同軸螺旋重入脈沖形成線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種同軸的螺旋重入脈沖形成線。
【背景技術(shù)】
[0002]一種帶有重入結(jié)構(gòu)的脈沖形成線(專利申請?zhí)?201510473606.1)采用3個同軸導體圓筒，構(gòu)成外線和內(nèi)線兩個脈沖形成線，外線和內(nèi)線的電長度(即電磁波傳輸?shù)臅r間)相等，波阻抗相等，內(nèi)線為外線的重入結(jié)構(gòu)，外線用于儲能，內(nèi)線不儲能，放電過程中形成線的初始能量在經(jīng)過兩個波動周期后完全釋放(其中一個波動周期為傳統(tǒng)單同軸線或Blumlein線形成的脈沖寬度)，從而實現(xiàn)兩倍的脈寬輸出。
[0003]同軸兩級重入脈沖形成線(專利申請?zhí)?201510262236.7)采用4個同軸導體圓筒，構(gòu)成外線、中線和內(nèi)線三個脈沖形成線，外線、中線和內(nèi)線的電長度相等，波阻抗比值為3:2:6，中線和內(nèi)線為外線的兩級重入線，外線用于儲能，中線和內(nèi)線不儲能，放電過程中形成線的初始能量在經(jīng)過三個波動周期后完全釋放，從而實現(xiàn)三倍的脈寬輸出。
[0004]以同軸兩級重入脈沖形成線為代表的同軸多級重入脈沖形成線通過增加同軸導體圓筒的數(shù)目，即重入結(jié)構(gòu)的級數(shù)，從而實現(xiàn)多倍的脈寬輸出，同時要求各級重入線的電長度與外線相等。該結(jié)構(gòu)存在的不足為:重入線與外線等電長度的補償設計以及同軸導體圓筒數(shù)量多等因素導致整體結(jié)構(gòu)復雜，重入結(jié)構(gòu)越多工程實現(xiàn)越困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服同軸重入脈沖形成線通過增加重入結(jié)構(gòu)級數(shù)實現(xiàn)多倍脈寬輸出導致的結(jié)構(gòu)復雜、實現(xiàn)困難等問題。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的思路是:采用螺旋脈沖形成線替代同軸線類型的重入結(jié)構(gòu)，螺旋線可用于脈沖延遲傳輸，同軸脈沖形成線采用多段螺旋線類型的重入結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生多倍脈寬輸出，而不需增加重入結(jié)構(gòu)級數(shù)，且各螺旋區(qū)段與外線等電長度的要求較易滿足。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所形成的技術(shù)方案是:
[0008]本發(fā)明所提供的同軸螺旋重入脈沖形成線，包括依次連接的重入形成線段1、主開關(guān)段2和負載段3共三個部分；
[0009]所述重入形成線段1包括三個同軸嵌套的導體筒及絕緣介質(zhì)，三個導體筒由外至內(nèi)分別為形成線外筒、中筒和內(nèi)筒10，每相鄰兩個導體筒之間填充絕緣介質(zhì)，形成線外筒、中筒、內(nèi)筒靠近主開關(guān)段的一端為前端，另一端為后端；
[0010]所述主開關(guān)段包括開關(guān)外筒、開關(guān)陽極及開關(guān)陰極，所述開關(guān)陽極及開關(guān)陰極相對設置，其特殊之處在于:
[0011]所述形成線外筒兩端為法蘭，后端法蘭與后端蓋電連接，前端法蘭與開關(guān)外筒電連接，
[0012]所述中筒包括筒體及底部，筒體的前端開路，筒體的后端與底部電連接；筒體的外壁為圓柱面，筒體的內(nèi)壁面從前端至后端依次由η-l個直徑減小的圓柱面連接而成，η為大于等于2的自然數(shù)，
[0013]所述內(nèi)筒由導線螺旋密繞而成，且口徑相同；內(nèi)筒的后端與中筒的底部電連接，內(nèi)筒的前端與開關(guān)陰極電連接；
[0014]所述形成線外筒、中筒及兩筒之間的絕緣介質(zhì)構(gòu)成外線；所述中筒、內(nèi)筒及兩筒之間的絕緣介質(zhì)構(gòu)成了由η-l個螺旋線區(qū)段的非均勻螺旋重入線，各螺旋線區(qū)段的延遲電長度與外線的延遲電長度相等，從主開關(guān)側(cè)開始的各螺旋區(qū)段的波阻抗與外線波阻抗的比值依次為 η(η-1)/η、(η_1) (η_2)/η、…、3.2/η 和 2.1/η。
