一种快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源

摘要

本发明涉及一种快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源，属于脉冲功率技术领域。该脉冲源包括主脉冲开关、Blumlein线、快开关、传输线和匹配负载；所述快开关5位于Blumlein线部分内部；传输线另一端与匹配负载6连接；Blumlein线内筒的绝缘隔板4，其内、外径方向均采用径向密封结构，以产生气、液隔离。本发明将快开关5由脉冲源传输线内部移至Blumlein线部分的输出端，减少了脉冲源内部绝缘部件的数量，结构更加紧凑；同时快开关5内部气压与主脉冲开关1内部气压相当，当脉冲源内部压力平衡时可减小主脉冲开关绝缘隔板2、绝缘隔板4上的应力，提高脉冲源的可靠性；最后脉冲源输出脉冲的形状得到了改变，在匹配负载上得到了近似矩形的高压亚纳秒脉冲输出。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源，实现了高压亚 纳秒脉冲源结构的紧凑和输出脉冲形状的改变，在匹配负载上得到了近似矩形的高功 率亚纳秒脉冲输出，属于脉冲功率技术领域。

背景技术

20世纪60年代，英国的J.C.Martin把A.D.Blumlein在雷达脉冲调制器上的双传 输线技术用在脉冲功率技术中，成功地研制出世界上第一台高压纳秒脉冲源，开创了 脉冲功率技术的新纪元。人们把这种双传输线称为Blumlein线，与单传输线相比其优 点是在阻抗完全匹配条件下，输出电压等于充电电压，负载获得的能量提高了一倍， 故又称倍压传输线。

同轴Blumlein线在高压亚纳秒脉冲源中应用广泛，主要用于脉冲的形成。参阅图 1，现有的Blumlein型高压亚纳秒脉冲源，包括主脉冲开关、Blumlein线、快开关、 传输线及匹配负载。所述Blumlein线部分为双筒线结构；主脉冲开关1结构为自击穿 式高压气体多通道火花隙开关，开关的导通时间在纳秒量级，位于Blumlein线一端的 外筒和中筒之间，可实现开关间隙的外部调节，从而控制主脉冲的幅度；Blumlein线 的内筒通过过渡结构与传输线连接，在传输线一端的内导体之间形成自击穿式高压气 体火花隙开关，即快开关5；传输线的另一端与匹配负载6连接；匹配负载6用于吸 收脉冲源产生的高功率亚纳秒脉冲。快开关5是亚纳秒气体开关，其特点是短间隙、 高气压、快速脉冲输入，实现在200%～300%过电压下自击穿，击穿时气体间隙电场 可高达几MV/cm，因此开关闭合非常快，输出脉冲的上升时间达到几百ps甚至几十 ps，可实现对纳秒脉冲的整形：前沿抖化或后沿截断，形成高压亚纳秒脉冲。主脉冲 绝缘隔板2用于Blumlein线部分中筒的支撑和绝缘；绝缘隔板4用于Blumlein线部分 内、外筒支撑和绝缘；快开关5的两端均有快开关隔板；所述两快开关隔板与主脉冲 绝缘隔板2，将高压亚纳秒脉冲源内腔依次分隔为气腔、液腔、气腔三部分。因此， 所述两快开关隔板与主脉冲绝缘隔板2的内、外径方向均采用径向密封结构，以产生 气、液隔离。

如上所述，对于现有的Blumlein型高压亚纳秒脉冲源来说，其存在的缺点是：（1） Blumlein线和快开关5两者之间需要通过一段过渡结构进行连接，使得脉冲源的体积 增大；（2）主脉冲开关绝缘隔板2需要承受几Mpa气体压力，要求主脉冲开关绝缘隔 板2具有良好的绝缘性能和机械性能；（3）Blumlein线输出脉冲的形状与主脉冲开关 1有很大关系，为了得到接近理想的矩形脉冲对主脉冲开关1要求是：开关上升时间 短，电感小，但现有主脉冲开关1的结构本身决定了脉冲源输出波形的形状为类高斯 脉冲，其应用受到了限制。

发明内容

为解决现有Blumlein型高压亚纳秒脉冲源体积大、输出脉冲的形状为类高斯脉冲 的问题，本发明提出了一种快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源。

本发明的技术方案是：一种快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源，包 括主脉冲开关、Blumlein线、快开关、传输线和匹配负载；所述Blumlein线部分为双 筒线结构，主脉冲开关1结构为自击穿式高压气体多通道火花隙开关，位于Blumlein 线一端的外筒和中筒之间；Blumlein线的内筒输出端与传输线的内导体一端形成自击 穿式高压气体火花隙开关，即快开关5；所述快开关5位于Blumlein线部分内部；传 输线的另一端与匹配负载6连接；主脉冲绝缘隔板2用于Blumlein线部分中筒的支撑 和绝缘；Blumlein线内筒的绝缘隔板4和传输线内导体端部的支撑绝缘板作为快开关 隔板；所述的支撑绝缘板与主脉冲绝缘隔板2、绝缘隔板4将高压亚纳秒脉冲源内腔 依次分隔为气腔、液腔、气腔三部分。因此，所述的支撑绝缘板与主脉冲绝缘隔板2、 绝缘隔板4的内、外径方向均采用径向密封结构，以产生气、液隔离。

