專利名稱：多功能電磁脈沖模擬器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電感儲能型用于模擬雷電電磁脈沖、核爆炸電磁脈沖和其它電磁脈沖的模擬器。
在目前現(xiàn)有的電磁脈沖模擬器技術中，模擬器所用的脈沖高壓電源，主要是使用常規(guī)的麻克斯(Marx)發(fā)生器，有時也用范·德·格拉夫發(fā)電機、L-C倍壓器、脈沖變壓器和層疊線倍壓器等；而模擬器所用的電磁脈沖照射器有兩種型式，一種是有界波型，它把電磁波限制在有限空間而構成封閉式，另一種是輻射波型，它用長天線向四周輻射電磁波，形成開放式。有界波型電磁脈沖模擬器能把電磁波集中在照射器內，從而能增大電磁場的強度，但它們多半用麻克斯發(fā)生器和陡化電容器或布魯姆萊因(Blumlein)線組成高壓電源，因而導致結構復雜和成本高，例如美國的洛斯·阿拉莫斯國家實驗室建造的ALECS模擬器，空軍武器實驗室建造的TRESTLE模擬器，以及中國航天工業(yè)總公司建造的DM-1200型模擬器等，都是有界波型。輻射波型模擬器是借助天線向其周圍輻射脈沖電磁波，雖然結構簡單，但無方向性，效率低，電磁場強度小，而且也多采用電容儲能形式的高壓脈沖電源，例如美國的哈里·戴蒙實驗室建造的TEMPS模擬器和陸軍研究實驗室使用的VEMPSII模擬器等。在現(xiàn)有技術中，無論是有界波型還是輻射波型電磁脈沖模擬器，幾乎都是為模擬高空核爆炸產生的電磁脈沖而建造的，并且絕大多數(shù)均使用電容儲能方式的高壓脈沖電源，它們不能模擬自然界經常出現(xiàn)的、能量集中頻段的雷電電磁脈沖。
本發(fā)明的任務是提供一種結構簡單、成本低、能產生寬頻譜和用于多種場合的電磁脈沖模擬器?？梢杂眠@種模擬器模擬自然界雷電現(xiàn)象時產生的脈沖電磁場和太陽黑子劇烈變化(太陽“風暴”)所產生的強電磁脈沖輻射，也可用它模擬沖擊雷達發(fā)射的強脈沖電磁波以及高功率微波武器、電磁“導彈”、核爆炸等試驗所產生的脈沖電磁波，還可用它模擬高電壓試驗室、輸配電動力系統(tǒng)和其它工交領域大功率脈沖放電所產生的電磁場。因為上述各種電磁脈沖都危害電子計算機、電子系統(tǒng)、電器設備以及各種自控系統(tǒng)的正常工作；所以用一種有效的設備模擬上述各種電磁脈沖源對電子系統(tǒng)的危害程度并以此為據對其加固，是一件異常必要的工作。
本發(fā)明多功能電磁脈沖模擬器，和以往主要用于模擬高空核爆炸的核電磁脈沖模擬器不同，多功能電磁脈沖模擬器能模擬雷電電磁脈沖和低、高空核爆炸電磁脈沖以及其它大功率射頻電磁脈沖。在本發(fā)明中，初級電源是一個或幾個并聯(lián)充電的高壓(≈100kV)脈沖電容器C，用普通的直流電源對電容器C充電至電壓U0；閉合用的外觸發(fā)開關S1可采用三電極火花球隙開關；電感器L采用銅或鋁導線繞制成合適形狀的螺旋線圈；C、S1、L和爆炸導體斷路開關SOP構成第I放電回路，SOP一般是一條直徑小于1mm的細銅絲。首先外觸發(fā)三電極開關S1，使已充畢電荷的電容器C通過L和SOP在第I回路放電，當放電電流i達到最大值Im時刻，使SOP被電流歐姆加熱汽化而自身電阻增至最大值，導致第I回路斷路，此時第I回路產生的感應電壓(-Ldi/dt)幅值很高，常為4U0～8U0之大，它加在銳化開關S2的兩球電極之間，使S2過電壓自擊穿，由此轉換成第II回路放電。此時第II回路除包括原C、S1、L外，還有銳化開關S2、照射器CR和匹配電阻器R。S2是一個二電極球隙開關；CR是由一對平行的抗磁質金屬板構成的照射器或試品工作間，它實際上是一個平行板傳輸線，感應電壓加在其上之后，照射器內便有TEM波向前傳輸，最后被匹配電阻器R所吸收，因而無反射。照射器用幾毫米厚的鋁板做成，其大小由被試品的尺寸、TEM波脈寬和電磁場強度所決定，一般長、寬、高均大于1m；照射器兩端有錐形過渡段，過渡段的寬高比應與照射器中間部分的一致，以便使它們的波阻抗相同。匹配電阻器用有機玻璃筒內裝硫酸銅水溶液構成。