[0015]上述內(nèi)筒由導線多起端螺旋密繞，相鄰導線絕緣，繞線螺距均勻。
[0016]上述的負載段3，其匹配阻值為重入形成線段1的外線和靠近陰極7的螺旋區(qū)段的阻抗之和。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是:
[0018]1、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)倍的脈寬輸出，匹配輸出阻抗為外線波阻抗的數(shù)倍，用于高電壓長脈沖的產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。
[0019]2、本發(fā)明螺旋內(nèi)筒采用多起端螺旋線密繞，具有波形畸變小、絕緣好的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明同軸螺旋重入脈沖形成線結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2是本發(fā)明的一個應用實例。
[0022]圖3是3倍脈寬輸出的螺旋重入脈沖形成線的輸出電壓仿真波形。
[0023]圖中，1重入形成線段，2主開關(guān)段，3負載段，4負載外筒，5負載電阻，6陽極，7陰極，8開關(guān)外筒，9右界面，10螺旋內(nèi)筒，11中筒，12形成線外筒，13后端蓋，14內(nèi)磁芯，15外磁芯，16螺旋1區(qū)，17螺旋2區(qū)。
【具體實施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細說明。
[0025]同軸螺旋重入脈沖形成線結(jié)構(gòu)包括重入形成線段1、主開關(guān)段2和負載段3三個部分。重入形成線段1由形成線外筒12、中筒11、螺旋內(nèi)筒10、后端蓋13和絕緣填充介質(zhì)組成。螺旋內(nèi)筒10 口徑均勻，采用細線徑導線多起端螺旋密繞，相鄰導線絕緣，繞線螺距均勻。中筒11的外表面為平直圓筒，內(nèi)表面為口徑不同的階梯圓筒。形成線外筒12、中筒
11、螺旋內(nèi)筒10這3個導體筒長度大體相等、直徑逐漸減小，且為套在一起的一體化同軸結(jié)構(gòu)。形成線外筒12的一端通過法蘭與后端蓋13電接觸連接，另一端通過法蘭與開關(guān)外筒8電接觸連接。中筒11內(nèi)表面口徑大的一端開路(不連接)，另一端與螺旋內(nèi)筒10電接觸連接。螺旋內(nèi)筒10的另一端與陰極7電接觸連接。絕緣介質(zhì)填充在3個導體圓筒的相鄰圓筒之間以及端部。形成線外筒12、中筒11和前兩者之間的填充絕緣介質(zhì)構(gòu)成外線。中筒11和螺旋內(nèi)筒10和前兩者之間的填充絕緣介質(zhì)構(gòu)成非均勻螺旋重入線。η倍脈寬(1倍脈寬為外線電長度的2倍)輸出的非均勻螺旋重入線由(η-l)個螺旋線區(qū)段組成，各螺旋線區(qū)段的延遲電長度與外線的電長度相等，從開關(guān)側(cè)開始的各螺旋區(qū)段的波阻抗與外線波阻抗的比值依次為 η(η-1)/η、(η-1) (η_2)/η、…、3.2/η 和 2.1/η。
[0026]主開關(guān)段2由開關(guān)外筒8、陰極7、陽極6和填充的開關(guān)氣體介質(zhì)組成。開關(guān)外筒8的一端通過法蘭與形成線外筒12電接觸連接，另一端通過法蘭與負載外筒4電接觸連接。陰極7和陽極6組成主開關(guān)的兩個電極，其間隙距離由主開關(guān)的具體工作條件(間隙電壓、開關(guān)氣體、場增強等)確定，陰極7的另一端與螺旋內(nèi)筒10電接觸連接，陽極6的另一端與負載電阻5電接觸連接。
[0027]負載段3由負載外筒4、負載電阻5和填充的絕緣介質(zhì)組成。負載外筒4的一端通過法蘭與開關(guān)外筒8電接觸連接，另一端與負載電阻5電接觸連接。負載電阻5的另一端與陽極6電接觸連接。負載的匹配阻抗(即負載輸出功率最大時)為重入形成線段1的外線和靠近陰極7的螺旋區(qū)段的阻抗之和。絕緣介質(zhì)填充在負載外筒4和負載電阻5之間。