本发明的有益效果是：在传统Blumlein型高压亚纳秒脉冲源的基础上，将快开关 5由脉冲源传输线内部移至Blumlein线部分的输出端，减小了脉冲源的体积，结构变 得更加紧凑；同时快开关5内部气压与主脉冲开关1内部气压相当，当脉冲源内部压 力平衡时可减小主脉冲开关绝缘隔板2、绝缘隔板4的压力形变，提高了脉冲源的可 靠性；最后脉冲源输出脉冲的形状得到了改变，在匹配负载上得到了近似矩形的高功 率亚纳秒脉冲输出。

附图说明

图1是现有技术中传统Blumlein型高压亚纳秒脉冲源结构示意图

图2是本发明提出的快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源结构示意图

图3是传统Blumlein型高压亚纳秒脉冲源主脉冲波形图

图4是实施例中快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源主脉冲波形图

图5是实施例中快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源输出波形图

图中：1－主脉冲开关、2－主脉冲开关绝缘隔板、4－绝缘隔板、5－快开关、6－ 匹配负载。

具体实施方式

下面对本发明做进一步描述。

参阅图2，本实施例中的快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源，包括 主脉冲开关、Blumlein线、快开关、传输线和匹配负载；所述Blumlein线部分为双筒 线结构，主脉冲开关1结构为自击穿式高压气体多通道火花隙开关，位于Blumlein线 一端的外筒和中筒之间；Blumlein线的内筒输出端与传输线的内导体一端形成自击穿 式高压气体火花隙开关，即快开关5；所述快开关5位于Blumlein线部分内部；传输 线另一端与匹配负载6连接；主脉冲绝缘隔板2用于Blumlein线部分中筒的支撑和绝 缘；Blumlein线内筒的绝缘隔板4和传输线内导体端部的支撑绝缘板作为快开关隔板； 所述的支撑绝缘板与主脉冲绝缘隔板2、绝缘隔板4将高压亚纳秒脉冲源内腔依次分 隔为气腔、液腔、气腔三部分。因此，所述的支撑绝缘板与主脉冲绝缘隔板2、绝缘 隔板4的内、外径方向均采用径向密封结构，以产生气、液隔离。

本实施例中，主脉冲开关1为自击穿式高压气体多通道火花隙开关，内部充几 Mpa高纯氮气；快开关5为Peaking型亚纳秒气体开关，内部亦充有Mpa量级高纯氮 气。Blumlein线部分结构尺寸为：内筒外半径32.5mm，中筒内半径62.5mm，中筒 外半径75.0mm，外筒内半径125.0mm，长度440mm，内部充有变压器油绝缘。利 用传统Blumlein型高压亚纳秒脉冲源Blumlein线部分内筒的绝缘隔板4作为快开关5 一端的绝缘隔板，在其内、外径方向上采用径向密封的方式，实现了对快开关内部高 压气体的密封和脉冲源内部油、气的隔离，减少了脉冲源内部绝缘部件的数量，脉冲 源的体积减小，结构更加紧凑。同时主脉冲开关1的内部压力与快开关5的内部压力 相当，当脉冲源内部压力达到平衡时，主脉冲开关绝缘隔板2、绝缘隔板4上的应力 与原有结构相比可有效减小，提高了脉冲源的可靠性。

当Blumlein线部分充电至主脉冲开关1的工作电压300kV时，主脉冲开关1发生 自击穿，即Blumlein线部分的中、外筒之间短路，在Blumlein线部分上产生波过程， 形成一脉冲宽度为6ns的高压纳秒脉冲，经过快开关5的抖化形成幅值约300kV、前 沿亚纳秒、脉宽约6ns近似矩形的脉冲输出，习惯上称其为高压亚纳秒脉冲或高功率 亚纳秒脉冲。相比现有的Blumlein型高压亚纳秒脉冲源，本发明提出的快开关与 Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源的结构更加紧凑，脉冲形成回路的等效电感减 小，在匹配负载6上能得到近似矩形脉冲输出，可作为一种理想的脉冲驱动源。图3 给出了传统Blumlein型高压亚纳秒脉冲源主脉冲波形，图4给出了本实施例中快开关 与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源主脉冲波形，图5给出了本实施例中对应的 近似矩形输出的脉冲波形实例。从图3、图4、图5可以看出，本发明提出的快开关与 Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源，相比于传统Blumlein型高压亚纳秒脉冲源， 其输出的脉冲形状近似为矩形，而且前沿达到了亚ns量级。