一種諧振充電納秒前沿脈沖電流發(fā)生器的制造方法
【技術領域】
[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】
[0002]脈沖大電流通過絲陣負載產生的Z箍縮在武器物理、X射線輻射效應研究、聚變能源等方面具有重要應用需求，如美國ZR裝置(26MA)、中國工程物理研究院聚龍一號(8MA)等。
[0003]英國帝國理工大學在MAGPIE裝置上研究表明:Z箍縮絲陣先通過數十納秒前沿的預脈沖電流，加熱氣化、形成對稱均勻薄層圓柱狀金屬氣體，延時一定時間再通過主脈沖大電流，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裝置的預脈沖電流是通過旁路負載分流，延時一定時間，旁路負載開路，主脈沖電流切換到絲陣負載；其預脈沖幅值和主脈沖電流施加時間不能很好控制。法國Syrinx裝置上絲陣Z箍縮特性研究也表明，絲陣預先通過快前沿的預脈沖電流，有利于改善Z箍縮負載的特性。
[0004]目前，采用分流方式產生預脈沖電流特別依賴于并聯的旁路負載，結構復雜，體積龐大，不利于裝置的推廣應用。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供一種結構緊湊、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，可以在低阻值負載狀態(tài)下產生數十納秒的快前沿高幅值脈沖電流。
[0006]本發(fā)明的技術解決方案是: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關和峰化電容器；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關的一端連接為一體式結構，峰化開關的另一端為脈沖源輸出電極；所述高壓電極通過充電電纜與充電支路相連；所述峰化電容器外依次設置有絕緣殼體；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的封閉腔體。整體結構緊湊，體積小，有利于裝置的加工生產和推廣應用。
[0007]上述峰化開關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。當充電電壓達到氣體間隙自擊穿電壓時，峰化開關自動閉合，輸出納秒前沿的脈沖電流到負載。
[0008]上述峰化電容器是由多個薄膜電容元件串聯組成的低電感電容器。改變串聯元件數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用于監(jiān)測峰化電容器的充電電壓波形的電阻分壓器和一個用于監(jiān)測輸出電流波形的脈沖電流測量線圈。電阻分壓器同時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雙端引出電極的支路電容器和一個氣體火花隙開關；其中一個支路電容器一端與氣體火花隙開關相連，另一端為接地電極；另一個支路電容器一端與氣體火花隙開關相連，另一端為支路輸出電極；氣體火花隙開關的兩個高壓電極分別通過充電電阻與正負極性電源連接。交換開關電極充電極性，可以改變輸出脈沖極性。
[0011]上述絕緣殼體外還設置有金屬殼體，絕緣殼體和金屬殼體為同軸設置的圓柱形結構，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關構成，峰化電容器封閉在氣腔內采用氣體絕緣，結構緊湊，電感小，絕緣水平高。
[0014](2)本發(fā)明的峰化開關為尖-板式氣體開關，一端為針電極，另一端為板電極，中間填充氣體介質，當充電電壓達到氣體間隙自擊穿電壓時峰化開關自動閉合，輸出穩(wěn)定。
[0015](3)本發(fā)明的峰化電容器是由多個薄膜電容元件串聯組成的低電感電容器，改變串聯元件數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，改變開關兩端充電電壓極性，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高壓充電電纜連接，充電電纜的長度可調，便于峰化回路與主脈沖電流源配合連接。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明較佳實施例的電路原理圖；
[0019]圖2為本發(fā)明較佳實施例的峰化回路結構示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明較佳實施例的充電支路結構示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明較佳實施例的等效電路；
[0022]圖5為本發(fā)明較佳實施例的輸出脈沖電流波形；
[0023]附圖標記如下:1-充電支路；2_充電電纜；3_峰化回路；4_峰化開關氣體間隙；5_針電極；6_板電極；7_高壓電極板；8_峰化開關；9_接地電極板；10_電阻分壓器；11_脈沖電流測量線圈槽；12-峰化電容器；13-絕緣殼體；14_金屬殼體；15-支路電容器；16_氣體火花隙開關；17_絕緣板；18_開關高壓電極；19_支路輸出電極；20_支路接地電極。
【具體實施方式】
[0024]參見圖1，本發(fā)明的較佳實施例由充電支路1、充電電纜2和峰化回路3構成，峰化回路3由峰化電容器和峰化開關組成。充電支路1通過充電電纜2為峰化電容器進行諧振充電，當電壓充到一定值時，峰化開關閉合，可輸出數十納秒的快前沿脈沖電流。