把電感器線圈分成兩部分，串聯(lián)地分別置于照射器兩側，使線圈口徑大小和形狀與照射器開放的口徑相同，即矩形，此舉能把第I回路放電時產生的低頻近區(qū)感應場也加到照射器空間內，使被試品承受到類似雷電電磁脈沖和近地核爆炸產生的電磁脈沖的作用。另外，把S1、S2和SOP三開關都裝在照射器開放空間的側邊緣，使它們放電時產生的高頻輻射電磁波能有效地進入照射器內；還可在這三開關后面各設一拋物柱面狀天線，并把三開關置于天線的焦線上，三天線構成各自的反射鏡，把原來投向其它方向的電磁波有效地反射到照射器內，從而獲得更高的照射場強和豐富的頻譜。由于本發(fā)明采取了上述的“三源匯聚”照射措施，能獲得寬頻譜、高場強的電磁脈沖；所以可用它模擬多種電磁脈沖源的作用效應。
若想照射龐大的被試物(例如航空或航天器)，或者想進一步提高照射器內的電磁場強度，可使用麻克斯發(fā)生器代替高壓脈沖電容器C作初級電源。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明

圖1是本發(fā)明多功能電磁脈沖模擬器的電路線路圖；圖2是本發(fā)明備用的另一種同功能的電路線路圖；圖3是對圖1進行工程化的優(yōu)化方案方案結構圖。
圖1所描述的多功能電磁脈沖模擬器電路包括一個或一組高壓脈沖電容器C、外觸發(fā)三電極開關S1、螺旋線電感器線圈L、爆炸導體斷路開關SOP、能自擊穿的銳化開關S2、有界波照射器CR和匹配電阻器R。
若將圖1中的電感器L和爆炸導體斷路開關SOP互換位置，則可構成該類多功能電磁脈沖模擬器的另一種實用電路(圖2)，其功能與圖1無本質差別。
圖1的電容器C實際起初級能源的作用，本方案為了簡單和小型化起見，采用單臺或幾臺高壓脈沖電容器并聯(lián)。在中型模擬器中，可用兩組電容器串連后正負極性充電，以提高初始電壓。倘若建造大型模擬器時，可用麻克斯發(fā)生器的串聯(lián)放電電容器代替圖1或圖2的高壓脈沖電容器C。
圖1中的三電極開關S1可以是外觸發(fā)的球隙閉合開關，其放電部位可用耐燒蝕的良導體(如銅鎢合金)制作；也可采用其它形式的外觸發(fā)閉合開關，但采用大氣火花隙放電方式有利于提供高頻的脈沖電磁場。
圖1中的電感器L在本發(fā)明中具有三種重要作用儲存磁能，與斷路開關SOP一起增高輸出電壓，以及提供低頻感應場。它可用銅或鋁質的粗導線繞制而成。在制作時應充分考慮匝間和輸出端的電絕緣強度；又因電感器線圈受較大的電磁力作用，因此制做時需采取機械加固措施。
圖1中的爆炸導體斷路開關SOP是關鍵部件之一。雖然通常有許多其它型式的斷路開關可用；但本發(fā)明為了簡單、降低造價和獲得良好的斷路性能，而采用了爆炸導體斷路開關。所謂爆炸導體斷路開關就是一條或多條金屬絲或箔，本發(fā)明采用單根銅絲。模擬器工作時，需要在第I回路的電流i達到最大值Im時刻使爆炸導體“爆炸”斷路，以便此時電容C的電場能量全轉為電感L的磁能(LIm2/2)。為保障模擬器能有效的工作，需提供兩個重要物理量的計算公式。一個是保證在Im時刻SOP“爆炸”斷路所用銅絲的橫截面積A≈2.2×10-3CU0/Z]]>式中C為電容器的電容量，其單位是μF；U0為電容C的初始充電電壓，其單位是kV；L是電感器的電感，其單位是μH；Z為第I回路的特性阻抗，其單位為Ω，而
；所計得的銅絲橫截面積A的單位是mm2。另一個物理量的計算公式是，保障徹底斷路而不沿銅絲表面空氣擊穿放電的銅絲長度(單位mm)lk≥(nd2Z)λk式中n為所用銅絲的根數(shù)；d為一根銅絲的直徑，其單位是mm；λk是對應長度lk的表征長度特征的量，其單位是Ω-1·mm-1，并且λk≈α0(10-6εν)0.36其中，α0為與材料有關的常數(shù)，對于銅材α0＝1.35×103；ε是一個和銅絲能量相關的量，其單位是J·Ω-1·mm-4，ε＝CU02/(n2d4Z)；ν是和爆炸斷路時間相關的量，單位是μs·mm-1，