[0028]形成線外筒12接地，在慢充電過程中筒11和螺旋內(nèi)筒10充上幅值相等的高電壓，外線儲能，非均勻螺旋線不儲能，通過主開關(guān)閉合對負載放電。匹配負載的輸出電壓幅值為形成線充電電壓的一半，如果非均勻螺旋重入線由(η-l)個螺旋線區(qū)段組成，則輸出脈寬為外線電長度的2η倍，而傳統(tǒng)的單同軸形成線輸出脈寬為形成線電長度的2倍，即此結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生η倍的輸出脈寬。
[0029]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點是:本發(fā)明的重入形成線段1為一體化同軸結(jié)構(gòu)，包含了 3個套在一起的導體筒:外筒、內(nèi)表面階梯狀的中筒和螺旋內(nèi)筒，構(gòu)成了兩個脈沖形成線(外線和非均勻螺旋重入線)，其中非均勻螺旋重入線又包含多個螺旋線區(qū)段。
[0030]以下實施例參照圖2。
[0031]實施例設計與變壓器一體化的同軸螺旋重入脈沖形成線，變壓器的作用是把前級能量轉(zhuǎn)換到形成線上。在形成線外筒12和中筒11上分別設置開路外磁芯15和內(nèi)磁芯14，非均勻螺旋重入線包含兩個螺旋區(qū)段，該重入脈沖形成線實現(xiàn)一般形成線3倍的脈寬輸出。
[0032]實施例的設計參數(shù)為:形成線外筒內(nèi)徑取160mm，形成線長度取375mm，采用絕緣介質(zhì)Midel 7131，相對介電常數(shù)3.84，充電過程中筒外表面場強設計值取130kV/cm。內(nèi)磁芯徑向厚度7.5mm (包含支撐基筒)，即中筒最薄處的徑向厚度7.5mm。
[0033]外線采用最大儲能設計，外線阻抗為15.3Ω，中筒充電電壓為315kV。輸出脈寬14.7ns，匹配輸出阻抗46 Ω，脈沖形成過程考慮主開關(guān)等各種損耗20 %，匹配輸出電壓142kV，功率 433MW。
[0034]具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為:中筒外徑97mm，螺旋1區(qū)16和2區(qū)17對應的中筒內(nèi)表面口徑不相等，螺旋1區(qū)外徑82.0mm，螺旋2區(qū)外徑60.0mm，螺旋內(nèi)筒10直徑52.6mm、螺距66.7mm，外線、螺旋1區(qū)和2區(qū)的電長度相等，幾何長度比值1:0.444:0.396。放電過程螺旋1區(qū)和2區(qū)螺旋內(nèi)筒表面最大場強分別為90、152kV/cm，持續(xù)時間4.9ns。
[0035]采用有限元電磁場數(shù)值模擬軟件仿真本實施例3倍脈寬輸出的螺旋重入脈沖形成線，螺旋內(nèi)筒10采用24起端，螺旋繞線的線徑0.9mm，圖3給出了匹配輸出電壓仿真波形，輸出脈沖前沿1.5ns，平頂在脈寬的1/3、2/3時刻出現(xiàn)兩個小振蕩，最大振蕩幅度
2.
[0036]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明脈沖形成的波過程作進一步描述:
[0037]假設中筒11的充電電壓U。，形成線電長度為τ (其中τ = i ε/2/c，丨為形成線的軸向長度，c為真空中的光速，\為絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù))。開關(guān)閉合后電磁波在傳輸線上傳輸時，遇到阻抗不連續(xù)的界面時將發(fā)生波的反射和透射行為。假定中筒11的開路端所在的橫截面為右界面9。假定非均勻螺旋重入線有(η-l)個區(qū)段，則螺旋i區(qū)(i =1,2，..., η-2)波阻抗(n-1+1) (n_i)Z/n。
[0038]波在不連續(xù)界面的幾個具體的波傳輸行為包括:
[0039]1)開關(guān)閉合行為。t = 0時刻開關(guān)閉合，產(chǎn)生的幅值為U0/2的透射電壓波傳輸?shù)狡ヅ湄撦d上；產(chǎn)生的開關(guān)反射波(右界面9位置)一部分向外線傳輸，一部分向螺旋線1區(qū)傳輸，幅值分別為(1/n) (_U0/2)和[