本發(fā)明屬于高功率脈沖傳輸領(lǐng)域，涉及一種三板脈沖傳輸線，用于實現(xiàn)數(shù)十路高功率脈沖大電流的徑向傳輸及空間匯聚，在Z箍縮等大型脈沖功率裝置中具有重要應(yīng)用。

背景技術(shù)：

超高功率脈沖技術(shù)是在實驗室獲得極端高溫、高壓、高能量密度和強輻射等極端物理實驗條件的重要手段，在材料特性實驗、Z箍縮慣性約束聚變和輻射效應(yīng)等前沿科學研究中具有重要應(yīng)用。高功率脈沖技術(shù)從時間尺度上對能量進行壓縮，在極短時間內(nèi)獲得超高峰值功率；另一方面，從空間尺度上對能量進行傳輸匯聚，在極小尺寸內(nèi)獲得超高功率密度。脈沖時間尺度壓縮通常采用儲能器件(如電容器、形成線)通過開關(guān)快速釋放能量方式獲得，一般需要幾級壓縮才能獲得百納秒量級的短脈沖，如美國Sandia國家實驗室的Z和ZR、中國工程物理研究院的“聚龍一號”PTS裝置等，采用Marx發(fā)生器、水介質(zhì)中儲電容、脈沖形成線三級壓縮。近年來快脈沖直線變壓器驅(qū)動源(LTD)可直接獲得百納秒的短脈沖。空間尺度方面，由于超高脈沖功率裝置儲能達數(shù)十至百MJ，初級儲能單元體積龐大，尺寸通常在數(shù)十米以上，如美國Sandia實驗室Stygar提出的用于Z箍縮聚變能源的驅(qū)動源Z－800，直徑約54m，而負載尺寸(如Z箍縮絲陣負載、MagLIF磁套筒)通常僅為厘米量級，因此，必須通過高功率脈沖傳輸線實現(xiàn)能量從脈沖功率驅(qū)動源向負載的傳輸和匯聚。目前最常用的超高功率脈沖傳輸線是水介質(zhì)傳輸線和真空磁絕緣傳輸線。

水介質(zhì)三平板傳輸線在脈沖功率裝置中具有重要應(yīng)用。相對于同軸傳輸線和雙平板傳輸線，三板傳輸線能夠獲得更低的特征阻抗，其空間利用效率更高，因而可提高能量傳輸密度。美國Sandia國家實驗室ZR裝置(26MA)和國內(nèi)中國工程物理研究院PTS裝置(8～10MA)均采用三平板水介質(zhì)傳輸線，將前級脈沖功率系統(tǒng)輸出脈沖傳輸至真空絕緣堆。在Sandia擬建造的下一代Z箍縮聚變能源驅(qū)動器Z-800中，也計劃采用整體徑向三板傳輸線實現(xiàn)90路LTD系統(tǒng)輸出脈沖的傳輸和匯聚。

圖1為現(xiàn)有的三平板傳輸線示意圖?，F(xiàn)有三板傳輸線工作電壓(數(shù)MV以上)和阻抗較高(ZR和PTS裝置三板線阻抗分別為4.32Ω和4Ω)。在材料動力學等熵壓縮實驗中，對驅(qū)動器負載電壓的要求降低至數(shù)百千伏，電流仍為數(shù)十兆安，這需要特征阻抗更低的傳輸線來實現(xiàn)脈沖的傳輸和匯聚。因此，需要對三板線的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，尋求阻抗小于1Ω的三板傳輸線結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了進一步降低目前三板傳輸線的特征阻抗，本發(fā)明提出一種工字型水介質(zhì)高功率三板傳輸線，

相比于傳統(tǒng)的三板傳輸線(三平板傳輸線和整體徑向傳輸線)，本發(fā)明提出的工字型三板線可以進一步降低傳輸線特征阻抗，可實現(xiàn)多路脈沖電流的匯聚和傳輸，在下一代電流數(shù)十MA的Z箍縮和等熵壓縮驅(qū)動器中具有潛在應(yīng)用價值。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

本發(fā)明所提供的傳輸匯聚脈沖電流的徑向三板傳輸線，其特殊之處在于：包括內(nèi)電極、外電極及多個電纜插接孔。

定義徑向三板傳輸線垂直于功率傳輸方向的截面為橫截面，所述外電極與內(nèi)電極的橫截面均為工字型，且外電極開設(shè)有與內(nèi)電極形狀及尺寸相匹配的工字型空腔，所述內(nèi)電極嵌套于外電極中且與外電極之間具有間隙；內(nèi)、外電極間隙填充去離子水作為絕緣介質(zhì)。

所述外電極的兩側(cè)為由工字型結(jié)構(gòu)所形成的凹槽；所述多個電纜插接孔設(shè)置在外電極兩側(cè)的凹槽處。

上述內(nèi)電極與外電極的橫截面尺寸沿功率傳輸方向逐漸減小，實現(xiàn)大尺寸脈沖功率系統(tǒng)向中心負載區(qū)域(小尺寸)的功率傳輸和匯聚，獲得空間尺度上功率壓縮。

上述多個電纜插接孔對稱設(shè)置在外電極兩側(cè)的凹槽處，實現(xiàn)工字型傳輸線功率密度的均勻分布，改善傳輸線的輸出脈沖參數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點是：

1、低阻抗：本發(fā)明三板傳輸線的橫截面呈“工”字型，本質(zhì)上為三個常用的三平板傳輸線的并聯(lián)，因此其特征阻抗降低1/3。

2、在工字型三板傳輸線兩側(cè)的凹槽處設(shè)置有數(shù)十個電纜插接孔，可以通過高壓電纜連接多個前級放電單元，實現(xiàn)多個前級放電單元輸出脈沖電流的疊加和匯聚。

