一種諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納秒前沿脈沖電流發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖大電流通過(guò)絲陣負(fù)載產(chǎn)生的Z箍縮在武器物理、X射線輻射效應(yīng)研究、聚變能源等方面具有重要應(yīng)用需求，如美國(guó)ZR裝置(26MA)、中國(guó)工程物理研究院聚龍一號(hào)(8MA)等。
[0003]英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)在MAGPIE裝置上研究表明:Z箍縮絲陣先通過(guò)數(shù)十納秒前沿的預(yù)脈沖電流，加熱氣化、形成對(duì)稱(chēng)均勻薄層圓柱狀金屬氣體，延時(shí)一定時(shí)間再通過(guò)主脈沖大電流，可抑制不穩(wěn)定性發(fā)展，有利于提高Z箍縮輻射X射線功率。MAGPIE裝置的預(yù)脈沖電流是通過(guò)旁路負(fù)載分流，延時(shí)一定時(shí)間，旁路負(fù)載開(kāi)路，主脈沖電流切換到絲陣負(fù)載；其預(yù)脈沖幅值和主脈沖電流施加時(shí)間不能很好控制。法國(guó)Syrinx裝置上絲陣Z箍縮特性研究也表明，絲陣預(yù)先通過(guò)快前沿的預(yù)脈沖電流，有利于改善Z箍縮負(fù)載的特性。
[0004]目前，采用分流方式產(chǎn)生預(yù)脈沖電流特別依賴(lài)于并聯(lián)的旁路負(fù)載，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，不利于裝置的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的高幅值脈沖電流發(fā)生器，采用諧振充電，輸出極性可調(diào)，可以在低阻值負(fù)載狀態(tài)下產(chǎn)生數(shù)十納秒的快前沿高幅值脈沖電流。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:所提供的諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器，包括充電支路、充電電纜和峰化回路，其特殊之處在于:所述峰化回路包括峰化開(kāi)關(guān)和峰化電容器；所述峰化電容器一端為接地電極板，峰化電容器另一端為高壓電極板；所述高壓電極板與峰化開(kāi)關(guān)的一端連接為一體式結(jié)構(gòu)，峰化開(kāi)關(guān)的另一端為脈沖源輸出電極；所述高壓電極通過(guò)充電電纜與充電支路相連；所述峰化電容器外依次設(shè)置有絕緣殼體；所述絕緣殼體和峰化電容器的接地電極板、高壓電極板共同圍成填充有氣體介質(zhì)的封閉腔體。整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，有利于裝置的加工生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。
[0007]上述峰化開(kāi)關(guān)包括針電極和板電極；針電極和板電極之間為氣體間隙，所填充的氣體介質(zhì)和氣壓均與峰化電容器所在腔體相同；所述針電極安裝在峰化電容器高壓電極板中心；所述板電極為脈沖源輸出電極。當(dāng)充電電壓達(dá)到氣體間隙自擊穿電壓時(shí)，峰化開(kāi)關(guān)自動(dòng)閉合，輸出納秒前沿的脈沖電流到負(fù)載。
[0008]上述峰化電容器是由多個(gè)薄膜電容元件串聯(lián)組成的低電感電容器。改變串聯(lián)元件數(shù)可改變電容器容量及耐受工作電壓。
[0009]上述峰化回路還包括一個(gè)用于監(jiān)測(cè)峰化電容器的充電電壓波形的電阻分壓器和一個(gè)用于監(jiān)測(cè)輸出電流波形的脈沖電流測(cè)量線圈。電阻分壓器同時(shí)還作為充電支路的充電回路電阻。
[0010]上述充電支路包括兩個(gè)雙端引出電極的支路電容器和一個(gè)氣體火花隙開(kāi)關(guān)；其中一個(gè)支路電容器一端與氣體火花隙開(kāi)關(guān)相連，另一端為接地電極；另一個(gè)支路電容器一端與氣體火花隙開(kāi)關(guān)相連，另一端為支路輸出電極；氣體火花隙開(kāi)關(guān)的兩個(gè)高壓電極分別通過(guò)充電電阻與正負(fù)極性電源連接。交換開(kāi)關(guān)電極充電極性，可以改變輸出脈沖極性。
[0011]上述絕緣殼體外還設(shè)置有金屬殼體，絕緣殼體和金屬殼體為同軸設(shè)置的圓柱形結(jié)構(gòu)，裝置加工容易、尺寸小。
[0012]本發(fā)明有益效果是:
[0013](1)本發(fā)明的峰化回路由一體化的峰化電容器和峰化開(kāi)關(guān)構(gòu)成，峰化電容器封閉在氣腔內(nèi)采用氣體絕緣，結(jié)構(gòu)緊湊，電感小，絕緣水平高。
[0014](2)本發(fā)明的峰化開(kāi)關(guān)為尖-板式氣體開(kāi)關(guān)，一端為針電極，另一端為板電極，中間填充氣體介質(zhì)，當(dāng)充電電壓達(dá)到氣體間隙自擊穿電壓時(shí)峰化開(kāi)關(guān)自動(dòng)閉合，輸出穩(wěn)定。
