專利名稱：一種基于Tesla變壓器的重復(fù)頻率脈沖串發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種重復(fù)頻率高功率脈沖串產(chǎn)生技術(shù)，具體涉及一種基于Tesla變壓器的重復(fù)頻率脈沖串發(fā)生器。
背景技術(shù)：
高功率脈沖串是指脈沖間隔在納秒到微秒量級(jí)，脈沖個(gè)數(shù)幾個(gè)到幾十個(gè)，峰值功率超過(guò)GW以上的脈沖序列。產(chǎn)生脈沖間隔很短的連續(xù)高功率高壓脈沖，物理和工程上存在巨大障礙，因此，為滿足閃光X照相、粒子束改性及高功率微波產(chǎn)生等技術(shù)研究的需要，探索和研制了幾種脈沖間隔很短、個(gè)數(shù)有限脈沖的產(chǎn)生方法和設(shè)備。其中一種比較有代表性的方法是利用脈沖形成線和氣體開(kāi)關(guān)串接，并利用氣體開(kāi)關(guān)在短時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)的特性產(chǎn)生聞壓脈沖串。
刊名3rd IEEE Int Pulsed Power Conference,卷號(hào) 2,出版日期 1997 年，篇名A600-kVdouble-pulser for the PHERMEX electron gun,作者Carlson, R. L等人研制成功用于X射線閃光高速攝影的雙脈沖發(fā)生器，它包含兩個(gè)Marx發(fā)生器，這兩個(gè)Marx發(fā)生器給兩段脈沖形成線獨(dú)立充電，兩段脈沖形成線通過(guò)激光觸發(fā)間隙開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接。該雙脈沖發(fā)生器成功輸出間隔I U s的600kV雙脈沖。一方面，形成線內(nèi)導(dǎo)體與MARX發(fā)生器輸出端一般用電感隔離，電感較小，充電效率高，但形成的脈沖序列也會(huì)通過(guò)充電電感向MARX泄放能量，影響脈沖波形和效率，實(shí)際上也限制了脈沖串的長(zhǎng)度。Marx發(fā)生器重復(fù)運(yùn)行能力差，適于單次或以很低重頻目前重復(fù)頻率最高只能達(dá)到幾Hz的水平運(yùn)行，采用Marx發(fā)生器充電的脈沖串技術(shù)途徑不能滿足脈沖串發(fā)生器在數(shù)十 百赫茲重頻下運(yùn)行的應(yīng)用需求。內(nèi)置Tesla變壓器的脈沖形成線結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，重復(fù)運(yùn)行能力強(qiáng)，次級(jí)電感達(dá)到幾十亨，把內(nèi)置Tesla變壓器的形成線與氣體開(kāi)關(guān)相串接產(chǎn)生脈沖串，正好可以克服上述方法的不足。利用Tesla變壓器技術(shù)的脈沖串產(chǎn)生方法可以產(chǎn)生功率數(shù)GW，脈沖間隔幾十納秒到幾個(gè)微秒,脈沖個(gè)數(shù)達(dá)數(shù)十個(gè),脈沖串重復(fù)頻率達(dá)百Hz的重復(fù)頻率脈沖串。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有脈沖串發(fā)生器重復(fù)運(yùn)行頻率較低的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于Tesla變壓器的重復(fù)頻率脈沖串發(fā)生器。一種基于Tesla變壓器的重復(fù)頻率脈沖串發(fā)生器，其特征在于包括基于Tesla變壓器的多段高壓脈沖形成線I、多個(gè)觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)2、輸出線3和負(fù)載4 ;多段高壓脈沖形成線I串聯(lián)而成，每個(gè)觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)2的觸發(fā)部分置于高壓脈沖形成線的內(nèi)部，采用Tesla變壓器對(duì)高壓脈沖形成線充電，多段高壓脈沖形成線通過(guò)各自內(nèi)置的Tesla變壓器獨(dú)立充電，每一段高壓脈沖形成線I都有一臺(tái)內(nèi)置的Tesla變壓器。