串级式电子束二极管悬浮电极的支撑装置及其驱动电路

摘要

本发明涉及串级式电子束二极管悬浮电极的支撑装置及其驱动电路，支撑装置包括三个支撑单元，支撑单元包括支撑针、壳体、弹簧、铁芯和电磁线圈，壳体筒壁外部安装有电磁线圈，壳体内部安装有弹簧，弹簧的前端设置有铁芯，铁芯的中心为通孔，并与支撑针固为一体；支撑针可在电磁线圈产生的电磁力和弹簧的作用下前后移动，将悬浮电极固定及松开；本发明实现了高压电极的悬浮工作，从而克服了固定支撑在高电压作用下绝缘性能不够，且对电场分布产生影响的不足。

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其涉及一种多间隙串级工作的电子束串 级式二极管悬浮电极的支撑装置及其驱动电路。

背景技术

开展系统电磁脉冲效应研究需要建立高能注量且能谱分布在20～120keV之 间的硬X射线源，硬X射线的能谱取决于韧致辐射电子束的能量，而采用串级 二极管，通过二级或多级分压降低电子束能量，能够产生大面积、能谱逼真、 高能注量硬X射线。美国的double Eagle已经开展了两级和三级串级二极管， 取得较好的实验数据。

在脉冲功率技术中，真空二极管作为传输线的负载，其作用是将传输线形成 的高功率脉冲能量转化成粒子束或内爆等离子体。真空二极管主要由阴极和阳 极组成，串级二极管即在电子束二极管的阴极和阳极之间再增加新电极，类似 于电容极板之间的串联作用，新增加电极的一面作为第一个间隙的阳极，另一 面作为第二个间隙的阴极，在高压脉冲作用下，实现二极管的串联工作。

这种将单间隙二极管通过增加电极分为多个间隙技术，使得电极环在电子 束发射方向上不重叠，由于电容串联分压，主脉冲加载到二极管时，各间隙获 得相应的电压，悬浮电极即作为第一个间隙的阳极，阻挡主阴极（第一个阴极） 发射的电子并转换为X射线，同时作为第二个间隙的阴极发射电子在距离二极 管X射线窗口较近的一个平面上形成大面积的均匀辐照面。每一个二极管间隙 电子的加速电压由于分压而降低，使得电子束能谱降低，轫致辐射X能谱降低， 产生新的X射线能谱，并实现功率匹配传输或准匹配传输，提高能量传输效率 和二极管能量转换效率；此外通过间隙分压，还可以提高脉冲功率源的电压， 从而提高总储能，产生大面积高能注量的X射线。

在串级二极管研究中，悬浮电极的支撑是实现串级二极管的前提。在低阻 抗二极管腔室中，目前常采用绝缘固定支架支撑中间的电极，当采用固定绝缘 子支撑时，由于固体绝缘子之撑的引入，会影响电极间电场分布。同时在引入 绝缘子支撑时，在绝缘子，电极和空间介质的三结合点处电场成为最弱的地方， 因此引入绝缘子，首先考虑绝缘子是否满足沿面闪络的要求，同时考虑电极间 的电场分布。当绝缘子的不能满足沿面闪络的要求时，必须增大绝缘子的尺寸， 这样又会影响二极管的电感分布，降低脉冲前沿。尤其对于当数百千伏的电子 束作用到一个多间隙的同轴电极上时，常规的支撑件很难满足电气绝缘要求， 影响到串级二极管的实现。

发明内容

本发明针对在二极管串级中存在的悬浮电极支撑结构在高电压作用下绝缘 性能不够，且对电场分布产生影响的不足，提出了一种基于活动支撑结构的串 级式电子束二极管悬浮电极的支撑装置及其驱动电路，在二极管工作前的瞬间， 通过外力作用，支撑针撤除，悬浮电极在重力的作用下自由落体，利用物体的 惯性实现中间电极的悬浮，实现瞬间的多间隙二极管串级工作。

本发明的技术解决方案如下：

一种串级式电子束二极管悬浮电极的支撑装置，其特殊之处是：包括三个 支撑单元，其分别位于串级式电子束二极管悬浮电极1的正上方、正左方和正 右方；所述支撑单元包括支撑针3、壳体4、弹簧5、铁芯6、电磁线圈7和限 位筒8，所述壳体4为筒状结构，其开口端固定在电子束二极管外壳2上且正对 外壳2的通孔，其非开口端设置中心孔，所述限位筒8扣在壳体4的中心孔上； 所述电磁线圈7安装在壳体4的筒壁外部，所述弹簧5安装在壳体4内部，所 述弹簧5的一端顶在铁芯6上，其另一端顶在壳体4的非开口端，所述支撑针3 的中部固定在铁芯6上，其内端穿过电子束二极管外壳2上的通孔后插入悬浮 电极1外圈上设置的支撑孔内，其外端穿过弹簧5和壳体4非开口端的中心孔 后伸入限位筒8内；所述铁芯6可在电磁线圈7产生的电磁力和弹簧5的作用 下沿壳体4轴线方向移动。