[0015](3)本發(fā)明的峰化電容器是由多個(gè)薄膜電容元件串聯(lián)組成的低電感電容器，改變串聯(lián)元件數(shù)可改變電容器容量及耐受工作電壓，適用范圍廣。
[0016](4)本發(fā)明的充電支路采用短脈沖諧振充電，改變開(kāi)關(guān)兩端充電電壓極性，可以獲得兩種極性的脈沖，使用靈活。
[0017](5)本發(fā)明的峰化回路與充電支路間通過(guò)高壓充電電纜連接，充電電纜的長(zhǎng)度可調(diào)，便于峰化回路與主脈沖電流源配合連接。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例的電路原理圖；
[0019]圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的峰化回路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例的充電支路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明較佳實(shí)施例的等效電路；
[0022]圖5為本發(fā)明較佳實(shí)施例的輸出脈沖電流波形；
[0023]附圖標(biāo)記如下:1-充電支路；2_充電電纜；3_峰化回路；4_峰化開(kāi)關(guān)氣體間隙；5_針電極；6_板電極；7_高壓電極板；8_峰化開(kāi)關(guān)；9_接地電極板；10_電阻分壓器；11_脈沖電流測(cè)量線圈槽；12-峰化電容器；13-絕緣殼體；14_金屬殼體；15-支路電容器；16_氣體火花隙開(kāi)關(guān)；17_絕緣板；18_開(kāi)關(guān)高壓電極；19_支路輸出電極；20_支路接地電極。
【具體實(shí)施方式】
[0024]參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的較佳實(shí)施例由充電支路1、充電電纜2和峰化回路3構(gòu)成，峰化回路3由峰化電容器和峰化開(kāi)關(guān)組成。充電支路1通過(guò)充電電纜2為峰化電容器進(jìn)行諧振充電，當(dāng)電壓充到一定值時(shí)，峰化開(kāi)關(guān)閉合，可輸出數(shù)十納秒的快前沿脈沖電流。
[0025]參見(jiàn)圖2，本發(fā)明較佳實(shí)施例的峰化電容器12是由多個(gè)薄膜電容元件串聯(lián)組成的低電感電容器，改變串聯(lián)元件數(shù)可改變電容器容量及耐受工作電壓。峰化電容器12的上端為高壓電極板7，下端為接地電極板9，外部同軸設(shè)置有絕緣殼體13和金屬殼體14。絕緣殼體13和金屬殼體14為圓柱形結(jié)構(gòu)，占地面積小且易于加工。絕緣殼體13和高壓電極板
7、接地電極板9共同圍成封閉腔體，內(nèi)部填充氣體介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)峰化電容器12的氣體絕緣，絕緣水平高。峰化開(kāi)關(guān)8是一種尖-板式氣體開(kāi)關(guān)，包括針電極5和板電極6，中間為峰化開(kāi)關(guān)氣體間隙4，所填充的氣體介質(zhì)及氣壓與峰化電容器12所在的腔體是相同的。改變氣體間隙4內(nèi)填充氣體的氣壓和充電支路電壓便可調(diào)節(jié)輸出電流幅值，適用范圍廣。針電極5安裝在針電極座的中心孔內(nèi)，側(cè)面通過(guò)螺釘緊固。針電極座位與高壓電極板7的中心，二者為一體化結(jié)構(gòu)。高壓電極板7的一側(cè)通過(guò)充電電纜2連接充電支路，對(duì)峰化電容器12進(jìn)行充電。高壓電極板7的另一側(cè)連接一個(gè)電阻分壓器10，用于監(jiān)測(cè)峰化電容器12的充電電壓波形，同時(shí)也作為充電支路1的充電回路電阻。絕緣殼體13下部設(shè)置有一個(gè)脈沖電流測(cè)量線圈槽11，其內(nèi)安裝羅氏線圈，用于監(jiān)測(cè)輸出電流波形。
[0026]參見(jiàn)圖3，本發(fā)明較佳實(shí)施例的充電支路1包括兩個(gè)支路電容器15和一個(gè)氣體火花隙開(kāi)關(guān)16。其中一個(gè)支路電容器一端與氣體火花隙開(kāi)關(guān)16相連，另一端為支路接地電極20 ;另一個(gè)支路電容器一端與氣體火花隙開(kāi)關(guān)16相連，另一端為支路輸出電極19。氣體火花隙開(kāi)關(guān)16的兩個(gè)開(kāi)關(guān)高壓電極18分別通過(guò)充電電阻與正負(fù)極性電源連接，當(dāng)充電到設(shè)定電壓時(shí)可觸發(fā)氣體火花隙開(kāi)關(guān)16，使之擊穿閉合，這時(shí)兩個(gè)支路電容器15串聯(lián)，支路輸出電極19通過(guò)充電電纜2將脈沖引入到峰化回路3，對(duì)峰化電容器12進(jìn)行諧振充電，交換開(kāi)關(guān)兩端的充電電壓極性，便可以獲得兩種極性的脈沖輸出，使用方式靈活。