所述的觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)2選用觸發(fā)管型氣體火花開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)為=Marx電路置于形成線內(nèi)筒的內(nèi)部，Marx電路的輸出端與觸發(fā)針7連接,Marx電路的供電端與二級(jí)I禹合Te s I a變壓器的次級(jí)錐狀線圈8的高壓端連接；二級(jí)耦合Tesla變壓器與為高電壓脈沖形成線充電的Tesla變壓器可同時(shí)內(nèi)置于高電壓脈沖形成線，構(gòu)成雙次級(jí)變壓器，共用一個(gè)初級(jí)回路。二級(jí)耦合Tesla變壓器與為高電壓脈沖形成線充電的Tesla變壓器可同時(shí)內(nèi)置于高電壓脈沖形成線，構(gòu)成雙次級(jí)變壓器，共用一個(gè)初級(jí)回路。Marx電路的光觸發(fā)信號(hào)從高壓脈沖形成線I的外部引入，光觸發(fā)信號(hào)由光纖傳輸。一種基于Tesla變壓器的重復(fù)頻率脈沖串發(fā)生器，其特征在于包括基于Tesla變壓器的多段高壓脈沖形成線I、多個(gè)觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)2、輸出線3和負(fù)載4 ;多段高壓脈沖形成線I串聯(lián)而成，觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)2的觸發(fā)部分置于高壓脈沖形成線的內(nèi)部，選用激光觸發(fā)火花間隙開(kāi)關(guān)；采用Tesla變壓器對(duì)高壓脈沖形成線充電，充電方式是通過(guò)多個(gè)充電電感6和一臺(tái)內(nèi)置的Tesla變壓器完成對(duì)所有高壓脈沖形成線的充電，只有一段高壓脈沖形成線內(nèi)置Tesla變壓器，每一個(gè)充電電感6把相鄰兩段形成線內(nèi)筒5連接起來(lái)。所述的激光觸發(fā)火花，結(jié)構(gòu)為采用激光束10經(jīng)透鏡13聚焦在主開(kāi)關(guān)電極間隙的中央15，焦斑電離后延遲一段時(shí)間主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；所述主開(kāi)關(guān)采用吹氣型重頻高壓氮?dú)忾g隙開(kāi)關(guān)，選用1064nm的紅外激光束10經(jīng)透鏡13聚焦在主開(kāi)關(guān)電極間隙的中央15，焦斑電離后延遲一段時(shí)間，主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于脈沖串發(fā)生器采用Tesla變壓器充電，可實(shí)現(xiàn)脈沖串發(fā)生器高達(dá)百赫茲的重復(fù)頻率運(yùn)行；Tesla變壓器與高電壓脈沖形成線一體化，結(jié)構(gòu)緊湊，使得脈沖串發(fā)生器的輸出功率指標(biāo)有較大的提升；為高電壓脈沖形成線內(nèi)筒內(nèi)部的Marx發(fā)生器充電的二級(jí)耦合Tesla變壓器，充電信號(hào)引入方便，該二級(jí)耦合Tesla變壓器可與為高電壓脈沖形成線充電的Tesla變壓器構(gòu)成雙次級(jí)變壓器，結(jié)構(gòu)緊湊。


圖I :本發(fā)明基于三臺(tái)Tesla變壓器的三脈沖發(fā)生器示意2 :本發(fā)明基于單臺(tái)Tesla變壓器的三脈沖發(fā)生器示意3 :本發(fā)明Marx發(fā)生器的二次耦合Tesla變壓器充電結(jié)構(gòu)示意4 :本發(fā)明激光觸發(fā)火花間隙開(kāi)關(guān)示意圖I.基于Tesla變壓器的三段高壓脈沖形成線；2.觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)；3.輸出線；4.負(fù)載；5.形成線內(nèi)筒或內(nèi)磁芯；6.充電電感；7.開(kāi)關(guān)觸發(fā)針；8. 二次I禹合Tesla變壓器的第二級(jí)變壓器次級(jí)線圈；9.高壓脈沖形成線充電變壓器的次級(jí)線圈；10.激光器輸出光束；
11.光窗；12.大功率容量傳輸光纖；13.會(huì)聚透鏡；14.反射鏡；15.焦斑位置。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述本實(shí)施例中包括基于Tesla變壓器的多段高壓脈沖形成線I、多個(gè)觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)