圖1中的自擊穿銳化開關S2具有進一步陡化輸出電壓的功能，可采用球形電極組成的二電極火花隙開關，其材料同S1所用的材料。
圖1中的照射器CR內放置被試品，需要具有一定空間，應盡可能地將所有脈沖電磁場的能量都集中在CR內。CR可用兩塊金屬板上下平行放置而組成，構成一平行板傳輸線。為了降低成本和減輕重量，可采用3～6mm厚的鋁板。它的兩端具有錐形過渡段。過渡段的高度和寬度應當是漸變的，但其比值應當不變，并與中間段的相同，以保證它們的波阻抗與照射器的波阻抗Z0相同。照射器的波阻抗
式中規(guī)定照射器板寬為2b，兩板距離(高)為2h，計得Z0的單位是Ω。
圖1中的R為匹配電阻器，它的阻值R＝Z0，以保障在照射器內傳輸?shù)腡EM波不反射。匹配電阻器R需有較大的吸熱容量，一般用有玻璃筒內裝硫酸銅水溶液而制成。
圖2電路的物理性質和圖1的相同，因此上述的計算公式對圖2也適用。
圖3是本發(fā)明多功能電脈沖磁模擬器的一種最佳的工程實施方案，它是把圖1中的各電路元件工程化為三源匯聚的總裝配結構。由木質或其它絕緣材料制做的工作臺1位于地面上，工作臺1上方放置照射器(CR)40。照射器的下絕緣板2緊挨工作臺1放置，用四根絕緣支柱10把下絕緣板2和上絕緣板7支撐開。照射器的下電極板5和上電極板6均分別固定在下絕緣板2和上絕緣板7上。下電極板接地引線4與下電極板5的輸入端電連接。上下電極板右側過渡段收斂端用匹配電阻器(R)11連接。八塊外加的輔助絕緣板8分別粘在上下絕緣板上，以防止電感器(L)線圈24和25對上下電極板放電。銳化開關S2的一個球電極15通過電極桿18電連接在上電極板6左過渡段端部，另一球電極14與球電極15靠近而組成銳化開關S2。球電極15和14均通過電極桿18和13固定在上絕緣板7上，并設計成球隙距離可調節(jié)。球電極14通過電極桿13與爆炸導體斷路開關(SOP)16的上接線柱12電連接，爆炸導體斷路開關(細金屬絲)16被拉直后電連接在它的上下接線柱12和17之間，爆炸導體斷路開關下接線柱17與接地引線3電連接。兩矩形電感線圈24和25固定在上下絕緣板7和2的“側耳”上，并在上絕緣板7上方用螺栓9把它們串聯(lián)連接成一體。三電極開關S1的一個主極球20通過主極桿19固定在上絕緣板7的一個“側耳”板上，并與電感器L線圈25另一端電連接。三電極開關S1的另一主極球22固定在高壓脈沖電容器(C)23的輸出端上。對電容器23的放置不做特殊要求。由三電極開關S1的觸發(fā)極針21引入外觸發(fā)信號。
圖1和圖3反映出以下的發(fā)明思想(1)通過合理的設計，把三種電磁脈沖輻射場皆集中在照射器內，它們是電感器(L)24和25通過爆炸導體斷路開關(SOP)16斷路而輸出高電壓脈沖，經過銳化開關S2銳化后加在照射器CR的上下兩極板6和5間，在照射器(CR)40內形成TEM平面電磁波；由于電感器(L)24和25串聯(lián)地固定在上下絕緣板7和2的“側耳”上，則第I回路放電的1/4周期產生的脈沖磁場首先集中在照射器內；還由于三電極開關S1的兩主極球20和22，銳化開關S2的兩球電極14和15，以及爆炸導體斷路開關(SOP)16被排布在照射器周圍，它們大電流脈沖放電時產生的高頻脈沖電磁場也有一部分射入照射器，若在它們后面再加上拋物柱面狀反射鏡或天線(因可獨立存在故圖中未示)，能將更多的高頻輻射場反射進入照射器。
(2)在兩照射器極板6和5的上方和下方設置兩帶“側耳”的玻璃鋼絕緣板7和2，可得到這些益處若想再提高照射器場強時，可在本發(fā)明中使用串聯(lián)電容器正、負極性充電作初級電源；絕緣板“側耳”固掛的電感器線圈24和25，能把它們產生的脈沖磁場集中于照射器內；上絕緣板7為開關S1的主極球20、開關S2的球電極14和15以及斷路開關(SOP)16提供支撐和固定，從而省去了各處通常為支撐和調節(jié)所需的特別設計裝置。
(3)在上下絕緣板7和2邊緣粘接八塊玻璃鋼輔助絕緣板8，目的是加強電感器(L)24和25與照射器上下電極板6和5間的電絕緣強度。