[0027]圖4為本發(fā)明較佳實(shí)施例的等效電路，支路電容器為12nF的兩個(gè)電容器串聯(lián)，充電電壓30 — 80kV可調(diào)。峰化電容器由30個(gè)電容元件串聯(lián)，容量為5.8nF。當(dāng)負(fù)載為2nH等效電阻為5Ω時(shí)，輸出脈沖電流波形如圖5所示。電路模擬結(jié)果表明:當(dāng)兩個(gè)支路電容器分別充電正負(fù)極性電壓30 - 80kV、連接2nH等效電阻5 Ω負(fù)載時(shí)的輸出電流前沿(0_1)為 36ns，幅值分別為 5.3kA，7.lkA，8.9kA，10.6kA，12.4kA 和 14.2kA。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器，包括充電支路、充電電纜和峰化回路，其特征在于:所述峰化回路包括峰化開(kāi)關(guān)和峰化電容器；所述峰化電容器一端為接地電極板，峰化電容器的另一端為高壓電極板；所述高壓電極板與峰化開(kāi)關(guān)的高壓電極一端連接為一體式結(jié)構(gòu)，峰化開(kāi)關(guān)的另一端為脈沖源輸出電極；峰化電容器高壓電極板通過(guò)充電電纜與充電支路相連；所述峰化電容器外設(shè)置有絕緣殼體；所述絕緣殼體和峰化電容器的接地電極板、高壓電極板共同圍成填充有氣體介質(zhì)的封閉腔體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器，其特征在于:所述峰化開(kāi)關(guān)包括針電極和板電極；針電極和板電極之間為氣體間隙，所填充的氣體介質(zhì)和氣壓均與峰化電容器所在的腔體相同；所述針電極安裝在峰化電容器高壓電極板中心；所述板電極為脈沖源輸出電極。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器，其特征在于:所述峰化電容器是由多個(gè)薄膜電容元件串聯(lián)組成的低電感電容器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器，其特征在于:所述峰化回路還包括一個(gè)用于監(jiān)測(cè)峰化電容器的充電電壓波形的電阻分壓器和一個(gè)用于監(jiān)測(cè)輸出電流波形的脈沖電流測(cè)量線圈。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器，其特征在于:所述充電支路包括兩個(gè)支路電容器和一個(gè)氣體火花隙開(kāi)關(guān)；其中一個(gè)支路電容器一端與氣體火花隙開(kāi)關(guān)相連，另一端為支路接地電極；另一個(gè)支路電容器一端與氣體火花隙開(kāi)關(guān)相連，另一端為支路輸出電極；氣體火花隙開(kāi)關(guān)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)高壓電極分別通過(guò)充電電阻與正負(fù)極性電源連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器，其特征在于:所述充電支路通過(guò)三個(gè)絕緣板實(shí)現(xiàn)兩個(gè)支路電容器之間以及兩個(gè)支路電容器與外界的電氣絕緣。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器，其特征在于:所述絕緣殼體外設(shè)置有金屬殼體，絕緣殼體和金屬殼體為同軸設(shè)置的圓柱形結(jié)構(gòu)。
【專(zhuān)利摘要】一種諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器。本發(fā)明涉及一種納秒前沿脈沖電流發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)包括充電支路、充電電纜和峰化回路；峰化回路包括峰化開(kāi)關(guān)和峰化電容器；峰化電容器一端為接地電極板，另一端為高壓電極板；高壓電極板與峰化開(kāi)關(guān)的高壓電極一端連接為一體式結(jié)構(gòu)，峰化開(kāi)關(guān)的另一端為脈沖源輸出電極；峰化電容器高壓電極板通過(guò)充電電纜與充電支路相連；峰化電容器外設(shè)置有絕緣殼體；絕緣殼體和峰化電容器的接地電極板、高壓電極板共同圍成填充有氣體介質(zhì)的封閉腔體。本發(fā)明提供的高幅值脈沖電流發(fā)生器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，采用諧振充電，輸出極性可調(diào)，可以在低阻值負(fù)載狀態(tài)下產(chǎn)生數(shù)十納秒的快前沿高幅值脈沖電流。
【IPC分類(lèi)】H03K3/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105306015
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510599869
【發(fā)明人】孫鳳舉, 王志國(guó), 姜曉峰, 邱愛(ài)慈, 梁天學(xué), 李興文, 吳堅(jiān)
【申請(qǐng)人】西北核技術(shù)研究所, 西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年9月18日