2、輸出線3和負(fù)載4共四個(gè)部分圖I和圖2。所述的多段高壓脈沖形成線I有兩種充電形式，一種是多臺(tái)Tesla變壓器充電形式圖1，每一段高壓脈沖形成線I都有一臺(tái)內(nèi)置的Tesla變壓器，多段高壓脈沖形成線通過(guò)各自內(nèi)置的Tesla變壓器獨(dú)立充電；另一種是單臺(tái)Tesla變壓器充電形式圖2，通過(guò)充電電感6和一臺(tái)內(nèi)置的Tesla變壓器完成對(duì)所有高壓脈沖形成線的充電，只有一段高壓脈沖形成線I有內(nèi)置的Tesla變壓器，通過(guò)多個(gè)充電電感把多段形成線內(nèi)筒5連接起來(lái)，其中每一個(gè)充電電感6的兩端連接相鄰兩段形成線內(nèi)筒5的一端，充電電感采用螺繞管結(jié)構(gòu)，充電電感在形成線的慢充電過(guò)程相當(dāng)于短路，且快放電過(guò)程相當(dāng)于開(kāi)路。Tesla變壓器的內(nèi)外磁芯替代高壓脈沖形成線的內(nèi)外導(dǎo)體圓筒，次級(jí)錐狀線圈位于形成線的內(nèi)外磁芯之間，初級(jí)線圈緊鄰?fù)獯判镜膬?nèi)側(cè)，初級(jí)線圈通過(guò)外筒上的引出電極連接到初級(jí)回路，初級(jí)電源HV對(duì)初級(jí)回路的儲(chǔ)能電容充電，觸發(fā)初級(jí)回路的晶閘管，初級(jí)儲(chǔ)能電容通過(guò)變壓器向次級(jí)形成線電容放電。所述的觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)2可選用觸發(fā)管型氣體火花開(kāi)關(guān)，主開(kāi)關(guān)采用高壓氮?dú)饨橘|(zhì)，采用風(fēng)機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)間隙吹氣。選用Marx發(fā)生器作為觸發(fā)電路圖3，Marx電路置于形成線內(nèi)筒5的內(nèi)部，Marx電路的高壓輸出端連接開(kāi)關(guān)觸發(fā)針7。Marx電路的級(jí)開(kāi)關(guān)采用光導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)PCSS，可采用1064nm的紅外激光照射觸發(fā)，觸發(fā)能量數(shù)十y J，激光束在光纖內(nèi)傳輸，光纖從高電壓脈沖形成線I的外部導(dǎo)入?？擅子梅止馄鲗?duì)大功率輸出激光束分光，再米用光纖傳輸和延時(shí)，產(chǎn)生的各子光束分別觸發(fā)各個(gè)Marx發(fā)生器。Marx發(fā)生器可采用二級(jí)耦合Tesla變壓器充電，二級(jí)耦合Tesla變壓器置于高電壓脈沖形成線I的內(nèi)部，二級(jí)耦合Tesla變壓器的內(nèi)外開(kāi)路磁芯替代高壓脈沖形成線的內(nèi)外筒。第一級(jí)Tesla變壓器的初級(jí)圓柱形線圈緊鄰?fù)獯判緝?nèi)表面，次級(jí)圓柱形線圈緊靠?jī)?nèi)磁芯的外表面。第二級(jí)Tesla變壓 器的初級(jí)圓柱形線圈緊鄰內(nèi)磁芯的內(nèi)表面,次級(jí)錐狀線圈8位于內(nèi)磁芯5的內(nèi)部，其一端連接形成線內(nèi)磁芯5，另一端連接Marx發(fā)生器的充電端UO。內(nèi)磁芯的中間開(kāi)一縱向耦合槽，槽口長(zhǎng)度稍大于緊鄰內(nèi)磁芯表面的線圈寬度，內(nèi)磁芯內(nèi)外表面的兩個(gè)圓柱形線圈在槽口邊沿縱向聯(lián)結(jié)成一整體，通過(guò)耦合槽第一級(jí)變壓器能量可傳輸?shù)降诙?jí)變壓器。二級(jí)耦合Tesla變壓器與為高電壓脈沖形成線充電的Tesla變壓器可同時(shí)內(nèi)置于高電壓脈沖形成線1，構(gòu)成雙次級(jí)變壓器，共用初級(jí)回路和內(nèi)外磁芯。所述的觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)2除了選用觸發(fā)管型氣體火花開(kāi)關(guān)，還可選用延時(shí)控制更精確觸發(fā)抖動(dòng)ns量級(jí)的激光觸發(fā)火花間隙開(kāi)關(guān)圖4。主開(kāi)關(guān)采用吹氣型重頻高壓氮?dú)忾g隙開(kāi)關(guān)，選用的1064nm的紅外激光束10由光窗11沿著形成線的徑向進(jìn)入形成線內(nèi)部，進(jìn)入形成線的激光束在大功率容量光纖12內(nèi)傳輸，透鏡13對(duì)大容量光纖的出射光束進(jìn)行會(huì)聚,反射鏡14使得會(huì)聚光束沿原來(lái)的徑向傳輸方向改變?yōu)檠剌S向傳輸，會(huì)聚光束聚焦在主開(kāi)關(guān)陰陽(yáng)電極間隙的中央15。氮?dú)庵薪拱唠婋x所需能量較大，多個(gè)主開(kāi)關(guān)需要多臺(tái)激光器來(lái)觸發(fā)，為滿足目前定制光纖傳輸能力，傳輸光束能量要求小于100mJ。本實(shí)施例中Tesla變壓器、激光器的時(shí)間控制由同步機(jī)完成。
