同轴螺旋重入多倍压形成线制造技术

本发明专利技术属于脉冲功率技术领域，涉及一种同轴结构的螺旋重入多倍压形成线，其目的是解决脉冲变压器充电能力制约脉冲功率装置产生更高电压的问题。本发明专利技术包括形成线的外线、螺旋重入内线和主开关共3个部分组成，其中螺旋重入线包含螺距不同的多个螺旋线区段。本发明专利技术的有益效果是：(1)同轴脉冲形成线采用螺旋重入结构实现多倍电压输出，结构简单，容易实现；(2)本发明专利技术将突破脉冲变压器的有限充电能力，推动脉冲功率装置往更高电压的方向发展；(3)本发明专利技术突破内置变压器充电能力的基础上，结合内线采用高储能密度的固体介质替代低储能的变压器油介质，可推动内置变压器型的脉冲功率技术的小型化发展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于脉冲功率
，涉及一种同轴的螺旋重入多倍压形成线。
技术介绍
俄罗斯的Sinus系列高电压脉冲发生器采用带开路磁芯的高耦合变压器与同轴形成线一体化的紧凑技术。内置变压器的充电幅值主要取决于形成线的绝缘能力，即形成线的径向尺寸决定了内置变压器的充电能力。把变压器置于形成线内部并一体化，大大提高了充电能力，Sinus发生器的变压器充电幅值达到MV量级。毕竟高压脉冲变压器的输出能力有限，大型磁芯、线圈的工艺难度大，磁芯的磁性能和线圈的绝缘性能下降，系统运行的稳定性和可靠性受到影响。无论是脉冲变压器外置型的脉冲功率源，还是变压器内置型的紧凑脉冲源，往更高电压的方向发展，都需要新的技术路径来突破变压器充电能力的限制。图1所示的阶梯状形成线能可以实现多倍电压输出(Smith.I.D.，1982)，从而减轻充电压力。达林顿线路的阶梯状形成线只需一个主开关，负载通过串接的补充线段连接到阶梯形成线上就能够实现多倍电压输出，但是形成线尺寸过长，实用性差，需要加以改进。
技术实现思路
为克服脉冲变压器充电能力制约脉冲功率装置产生更高电压的问题，本专利技术提供一种同轴螺旋重入多倍压形成线及产生多倍电压的方法。本专利技术解决其技术问题所形成的技术方案是：本专利技术所提供的同轴螺旋重入多倍压形成线，包括主开关、外线、内线及负载RL，其特殊之处在于：所述内线包括同轴设置的中筒和嵌套在中筒内的螺旋内筒，所述中筒和螺旋内筒之间具有绝缘介质；所述螺旋内筒由多个起端并联的导线螺旋绕制，口径相同，从前端至后端依次由N个螺距和长度都减小的螺旋区段连接而成，N为大于等于1的自然数；所述中筒、螺旋内筒及两筒之间的绝缘介质构成了由N个螺旋线区段组成的非均匀螺旋重入内线，各螺旋线区段的延迟电长度与外线的延迟电长度相等，从前端开始的各螺旋区段的慢波系数依次为：(1×2)N/(N+1)、(2×3)N/(N+1)、···、N2，各螺旋区段长度与外线长度的比值依次为：(N+1)/[(1×2)N]、(N+1)/[(2×3)N]、···、1/N2；所述中筒的一端具有底部，另一端为敞口，敞口端开路，所述主开关位于中筒内，所述主开关的阴极与中筒的底部连接，所述主开关的阳极与螺旋内筒的前端连接，所述螺旋内筒的后端与负载连接。上述外线包括与中筒同轴设置且位于中筒外侧的金属外筒，所述金属外筒接地，靠近负载的一端与负载连接；所述金属外筒、中筒之间设置有绝缘介质，所述金属外筒、中筒及两筒之间的绝缘介质构成了外线。