有同軸脈沖形成線的結(jié)構(gòu)。第i同軸脈沖形成線由高壓導(dǎo)體、接地導(dǎo)體、儲(chǔ)能介質(zhì)、介質(zhì)輸入口、介質(zhì)輸出口和支撐板組成。

高壓導(dǎo)體的軸向截面呈半圓形，由彎曲成半圓形的圓柱導(dǎo)體制成，圓柱導(dǎo)體彎曲半徑為S_i。高壓導(dǎo)體橫截面是圓形，橫截面半徑為R₃(R₃>10mm)。高壓導(dǎo)體兩個(gè)端面的中心處焊接金屬凸臺(tái)便于支撐和電連接。金屬凸臺(tái)中心打有圓孔，可以將螺栓的一半嵌入其中，用于相鄰高壓導(dǎo)體之間的機(jī)械連接和電連接。

接地導(dǎo)體的軸向截面呈半圓形，由彎曲成半圓形的圓筒導(dǎo)體制成，圓筒導(dǎo)體彎曲半徑也為S₁。接地導(dǎo)體橫截面是圓環(huán)，橫截面內(nèi)半徑為R₄(R₄>R₃)，壁厚為d(0.5D₂＝R₄+d)，其中D₂為同軸脈沖形成線的橫截面直徑，要求d>2mm。

在接地導(dǎo)體兩端面分別焊接有支撐板(如圖2所示)，兩個(gè)支撐板在圓周方向通過X(考慮工程實(shí)現(xiàn)，要求X>3)個(gè)螺桿與接地導(dǎo)體連接。介質(zhì)輸入口是焊接在接地導(dǎo)體下部直徑為D₃(D₃>2mm)的不銹鋼圓管，在接地導(dǎo)體對(duì)應(yīng)介質(zhì)輸入口的空心部分鉆直徑為D₃的通孔。介質(zhì)輸出口是焊接在接地導(dǎo)體上部直徑為D₃的不銹鋼圓管，在接地導(dǎo)體對(duì)應(yīng)介質(zhì)輸出口的空心部分鉆直徑為D₃的通孔，高壓導(dǎo)體同軸嵌套在接地導(dǎo)體內(nèi)。

儲(chǔ)能介質(zhì)為具有可流動(dòng)性的絕緣液體，通過介質(zhì)輸入口灌注到接地導(dǎo)體內(nèi)，分布于高壓導(dǎo)體與接地導(dǎo)體之間的空間。若需要更換儲(chǔ)能介質(zhì)，儲(chǔ)能介質(zhì)可以通過介質(zhì)輸出口流出。

支撐板為絕緣材料制成的圓柱體薄板，支撐板厚度為P，P>5mm，半徑等于0.5D₂，支撐板在圓周方向通過螺桿與接地導(dǎo)體的兩端連接，其幾何中心鉆有通孔，支撐板中心的通孔中插有高壓導(dǎo)體端面的凸臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓導(dǎo)體的支撐。

同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以達(dá)到以下效果：

(1)本發(fā)明采用軸向截面呈半圓形的同軸脈沖形成線，可以在相同的軸向長(zhǎng)度內(nèi)，有效提高高功率脈沖形成線的電長(zhǎng)度，進(jìn)而增加器件輸出電脈沖的脈沖寬度，有利于拓寬高功率脈沖形成線的應(yīng)用領(lǐng)域；

(2)本發(fā)明可以通過將多個(gè)具有不同彎曲半徑的脈沖形成線進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)模塊化運(yùn)行，在有效減小裝置體積，實(shí)現(xiàn)高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源的小型化的同時(shí)，有能力對(duì)高功率脈沖形成線輸出的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)；

(3)本發(fā)明采用同軸型結(jié)構(gòu)，可以有效抑制充放電過程中的向外電磁輻射，有利于提高脈沖功率系統(tǒng)的電磁兼容性。

附圖說明

圖1為背景技術(shù)張曉萍,張自成,程新兵等人在《脈沖功率及其診斷技術(shù)》(內(nèi)部教學(xué)講義3.1節(jié))講義中介紹的直筒型同軸高功率脈沖形成線。

圖2為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)及部分軸向截面圖；

圖3位本發(fā)明N＝1時(shí)的結(jié)構(gòu)圖及軸向剖面圖，圖3(a)為結(jié)構(gòu)圖；圖3(b)為剖面圖；

圖4為本發(fā)明高壓導(dǎo)體1軸向截面結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明接地導(dǎo)體2軸向截面結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明支撐板9結(jié)構(gòu)圖，圖6(a)為正視圖，圖6(b)為剖面圖。

具體實(shí)施方式

圖1為背景技術(shù)張曉萍,張自成,程新兵等人在《脈沖功率及其診斷技術(shù)》(內(nèi)部教學(xué)講義3.1節(jié))講義中介紹的直筒型同軸高功率脈沖形成線。

