预脉冲隔离电感及利用该电感的毛细管放电软X射线激光装置

摘要

预脉冲隔离电感及利用该电感的毛细管放电软X射线激光装置，涉及一种预脉冲电源保护装置及利用该装置的X射线激光装置。本发明解决了现有毛细管放电软X射线激光装置的主脉冲电压在预脉冲电路中产生幅值较高的电流脉冲干扰信号对预脉冲电源产生破坏的问题，本发明利用线绕电感、尼龙绝缘套筒、连接套筒、不锈钢法兰、一号金属杆、环形气体放电开关、尼龙连接套筒、二号金属杆和尼龙棒获得预脉冲隔离电感；利用电感对快上升沿的阻碍作用，降低主脉冲高压对预脉冲电源的干扰，将电感串联在毛细管与预脉冲电源之间。本发明适利用毛细管放电Z箍缩效应获得软X射线激光脉冲装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种预脉冲电源保护装置及利用该装置的X射线激光装置。

背景技术

毛细管放电软X射线激光是指利用毛细管放电Z箍缩效应获得软X射线激光脉冲。首 先，对充入毛细管内的气体进行较低电压（约为几十千伏）的放电，产生几十安培的电流 流过毛细管内的气体。该电流将管内的中性气体电离成由较低电离价态组成的等离子体， 这个电流被称为预脉冲电流，由预脉冲电源产生。在预脉冲电压击穿毛细管内气体几十微 秒后，主脉冲电源产生主脉冲电压（约为几百千伏）对毛细管内的等离子体进行放电，并 形成首个幅值为几十千安的电流脉冲，这个电流称为主脉冲电流。由于该电脉冲的半周期 约为130ns，在流过预电离等离子体时会产生趋肤效应，电流只在等离子体柱的表面流过。 由于放电电流与自身产生的磁场相互作用，产生指向轴心的洛伦兹力，等离子体柱向轴心 收缩，这被称为Z箍缩效应。在这个过程中，由于电子与离子相互碰撞、焦耳加热等作用， 等离子体温度升高、密度增加。在等离子体箍缩到轴心时，形成直径只有几百微米的等离 子体柱，同时等离子体的高温高密度条件使激光上下能级粒子数反转，激光增益大于损耗， 最终形成软X射线激光脉冲。

图1中给出了毛细管放电软X射线激光装置的示意图。从图1中可以看出，主脉冲和 预脉冲两个电源需要同时与毛细管负载连接，因此在主脉冲电压到达毛细管末端时，主脉 冲电压同时加在毛细管末端，以及与毛细管末端相连的预脉冲线路上。主脉冲电压在预脉 冲电路中产生幅值较高的电流脉冲干扰信号，并通过预脉冲电缆导入预脉冲电源，从而对 预脉冲电源产生破坏。

发明内容

本发明为了解决现有毛细管放电软X射线激光装置的主脉冲电压在预脉冲电路中产生 幅值较高的电流脉冲干扰信号对预脉冲电源产生破坏的问题，提出了预脉冲隔离电感及利 用该电感的毛细管放电软X射线激光装置。

本发明所述预脉冲隔离电感，该电感包括线绕电感、尼龙绝缘套筒、连接套筒、不锈 钢法兰、一号金属杆、环形气体放电开关、尼龙连接套筒、二号金属杆和尼龙棒；

线绕电感缠绕在尼龙棒上，尼龙绝缘套筒套在线绕电感的外侧，连接套筒套在尼龙绝 缘套筒的外侧，连接套筒的高度小于尼龙绝缘套筒的高度，且连接套筒的上下端都有向外 延伸的沿，且所述向外延伸的沿上均匀设置有圆形通孔，连接套筒的下端同轴安装有不锈 钢法兰，连接套筒上的通孔与不锈钢法兰上的通孔相对应，尼龙绝缘套筒的底端卡在不锈 钢法兰内的台肩上，一号金属杆的一端连接线绕电感的一端，环形气体放电开关串联在一 号金属杆和二号金属杆之间，且环形气体放电开关和二号金属杆位于不锈钢法兰内，锈钢 法兰的下端与尼龙连接套筒通过螺栓连接，所述尼龙连接套筒的上端有向外延伸的沿，尼 龙连接套筒的底端密闭，二号金属杆的另一端通过尼龙连接套筒穿过尼龙连接套筒的底端。