上述外壳4的非开口端设置有多个与限位筒8相通的气体流通孔。

上述弹簧5为塔形弹簧，所述铁芯6设置在塔形弹簧的大径处。

上述铁芯6采用软磁材料纯铁制成，所述支撑针3采用铝材制成。

上述壳体4中心孔与电子束二极管外壳2通孔之间同轴度小于0.04mm，壳 体4中心孔直径以及电子束二极管外壳2通孔直径与支撑针直径偏差±0.02mm。

上述串级式电子束二极管悬浮电极的支撑装置的驱动电路，包括储能电容 C1、闸流管U1、分压电阻单元和延时器T1，其中储能电容C1、闸流管U1和 电磁线圈7串联构成回路，且储能电容C1和电磁线圈7的连接点接地；分压电 阻单元并联在电磁线圈7的两端，所述分压电阻单元包括两个串联工作的分压 电阻R1、R2，所述延时器T1的输入端电联接在两个分压电阻之间，输出端与 电子束二极管的前级触发单元联接。

本发明具有的技术效果如下：

1、本发明通过对悬浮电极的控制，可以实现多个二极管间隙串级工作，降 低单间隙二极管电压，产生能谱较低的脉冲X射线源。

2、本发明采用活动支撑结构，在脉冲电子束二极管工作前的瞬间快速撤除 支撑，实现高压电极的悬浮工作，从而克服了固定支撑在高电压作用下绝缘性 能不够，且对电场分布产生影响的不足。

3、本发明的支撑控制系统能够使支撑针快速撤离支撑，撤离支撑的时间内 中间高压电极自由落体距离小于0.15mm，瞬间处于悬浮状态，基本不影响高压 电极间电场分布。

4、本发明研制的基于高速螺旋电磁铁工作原理的支撑结构，体积小，结构 简单，运动速度快，能够实现对悬浮电极的有效定位支撑，并且能够快速撤离 支撑，保证悬浮电极的悬浮工作。

5、本发明的悬浮电极通过三个支撑单元进行支撑，其中两个在水平方向左 右对称，另一个在正上方垂直方向，避免了支撑针设置在下方时由于悬浮电极 的重力作用而导致的撤离不畅问题。

6、本发明的支撑控制系统驱动电路能使支撑结构的电磁线圈在瞬间产生较 大的电磁力，带动支撑针能够在5ms时间内撤离出对悬浮电极的支撑，撤离距 离不小于30mm，此外采用同步延时的方法，实现了支撑控制系统与串级二极管 的同步工作。

7、本发明的悬浮电极及其支撑结构还可以用于其他高压电极支撑研究中。

附图说明

图1为本发明支撑装置与串级二极管结构位置示意图；

图2为本发明支撑单元结构示意图；

图3为本发明三个支撑针对悬浮电极支撑示意图；

图4为本发明支撑装置驱动电路原理示意图；

图5为本发明支撑装置驱动电路与二极管的延时同步工作流程图。

附图标记为：1-悬浮电极；2-二极管外壳；3-支撑针；4-壳体；5-弹簧；6- 铁芯；7-电磁线圈；8-限位筒；9-二极管阴极；10-二极管阳极；11-支撑单元； C1-储能电容；U1-闸流管；R1、R2-分压电阻；T1-延时器。

具体实施方式

图1为本发明支撑装置与串级二极管的结构位置示意图，在常规电子束二 极管的阴极9和阳极10之间同轴线间隔设置有不少于一个的悬浮电极1，悬浮 电极1通常为环状平板，工作面平行于二极管阳极10和二极管阴极9的工作面， 且悬浮电极1、二极管阳极10和二极管阴极9的中心在一条直线上；悬浮电极 1通过若干个固定在电子束二极管外壳上的支撑单元11支撑，支撑单元11的壳 体4固定在电子束二极管的外壳2上，通过支撑针3的支撑和撤离，实现多组 高压悬浮电极1的瞬间悬浮工作。

悬浮电极之间以及与二极管阳极10和阴极9之间的间距要合理，为保证多 间隙之间电子发射的一致性，以一个悬浮电极为例，悬浮电极1和二极管阴极9 之间的间隙为6.4～6.8mm，悬浮电极1和二极管阳极10之间的间隙为 8.6～8.8mm。