上述的负载RL，其阻值为外线和靠近负载的螺旋区段的阻抗之和时，输出功率最大，对应的负载电压为充电电压的(N+1)/2倍。本专利技术与现有技术相比，有益效果是：1、本专利技术的脉冲形成线结构简单，容易实现。2、本专利技术的脉冲形成线通过将用非均匀螺旋重入内线替代阶梯状内线，在实现了多倍电压输出的同时，降低了形成线的尺寸，实用性好，有助于突破脉冲变压器的有限充电能力，推动脉冲功率装置往更高电压的方向发展。3、本专利技术突破内置变压器充电能力的基础上，结合内线采用高储能密度的固体介质替代低储能的变压器油介质，可推动内置变压器型的脉冲功率技术的小型化发展。4、采用本专利技术的脉冲形成线，在脉冲功率装置电压需求一定的情况下，能够减小变压器的充电电压，从而使得形成线内置高耦合变压器的磁芯长度缩短，降低磁芯工艺难度，对于超宽谱脉冲产生应用，可以缩短形成线长度从而提高系统效率。附图说明图1为阶梯状形成线原理图。图2是本专利技术同轴螺旋重入多倍压形成线结构图。图3是本专利技术的一个小型化应用实例。图中，1外筒，2中筒，3螺旋内筒，4开关阴极，5开关阳极，6负载RL，7外磁芯，8初级线圈，9次级线圈，10内磁芯，τ表示形成线的电长度，ρ1……ρN表示阶梯形成线各段的波阻抗，Z0为补充线段的波阻抗。K1……KN表示螺旋线各区段的慢波系数，L1……LN表示螺旋线各区段的长度，ρ0为把螺旋内筒当成直导体圆筒时，其与中筒构成的形成线阻抗。具体实施方式本专利技术解决其技术问题所采用的思路是：基于Smith阶梯状形成线的多倍压原理，采用绝缘能力更好的同轴形成线形式；采用非均匀螺旋线替代多段阶梯状形成线缩短长度，推动阶梯状多倍压形成线理论的实用化；变压器与形成线一体化可实现很高的充电电压，该形成线再内置螺旋型的多倍压形成线，可以实现更高的电压输出，且结构紧凑。以下结合附图对本专利技术的优选方式做详细说明。同轴螺旋重入多倍压形成线结构包括形成线、主开关和负载共三个部分。形成线由外筒1、中筒2、螺旋内筒3和绝缘填充介质组成。螺旋内筒3口径均匀，由多个起端并联的导线螺旋绕制，相邻导线绝缘，螺旋绕线从前端至后端依次由N段螺距和长度都减小的非均匀区段连接而成，N为大于等于1的自然数。外筒1、中筒2和螺旋内筒3这3个导体筒长度大体相等、直径逐渐减小，且为套在一起的一体化同轴结构。外筒1的前端开路(不与中筒2、螺旋内筒3、开关阴极4、开关阳极5等导电部件电连接)，后端与负载RL一起接地。中筒2前端与开关阴极4电接触连接，后端开路(不连接)。螺旋内筒3的前端与开关阳极5电连接，后端与负载RL电接触连接。绝缘介质填充在3个导体圆筒的相邻圆筒之间。外筒1、中筒2和前两者之间的填充绝缘介质构成外线。中筒2和螺旋内筒3和前两者之间的填充绝缘介质构成由N个螺旋线区段的非均匀螺旋重入内线，各螺旋线区段的延迟电长度与外线的延迟电长度相等，从前端开始的各螺旋区段的慢波系数依次为：(1×2)N/(N+1)、(2×3)N/(N+1)、···、N2，各螺旋区段长度与外线长度的比值依次为：(N+1)/[(1×2)N]、(N+1)/[(2×3)N]、···、1/N2。主开关由开关阴极4、开关阳极5和填充的开关气体介质组成。开关阴极4和开关阳极5组成主开关的一对电极，其间隙距离由主开关的具体工作条件(间隙电压、开关气体、场增强等)确定，开关阴极4的另一端与中筒2前端电接触连接，开关阳极5的另一端与螺旋内筒3的前端电接触连接。