利用上述预脉冲隔离电感的毛细管放电软X射线激光装置，该装置包括主脉冲电源、 放电室、毛细管、真空室、真空系统、探测器和预脉冲电源；主脉冲电源信号输出端同时 连接毛细管的一端和预脉冲电源的输出端，毛细管置于放电室内，放电室为筒形密闭空间， 毛细管固定于放电室筒形的轴线上，且毛细管与真空室连通，真空系统用于对真空室进行 抽真空；

预脉冲隔离电感串联在毛细管与预脉冲电源之间。

本发明利用电感器元件对较快变化的电流上升沿具有较高的阻碍作用，在预脉冲输出 线路中增加了一种预脉冲隔离电感，可以有效阻止主脉冲电压在预脉冲电流线路中产生不 必要的高幅值电流脉冲，同时为了快速释放激光脉冲产生后水电容中的剩余电能，在预脉 冲电感中增加了环形气体开关，达到保护预脉冲电源的目的。

附图说明

图1为现有毛细管放电软X射线激光装置的示意图；

图中A为主脉冲电源、B为放电室、C为毛细管、D为真空室、E为真空系统、F为探 测器；

图2为本发明所述预脉冲隔离电感的结构示意图；

图3为本发明所述毛细管放电软X射线激光装置的结构示意图；

图4为安装主脉冲隔离电感前后毛细管放电软X射线激光装置的主脉冲电流波形图；

图中实线为安装主脉冲隔离电感前的主脉冲电流波形；

图中虚线为安装主脉冲隔离电感后的主脉冲电流波形。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2说明本实施方式，本实施方式所述预脉冲隔离电感，该电 感包括线绕电感1、尼龙绝缘套筒2、连接套筒3、不锈钢法兰4、一号金属杆5、环形气 体放电开关6、尼龙连接套筒7、二号金属杆8和尼龙棒；

线绕电感1缠绕在尼龙棒上，尼龙绝缘套筒2套在线绕电感1的外侧，连接套筒3套 在尼龙绝缘套筒2的外侧，连接套筒3的高度小于尼龙绝缘套筒2的高度，且连接套筒3 的上下端都有向外延伸的沿，且所述向外延伸的沿上均匀设置有圆形通孔，连接套筒3的 下端同轴安装有不锈钢法兰4，连接套筒3上的通孔与不锈钢法兰4上的通孔相对应，尼 龙绝缘套筒2的底端卡在不锈钢法兰4内的台肩上，一号金属杆5的一端连接线绕电感1 的一端，环形气体放电开关6串联在一号金属杆5和二号金属杆8之间，且环形气体放电 开关6和二号金属杆8位于不锈钢法兰4内，锈钢法兰4的下端与尼龙连接套筒7通过螺 栓连接，所述尼龙连接套筒7的上端有向外延伸的沿，尼龙连接套筒7的底端密闭，二号 金属杆8的另一端通过尼龙连接套筒7穿过尼龙连接套筒7的底端。

本发明的作用是利用电感对快上升沿的阻碍作用，降低主脉冲高压对预脉冲电源的干 扰，从而增加预脉冲电源的稳定性。使用单芯高压绝缘线制作了线绕电感。该隔离电感具 有约1微亨的电感值，对主脉冲电流的感抗值约为24Ω，对预脉冲电流的感抗值约为 0.79Ω，该电感对主脉冲电流的感抗值比预脉冲电流高2个数量级。

线绕电感带有高电压，外层连接套筒是地电位，为保证隔离电感的正常工作，需要对 隔离电感和套筒间进行高压绝缘设计。因此在线绕电感与连接套筒间设计了尼龙材质的高 压绝缘套筒。