權(quán)利要求
1.一種基于Tesla變壓器的重復(fù)頻率脈沖串發(fā)生器，其特征在于包括基于Tesla變壓器的多段高壓脈沖形成線(I)、多個(gè)觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)(2)、輸出線(3)和負(fù)載(4);多段高壓脈沖形成線(I)串聯(lián)而成，每個(gè)觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)(2)的觸發(fā)部分置于高壓脈沖形成線的內(nèi)部，采用Tesla變壓器對(duì)高壓脈沖形成線充電，多段高壓脈沖形成線通過(guò)各自內(nèi)置的Tesla變壓器獨(dú)立充電，每一段高壓脈沖形成線(I)都有一臺(tái)內(nèi)置的Tesla變壓器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于Tesla變壓器的重復(fù)頻率脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述的觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)(2)選用觸發(fā)管型氣體火花開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)為Marx電路置于形成線內(nèi)筒的內(nèi)部，Marx電路的輸出端與觸發(fā)針(7)連接，Marx電路的供電端與二級(jí)耦合Tesla變壓器的次級(jí)錐狀線圈(8)的高壓端連接；二級(jí)耦合Tesla變壓器與為高電壓脈沖形成線充電的Tesla變壓器可同時(shí)內(nèi)置于高電壓脈沖形成線，構(gòu)成雙次級(jí)變壓器，共用一個(gè)初級(jí)回路。
3.一種基于Tesla變壓器的重復(fù)頻率脈沖串發(fā)生器，其特征在于包括基于Tesla變壓器的多段高壓脈沖形成線(I)、多個(gè)觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)(2)、輸出線(3)和負(fù)載(4);多段高壓脈沖形成線(I)串聯(lián)而成，觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)(2)的觸發(fā)部分置于高壓脈沖形成線的內(nèi)部，選用激光觸發(fā)火花間隙開(kāi)關(guān)；采用Tesla變壓器對(duì)高壓脈沖形成線充電，充電方式是通過(guò)多個(gè)充電電感(6)和一臺(tái)內(nèi)置的Tesla變壓器完成對(duì)所有高壓脈沖形成線的充電，只有一段高壓脈沖形成線內(nèi)置Tesla變壓器，每一個(gè)充電電感(6)把相鄰兩段形成線內(nèi)筒(5)連接起來(lái)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于Tesla變壓器的重復(fù)頻率脈沖串發(fā)生器，其特征在于多段高壓脈沖形成線串聯(lián)而成，每個(gè)觸發(fā)型主開(kāi)關(guān)的觸發(fā)部分置于高壓脈沖形成線的內(nèi)部，采用Tesla變壓器對(duì)高壓脈沖形成線充電，多段高壓脈沖形成線通過(guò)各自內(nèi)置的Tesla變壓器獨(dú)立充電，每一段高壓脈沖形成線都有一臺(tái)內(nèi)置的Tesla變壓器。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是脈沖串發(fā)生器采用Tesla變壓器充電，可實(shí)現(xiàn)脈沖串發(fā)生器的百赫茲重復(fù)頻率運(yùn)行；Tesla變壓器與高電壓脈沖形成線一體化，結(jié)構(gòu)緊湊，使得脈沖串發(fā)生器的輸出功率指標(biāo)有較大的提升；為高電壓脈沖形成線內(nèi)置的觸發(fā)模塊供電的二級(jí)耦合Tesla變壓器，可與為高電壓脈沖形成線充電的Tesla變壓器構(gòu)成雙次級(jí)變壓器，結(jié)構(gòu)緊湊。
文檔編號(hào)H03K3/64GK102780473SQ20121026912
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者宋曉欣, 朱曉欣, 潘亞峰, 蘇建倉(cāng), 黃文華 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所