該器件主要由高壓導(dǎo)體1，接地導(dǎo)體2，儲(chǔ)能介質(zhì)3，后端支撐板4，前端支撐板5，介質(zhì)輸入口6，介質(zhì)輸出口7和閉合開關(guān)8組成，靠近閉合開關(guān)8的一側(cè)為前端，遠(yuǎn)離閉合開關(guān)8的一側(cè)為后端。高壓導(dǎo)體1是由不銹鋼制成的空心圓柱體，外半徑為R₁，軸向長(zhǎng)度為l₁，壁厚為d(考慮工程實(shí)現(xiàn)，要求d>5mm)。接地導(dǎo)體2是由不銹鋼制成的空心圓柱體，內(nèi)半徑為R₂，軸向長(zhǎng)度為l₂，壁厚為d。高壓導(dǎo)體1與接地導(dǎo)體2同軸。儲(chǔ)能介質(zhì)3為去離子水，主要起到高功率脈沖形成線絕緣和儲(chǔ)能的作用。后支撐板4與接地導(dǎo)體2呈緊配合關(guān)系，是由高分子材料構(gòu)成的圓柱體，外半徑為R₂，軸向長(zhǎng)度為D。后支撐板4中心鉆通孔，孔徑為R₁。前支撐板5與接地導(dǎo)體2呈緊配合關(guān)系，是由高分子材料構(gòu)成的圓柱體，外半徑為R₁，軸向長(zhǎng)度為D。介質(zhì)輸入口6是由長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為D₁的不銹鋼圓管制成，焊接在接地導(dǎo)體2下部，在接地導(dǎo)體2對(duì)應(yīng)介質(zhì)輸入口6的空心部分鉆通孔，其中心與高壓導(dǎo)體1前端面的距離為S，要求S<l₂。介質(zhì)輸出口7是由長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為D₁的不銹鋼圓管制成，焊接在接地導(dǎo)體2上部，在接地導(dǎo)體2對(duì)應(yīng)介質(zhì)輸出口7的空心部分鉆通孔，其中心與高壓導(dǎo)體1后端面的距離也為S。

圖2為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)圖，由N段同軸脈沖形成線(即第一同軸脈沖形成線，第二同軸脈沖形成線，……第i同軸脈沖形成線，……第N同軸脈沖形成線，i＝1,2,...,N)組成，每段同軸脈沖形成線軸向截面呈半圓形，相鄰半圓形同軸脈沖形成線通過螺桿進(jìn)行連接。N段同軸脈沖形成線的彎曲半徑分別為S₁,S₂,...,S_q,S_q+1,...,S_N(q＝1,2,...,N-1)；每段同軸脈沖形成線的橫截面直徑均為D₂；考慮空間排布，有S_q+1＞S_q+D₂。N由實(shí)際使用環(huán)境需要的脈沖形成線電長(zhǎng)度τ和脈沖形成線儲(chǔ)能介質(zhì)的介電常數(shù)ε_r決定，假設(shè)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境所需電長(zhǎng)度為τ，則要求：

其中，c為光在真空中的傳播速度。

每段同軸脈沖形成線除了彎曲半徑不同外，其它結(jié)構(gòu)均相同。

圖3為本發(fā)明N＝1時(shí)的結(jié)構(gòu)圖及軸向剖面圖，圖3(a)為結(jié)構(gòu)圖；圖3(b)為剖面圖。由高壓導(dǎo)體1、接地導(dǎo)體2、儲(chǔ)能介質(zhì)3、介質(zhì)輸入口6、介質(zhì)輸出口7和支撐板9組成。

圖4為本發(fā)明高壓導(dǎo)體1的軸向剖面圖。其由彎曲成半圓形的圓柱導(dǎo)體制成，圓柱導(dǎo)體彎曲半徑為S_i。高壓導(dǎo)體1橫截面是圓形，橫截面半徑為R₃(R₃>10mm)。高壓導(dǎo)體1兩個(gè)端面的中心處焊接金屬凸臺(tái)10便于支撐和電連接。金屬凸臺(tái)10中心打有圓孔11，可以將螺栓的一半嵌入其中，用于相鄰高壓導(dǎo)體之間的機(jī)械連接和電連接。

圖5為本發(fā)明接地導(dǎo)體2軸向截面結(jié)構(gòu)圖。接地導(dǎo)體2的軸向截面呈半圓形，由彎曲成半圓形的圓筒導(dǎo)體制成，圓筒導(dǎo)體彎曲半徑也為S₁。接地導(dǎo)體2橫截面是圓環(huán)，橫截面內(nèi)半徑為R₄(R₄>R₃)，壁厚為d(0.5D₂＝R₄+d)，其中D₂為同軸脈沖形成線的橫截面直徑，要求d>2mm。

在接地導(dǎo)體2兩端面分別焊接有支撐板9(如圖2所示)，兩個(gè)支撐板9在圓周方向通過X(考慮工程實(shí)現(xiàn)，要求X>3)個(gè)螺桿與接地導(dǎo)體2連接。介質(zhì)輸入口6是焊接在接地導(dǎo)體2下部直徑為D₃(D₃>2mm)的不銹鋼圓管，在接地導(dǎo)體2對(duì)應(yīng)介質(zhì)輸入口6的空心部分鉆直徑為D₃的通孔。介質(zhì)輸出口7是焊接在接地導(dǎo)體2上部直徑為D₃的不銹鋼圓管，在接地導(dǎo)體2對(duì)應(yīng)介質(zhì)輸出口7的空心部分鉆直徑為D₃的通孔，高壓導(dǎo)體1同軸嵌套在接地導(dǎo)體2內(nèi)。

圖6為本發(fā)明支撐板9結(jié)構(gòu)圖，圖6(a)為正視圖，圖6(b)為剖面圖。支撐板9為絕緣材料制成的圓柱體薄板，支撐板9厚度為P，P>5mm，半徑等于0.5D₂，支撐板9在圓周方向通過螺桿與接地導(dǎo)體2的兩端連接，其幾何中心鉆有通孔，支撐板9中心的通孔中插有高壓導(dǎo)體1端面的凸臺(tái)10，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓導(dǎo)體1的支撐。