本发明为了减少激光脉冲产生后，主脉冲电流长时间振荡产生的电磁干扰，从而保证 主脉冲电源控制系统能正常工作，在预脉冲电感的设计中增加了环形气体开关。该气体开 关，可以将通过线绕电感后的主脉冲电流，利用电弧放电的方式导入大地。该放电开关可 以更换不同直径的内侧放电电极，从而实现不同的电压绝缘强度，以便适应不同主脉冲电 压的放电实验条件。主脉冲电压一般为几百千伏，而预脉冲电压仅为二十千伏左右，因此 可以通过不同的放电开关间距，在对主脉冲电能进行释放的同时预脉冲电压不能使开关导 通。放电开关利用金属杆与预脉冲电源端相连，使预脉冲电压能够经过隔离电感。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的预脉冲隔离电感的进一步说 明，连接套筒3下端向外延伸的沿的下表面设置有圆环形凹槽，该凹槽位于圆形通孔的内 测，凹槽内安装有气体密封胶圈，气体密封胶圈用于对连接套筒3和不锈钢法兰4的连接 进行密封。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的预脉冲隔离电感的进一步说 明，不锈钢法兰4的下端设置有圆环形凹槽，该凹槽位于螺栓的内侧，凹槽内安装有气体 密封胶圈，该气体密封胶圈用于将不锈钢法兰4和尼龙连接套筒7的连接处密封。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的预脉冲隔离电感的进一步说 明，它还包括金属圆盘，该金属圆盘固定安装在二号金属杆8上，二号金属杆8穿过金属 圆盘的圆心，该金属圆盘的下表面与尼龙连接套筒7筒底的上表面贴合，且金属圆盘的下 表面设置有同心圆环形凹槽，圆环形凹槽内设置有气体密封胶圈，该气体密封胶圈用于对 二号金属杆8与尼龙连接套筒7的底端的连接进行密封。

具体实施方式五、结合图3说明本实施方式，本实施方式是利用具体实施方式一所述 的预脉冲隔离电感的毛细管放电软X射线激光装置，该装置包括主脉冲电源a、放电室b、 毛细管c、真空室d、真空系统e、探测器f和预脉冲电源g；主脉冲电源a信号输出端同 时连接毛细管c的一端和预脉冲电源g的输出端，毛细管c置于放电室b内，放电室b为 筒形密闭空间，毛细管c固定于放电室b筒形的轴线上，且毛细管c与真空室d连通，真 空系统e用于对真空室d进行抽真空；

预脉冲隔离电感h串联在毛细管c与预脉冲电源g之间。

图4中给出了安装主脉冲隔离电感前后的主脉冲电流波形。从图4中可以看出，在未 使用主脉冲隔离电感时，主脉冲电流呈RLC振荡放电波形，电流衰减较慢。使用隔离电感 主脉冲隔离电感后，可以看出在首个半周期主脉冲电流与原主脉冲电流几乎完全重合，这 说明安装新隔离电感不会对毛细管内的等离子体压缩过程产生影响。同时可以在400ns 之后的范围内看出，使用主脉冲隔离电感后的电流呈RC放电波形，电流幅值在1000ns 时几乎减小为零，同时振荡幅值和周期变小。这说明主脉冲隔离电感中新加入的环形气体 开关在400ns左右导通，并将储存在毛细管和水电容内的剩余电磁能直接通过地线释放， 减小了剩余能量对控制系统的干扰。实验结果表明，安装隔离电感主脉冲隔离电感后，主 脉冲发生器和预脉冲形成电路可以正常联合工作。使用新隔离电感后主脉冲电源控制电路 不易被放电时产生的电磁干扰破坏，系统稳定性增强。以上结果说明，我们在毛细管放电 装置的基础上，设计并制作了能有效隔离主脉冲电流的隔离电感，并完成了调试工作。