负载RL的一端接地，另一端连接螺旋内筒3的后端。负载输出功率最大时，负载阻抗为形成线的外线和靠近后端的螺旋区段N的阻抗之和。脉冲形成原理：在慢充电过程中筒2充上高电压U0，外筒1和螺旋内筒3为相等的地电位，外线和螺旋重入内线均储能。主开关闭合后，沿着非均匀螺旋重入内线传输一个电压幅度不断增大的脉冲，第i段时，幅值为-iU0/2，其中i＝1、2、…、N；最终在负载上的输出脉宽为外线电长度的2倍，输出功率最大时，对应的负载电压(N+1)U0/2。本专利技术的结构特点是：本专利技术的形成线为一体化同轴结构，包含了3个套在一起的导体筒：外筒、中筒和非均匀的螺旋内筒，构成了两个脉冲形成线(外线和非均匀螺旋重入内线)，其中非均匀螺旋重入内线又包含多个螺旋线区段。以下实施例1参照图2。本实施例中，形成线的外线和螺旋重入内线均采用相同的绝缘介质，变压器油，充电脉冲变压器可以内置形成线，也可以外置。多倍压形成线能量效率的完全输出，要求外线的阻抗与螺旋重入内线的阻抗满足一定的关系：Z0＝Nρ0，ρ0为重入螺旋内线的等效同轴线阻抗，εr为介质相对介电常数，r1为螺旋内筒半径，r2为形成线中筒半径。为满足该关系，N越大，形成线的外线场强越小。而形成线的本文档来自技高网...

【技术保护点】
同轴螺旋重入多倍压形成线，包括主开关、外线、内线及负载RL，其特征在于：所述内线包括同轴设置的中筒和嵌套在中筒内的螺旋内筒，所述中筒和螺旋内筒之间具有绝缘介质；所述螺旋内筒由多个起端并联的导线螺旋绕制，口径相同，从前端至后端依次由N个螺距和长度都减小的螺旋区段连接而成，N为大于等于1的自然数；所述中筒、螺旋内筒及两筒之间的绝缘介质构成了由N个螺旋线区段组成的非均匀螺旋重入内线，各螺旋线区段的延迟电长度与外线的延迟电长度相等，从前端开始的各螺旋区段的慢波系数依次为：(1×2)N/(N+1)、(2×3)N/(N+1)、···、N2，各螺旋区段长度与外线长度的比值依次为：(N+1)/[(1×2)N]、(N+1)/[(2×3)N]、···、1/N2；所述中筒的一端具有底部，另一端为敞口，敞口端开路；所述主开关位于中筒内，所述主开关的阴极与中筒的底部连接，所述主开关的阳极与螺旋内筒的前端连接，所述螺旋内筒的后端与负载连接。

【技术特征摘要】
1.同轴螺旋重入多倍压形成线，包括主开关、外线、内线及负载RL，其特征在于：所述内线包括同轴设置的中筒和嵌套在中筒内的螺旋内筒，所述中筒和螺旋内筒之间具有绝缘介质；所述螺旋内筒由多个起端并联的导线螺旋绕制，口径相同，从前端至后端依次由N个螺距和长度都减小的螺旋区段连接而成，N为大于等于1的自然数；所述中筒、螺旋内筒及两筒之间的绝缘介质构成了由N个螺旋线区段组成的非均匀螺旋重入内线，各螺旋线区段的延迟电长度与外线的延迟电长度相等，从前端开始的各螺旋区段的慢波系数依次为：(1×2)N/(N+1)、(2×3)N/(N+1)、···、N2，各螺旋区段长度与外线长度的比值依次为：(N+1)/[(1×2)N]、(N+1)/[(2×...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘亚峰，张喜波，刘胜，王刚，王俊杰，王利民，孙旭，樊旭亮，李鹏辉，范红艳，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61