如图2所示，本发明的支撑单元11包括支撑针3、壳体4、弹簧5、铁芯6、 电磁线圈7和限位筒8，壳体4为开口向前，也就是朝着二极管方向的筒状结构， 壳体4前端法兰固定在二极管外壳2上，壳体4筒体的底部固定有限位筒8，限 位筒8的筒口向前，壳体4筒体底部的中心以及所对应的二极管外壳2上开有 通孔，为保证支撑针的顺利插拔和精确定位，要求壳体筒底中心孔与二极管外 壳的支撑针通孔的同轴度不大于0.04mm。

壳体4外筒壁安装有电磁线圈7，壳体4内部安装有弹簧5，弹簧5的前端 设置有铁芯6，铁芯6的中心为通孔，并与穿过铁芯通孔的支撑针3中部固为一 体，两者固定成一体，避免采用螺纹连接引起同轴度的偏差；支撑针3的两端 穿过壳体4筒体中心孔与二极管外壳2通孔，并可以在电磁线圈7产生的电磁 力和弹簧5的作用下前后移动，当支撑针3处于收缩状态时，支撑针3的后端 可伸入至限位筒8的筒体；当支撑针3处于伸出状态时，支撑针3的前端可穿 过二极管外壳2通孔并插入悬浮电极1外圈上设置的支撑孔，这样在二极管不 工作时，支撑针3可对悬浮电极1支撑，二极管工作时，支撑针3可瞬间从悬 浮电极1的支撑孔中抽出，悬浮电极1自由落体，由于脉冲二极管的工作时间 很短，可以实现电子束二极管与悬浮电极1的瞬间串联工作，满足串级二极管 的科研试验要求。

如图3所示，采用三个支撑针3及相应的支撑单元11对悬浮电极1进行了 支撑，其中两个支撑针3在水平方向对称设置，另一个支撑针3在正上方垂直 方向设置，支撑针不在悬浮电极1的下方设置，可避免由于悬浮电极1的重力 作用而导致的撤离不畅问题。当高压二极管工作时，依靠电磁力，三个支撑针3 同时撤离，高压电极在瞬间实现悬浮工作。

图4为本发明支撑装置驱动电路示意图，驱动电路包括储能电容C1，闸流 管U1，电磁线圈7、延时器T1和分压电阻单元。其中储能电容C1、闸流管U1 和电磁线圈7串联构成回路，储能电容C1的一个极板接地；分压电阻单元并联 在电磁线圈7的两端，所述的分压电阻单元包括两个串联工作的分压电阻R1、 R2，所述延时器T1的输入端电联接在两个分压电阻之间，输出端与电子束二极 管的前级触发单元联接。通过提取分压电阻单元中的低压臂电阻信号，作为监 测和同步控制信号。

工作时首先对储能电容C1充电，待电容器充电到设定电压，由前级触发单 元触发闸流管U1，电磁线圈7通过电流产生电磁力驱动支撑装置的铁芯带动支 撑针一起工作；当采用三路支撑针或多路支撑针工作时，要采用多路并联输出 的高压直流电源同时对多个回路中的电容器充电，充电结束后，由前级触发单 元同时触发多路驱动回路中的闸流管U1，驱动各自放电回路中的电磁线圈7， 多个支撑针3同步工作，同步撤离，同时提取电磁线圈7的同步信号，并经过 延时后输出至电子束二极管前级触发源。

在图5的支撑装置驱动电路与二极管的延时同步工作流程图中，当储能电 容C1充电完成，且电子束二极工作管准备完毕后，首先采用前级手动触发接通 闸流管U1，驱动电路开始工作，在电磁力的作用下，支撑针3撤离，由于工作 行程的缘故，支撑针撤离需要大约数毫秒的时间；在驱动电路对电磁线圈7放 电同时，通过分压电阻提取电磁线圈的信号，以该信号触发延时器DG535， DG535的输出信号延时5ms后，其延迟时间等于支撑针撤离时间，然后自动触 发电子束二极管的前级脉冲源，在5ms时间内，支撑装置完全撤离出二极管高 压悬浮电极支撑范围，悬浮电极自由落体，同时脉冲二极管和悬浮电极工作， 实现串级二极管的串联工作。由于电子束二极管的前级脉冲源工作时间很短大 约2μs，故其工作时间相对于驱动电路支撑针的运动时间可以忽略。

下面给出具体应用实例：“闪光二号”从前级脉冲源到二极管工作时间为 2μs，悬浮电极在撤去支撑过程中的5ms时间内自由落体125μm，驱动电路可在 5ms的工作时间内驱动支撑针行程30mm，限位筒的深度大于40mm，便于容纳 支撑针在内部的移动，储能电容采用1mF/2kV的大容量电容器，电磁线圈采用 1mm粗的漆包线绕制在一个工形尼龙架上，匝数200匝，尼龙架固定在壳体的 筒壁上。该装置已经实现了单个悬浮电极的工作，并可进一步推广应用到多悬 浮电极工作中。