3、調(diào)節(jié)靈活：能夠根據(jù)負載的實際需要，對工字型傳輸線的輸出電流波形進行靈活調(diào)節(jié)。改變工字型傳輸線饋入高壓電纜的數(shù)目，以調(diào)節(jié)輸出電流幅值；調(diào)整各電纜的脈沖饋入時間，可以調(diào)整輸出電流上升時間。

4、使用方便：多個工字型傳輸線并聯(lián)使用，圓周均勻布置，可進一步提高負載的輸出電流幅值；多個工字型傳輸線串聯(lián)使用，可提高負載電壓。

5、尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊：本發(fā)明提出了一種工字型三板傳輸線，它的工作電壓200～400kV，特征阻抗小于1Ω，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，在下一代電流數(shù)十MA的Z箍縮和等熵壓縮脈沖功率驅(qū)動器中具有潛在應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有三板傳輸線橫截面示意圖；

圖2工字型三板傳輸線俯視圖；

圖3工字型三板傳輸線橫截面剖視圖；

圖4工字型三板傳輸線結(jié)構(gòu)；

圖5前級放電單元和高壓同軸電纜等效電路；

圖6前級單支路放電電流波形(末端匹配負載)；

圖7為兩個工字型傳輸線串聯(lián)輸出特性(@0.4Ω電阻負載)，其中a為負載電壓和電流波形，b為負載功率波形。

其中附圖標記為：21-內(nèi)電極；22-外電極，23-電纜插接孔。

具體實施方式

本發(fā)明的核心思想是：(1)三板傳輸線的橫截面呈“工”字型，本質(zhì)上為三個目前常用三板傳輸線的并聯(lián)，因此其特征阻抗降低1/3。(2)在工字型三板傳輸線的兩側(cè)的凹槽處對稱設(shè)置數(shù)十個電纜插接孔，可通過電纜連接前級放電單元，實現(xiàn)多路脈沖電流匯聚。(3)沿電脈沖傳輸方向，傳輸線橫截面尺寸逐漸減小，實現(xiàn)大尺寸初級脈沖功率系統(tǒng)向小尺寸負載的脈沖傳輸和匯聚，即能量和功率空間尺度的壓縮。(4)多個工字型三板傳輸線串聯(lián)使用，可提高輸出電壓。(5)多個工字型傳輸線并聯(lián)使用，可提高輸出電流。

本實施例中工字型傳輸線如圖2-4所示。傳輸線內(nèi)外電極間距d＝2cm，內(nèi)平板電極面積為1.21×105cm²。沿脈沖傳輸方向，傳輸線截面尺寸逐漸減小。內(nèi)電極寬度從首段由w_i＝574mm逐漸縮小至出口處w_o＝84mm。三平板傳輸線阻抗計算公式

$Z=\frac{1}{2}\·\frac{377}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\·\frac{d}{d+w}---\left(1\right)$

式中，ε_r－傳輸線介質(zhì)的相對介電常數(shù)；d－正負電極間距；w－電極寬度。

由式(1)計算三平板線入端阻抗0.71Ω，出口阻抗增大至4.03Ω。本發(fā)明中工字型三板傳輸線實際上是三個三平板傳輸線的并聯(lián)，其特征阻抗約為上公式計算結(jié)果的1/3，即由0.237Ω增大至1.343Ω。

在工字型傳輸線左右兩側(cè)的凹槽內(nèi)各設(shè)置18個電纜接插孔，通過高壓電纜連接前級快放電單元。前級快放電單元采用2級正負充電Marx電路，采用4只容量80nF、標稱電壓100kV的塑殼電容器和2只低電感氣體開關(guān)串聯(lián)，該放電單元等效電感480nH、建立電容20nF、等效串聯(lián)電阻0.6Ω，單支路標稱儲能1.6kJ。前級放電單元的優(yōu)化輸出阻抗(匹配阻抗)Z_optimum

$Z_{optimum}=1.10\sqrt{L_s/C_s}+0.80R_s\≈5.9\mathrm{\Ω}---\left(2\right)$

采用水介質(zhì)同軸高壓電纜(特征阻抗等于Z_optimum、電脈沖長度600ns)將前級放電單元的輸出脈沖饋入工字型三板傳輸線。初級放電單元與同軸水介質(zhì)高壓電纜等效電路如圖5所示。當同軸水介質(zhì)饋電電纜末端阻抗匹配時，單個放電支路輸出脈沖如圖6所示。

饋入工字型傳輸線的脈沖電壓幅值約220kV，有效作用時間τ_eff(峰值電壓63％)約0.215μs，根據(jù)水介質(zhì)擊穿場強估算公式

$E_p=108{\mathrm{\τ}}_{eff}^{-0.33}---\left(3\right)$

由上式估算水介質(zhì)擊穿場強E_p＝179kV/cm，實施例中間隙d＝2cm，間隙平均電場110kV/cm，絕緣安全系數(shù)約61％，因此實施例中工字型傳輸線的設(shè)計是合理可行的。

每個工字型傳輸線通過水介質(zhì)高壓電纜接入36路圖6所示的高壓脈沖。兩個工字型傳輸線上下布置，串聯(lián)使用。其中，上面的工字型三板線饋入36路正極性脈沖，下面工字型三板線饋入36路負極性脈沖。末端連接0.4Ω電阻負載(略大于匹配負載5.9÷36×2＝0.33Ω)。經(jīng)三維電磁模擬，負載電壓、電流和功率如圖7所示，負載電流上升時間100ns，幅值近700kA，負載電壓300kV，功率200GW。