(4)采用圖3所示的結構，容易拆裝和檢修。能方便地將照射器上下弓形電極板6和5拆卸下來，以便換裝冷陰極二極管負載以產生高功率電子束或閃光X射線，供其它場合應用；也可將被試品作負載，對某些試品進行特殊的雷擊電涌試驗。
(5)從圖3的設計可見，本發(fā)明方案工程化成模擬器以后，部件材料普通、結構簡單、緊湊，照射空間相對大，造價低，且能獲得更高場強和更寬頻譜的電磁脈沖，因此可用于雷電電磁脈沖、核電磁脈沖和其它電磁脈沖的模擬。
本發(fā)明多功能電磁脈沖模擬器，結合圖1和圖3，其工作過程是首先用直流電源對高壓脈沖電容器(C)23充電至一定的電壓值U0，然后用外觸發(fā)信號觸發(fā)三電極開關S1，第I回路大電流脈沖放電，電流i通過三電極關S1的主極球20和22，通過電感器(L)24和25，通過爆炸導體斷路開關(SOP)16，首先在照射器內產生一低頻感應脈沖磁場；當電流i在1/4周期達到最大值時刻，細銅絲16爆炸斷路，在第I回路串聯(lián)的電感器(L)24和25兩端感應出極高的脈沖電壓并加在銳化開關S2球電極14和15間，開關S2被過電壓自擊穿，一個被陡化的過電壓波加在照射器CR的上下電極板6和5間，此時又在照射器內產生一TEM脈沖波；此波沿6和5構成的傳輸線傳播，最后被終端匹配電阻器(R)11所吸收。在多功能電磁脈沖模擬器工作期間，它的三個開關S1、S2和SOP放電產生的脈沖高頻電磁場也被匯聚在照射器內，連同電感器產生的近區(qū)感應場和照射器內的TEM波，從而形成一次放電三種電磁脈沖都集中在照射器內的狀態(tài)。
權利要求
1.一種多功能電磁脈沖模擬器，由一個高壓脈沖電源和三個電磁輻射源組成。高壓脈沖電源包括以高壓脈沖電容器C為主要元件的初級電源〔23〕、儲能電感器L〔24和25〕、爆炸導體斷路開關SOP〔16〕和外觸發(fā)三電極開關S1，并且由這些元件構成第I放電回路；照射器CR〔40〕由兩塊弓形鋁材電極板〔6和5〕構成，再加上銳化開關S2〔14和15〕以及匹配電阻器R〔11〕，當爆炸導體斷路開關SOP〔16〕斷路后，它們與第I回路構成第II放電回路。所產生的高電壓脈沖，作用于照射器CR〔40〕的上下電極板〔6和5〕上，在照射器CR〔40〕內產生TEM電磁脈沖波。其特征在于使用了電感器L〔24和25〕，從而能提高輸出電壓脈沖以及產生較低頻譜的脈沖感應電磁場。電感器L〔24和25〕的功能有三種，首先在第I回路儲能，然后是借助爆炸導體斷路開關SOP〔16〕的斷路作用而升高輸出電壓，并且在第I回路放電時產生一強脈沖感應場。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征是電感器L〔24和25〕分成兩部分并掛在上下絕緣板7和2的“側耳”上，從照射器側面首先向照射器內提供脈沖感應場。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征是通過相應的拋物柱面狀反射鏡，把三電極開關S1、銳化開關S2和電爆導體斷路開關SOP〔16〕放電產生的脈沖電磁場匯聚到照射器內，以使被試物經受更豐富頻譜和更高場強的脈沖電磁波照射。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征是工程設計已考慮到照射器CR〔40〕上下電極板6和5的易拆裝性；當需要用此裝置產生高功率電子束或閃光X射線時，可將照射器CR〔40〕的上下電極板6和5拆卸去，換上合適的冷陰極二極管作負載，就可產生高功率電子束或脈沖X射線，此時裝置便由電磁脈沖模擬器變?yōu)閺娏麟娮邮铀倨骰蜷W光X射線機。因此本發(fā)明的設計思想，兼顧了其它領域的應用。
全文摘要
本發(fā)明是一種三源匯聚的多功能電磁脈沖模擬器，由初級電源高壓脈沖電容器C、三電極開關S
文檔編號H03K3/00GK1162870SQ97100570
公開日1997年10月22日 申請日期1997年2月3日 優(yōu)先權日1997年2月3日
發(fā)明者王瑩 申請人:中國人民解放軍軍械工程學院