[0025]參見圖2，本發(fā)明較佳實施例的峰化電容器12是由多個薄膜電容元件串聯組成的低電感電容器，改變串聯元件數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為圓柱形結構，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，內部填充氣體介質，實現對峰化電容器12的氣體絕緣，絕緣水平高。峰化開關8是一種尖-板式氣體開關，包括針電極5和板電極6，中間為峰化開關氣體間隙4，所填充的氣體介質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內填充氣體的氣壓和充電支路電壓便可調節(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，側面通過螺釘緊固。針電極座位與高壓電極板7的中心，二者為一體化結構。高壓電極板7的一側通過充電電纜2連接充電支路，對峰化電容器12進行充電。高壓電極板7的另一側連接一個電阻分壓器10，用于監(jiān)測峰化電容器12的充電電壓波形，同時也作為充電支路1的充電回路電阻。絕緣殼體13下部設置有一個脈沖電流測量線圈槽11，其內安裝羅氏線圈，用于監(jiān)測輸出電流波形。
[0026]參見圖3，本發(fā)明較佳實施例的充電支路1包括兩個支路電容器15和一個氣體火花隙開關16。其中一個支路電容器一端與氣體火花隙開關16相連，另一端為支路接地電極20 ;另一個支路電容器一端與氣體火花隙開關16相連，另一端為支路輸出電極19。氣體火花隙開關16的兩個開關高壓電極18分別通過充電電阻與正負極性電源連接，當充電到設定電壓時可觸發(fā)氣體火花隙開關16，使之擊穿閉合，這時兩個支路電容器15串聯，支路輸出電極19通過充電電纜2將脈沖引入到峰化回路3，對峰化電容器12進行諧振充電，交換開關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)明較佳實施例的等效電路，支路電容器為12nF的兩個電容器串聯，充電電壓30 — 80kV可調。峰化電容器由30個電容元件串聯，容量為5.8nF。當負載為2nH等效電阻為5Ω時，輸出脈沖電流波形如圖5所示。電路模擬結果表明:當兩個支路電容器分別充電正負極性電壓30 - 80kV、連接2nH等效電阻5 Ω負載時的輸出電流前沿(0_1)為 36ns，幅值分別為 5.3kA，7.lkA，8.9kA，10.6kA，12.4kA 和 14.2kA。
【主權項】
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關和峰化電容器；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關的高壓電極一端連接為一體式結構，峰化開關的另一端為脈沖源輸出電極；峰化電容器高壓電極板通過充電電纜與充電支路相連；所述峰化電容器外設置有絕緣殼體；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的封閉腔體。2.根據權利要求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:所述峰化開關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.根據權利要求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薄膜電容元件串聯組成的低電感電容器。4.根據權利要求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用于監(jiān)測峰化電容器的充電電壓波形的電阻分壓器和一個用于監(jiān)測輸出電流波形的脈沖電流測量線圈。5.根據權利要求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支路電容器和一個氣體火花隙開關；其中一個支路電容器一端與氣體火花隙開關相連，另一端為支路接地電極；另一個支路電容器一端與氣體火花隙開關相連，另一端為支路輸出電極；氣體火花隙開關的兩個開關高壓電極分別通過充電電阻與正負極性電源連接。6.根據權利要求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:所述充電支路通過三個絕緣板實現兩個支路電容器之間以及兩個支路電容器與外界的電氣絕緣。7.根據權利要求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:所述絕緣殼體外設置有金屬殼體，絕緣殼體和金屬殼體為同軸設置的圓柱形結構。
【專利摘要】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，其結構包括充電支路、充電電纜和峰化回路；峰化回路包括峰化開關和峰化電容器；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關的高壓電極一端連接為一體式結構，峰化開關的另一端為脈沖源輸出電極；峰化電容器高壓電極板通過充電電纜與充電支路相連；峰化電容器外設置有絕緣殼體；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的封閉腔體。本發(fā)明提供的高幅值脈沖電流發(fā)生器結構緊湊、體積小，采用諧振充電，輸出極性可調，可以在低阻值負載狀態(tài)下產生數十納秒的快前沿高幅值脈沖電流。
【IPC分類】H03K3/02
【公開號】CN105306015
【申請?zhí)枴緾N201510599869
【發(fā)明人】孫鳳舉, 王志國, 姜曉峰, 邱愛慈, 梁天學, 李興文, 吳堅
【申請人】西北核技術研究所, 西安交通大學
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年9月18日