一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，目的是解决现有脉冲形成线输出电脉冲宽度较小、体积重量较大及击穿不可恢复等问题。本发明专利技术由高储能密度液体介质、金属带、固定板和绝缘封装构成；金属带位于固定板的卡槽中，固定板位于绝缘封装中，高储能密度液体介质灌注于绝缘封装内部，包围所有金属带，并充斥整个绝缘封装的内部区域；金属带由三条卷绕成涡旋状的金属带组成，固定板的卡槽形状为涡旋线。本发明专利技术能够在保证优良电磁屏蔽的情况下，在较小的几何空间内获得较长的导体长度，既提高储能密度，又有效提高输出准方波电脉冲的脉冲宽度，且装置易于搭建和维护，成本较低，适用于高电压脉冲发生器系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线
本专利技术涉及高功率脉冲驱动源
的脉冲形成线，尤其是一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线。
技术介绍
高功率脉冲驱动源是将能量以较低的功率储存起来，通过开关、脉冲调制等技术在很短的时间内把能量释放给负载，从而在负载上获得具有特定波形的高功率电脉冲。近些年来，在高性能脉冲驱动源装置的应用需求牵引下，准方波高功率电脉冲在高功率微波、高能量脉冲激光、介质阻挡放电、冲击波发生器、材料表面改性、工业废气废水处理、生物医学以及食品杀菌消毒等众多领域获得了广泛的关注和快速的发展，并取得了丰硕的研究成果。脉冲形成线是高功率脉冲驱动源在负载上获得准方波高功率电脉冲的核心组成部分，直接决定了驱动源的工作性能和应用前景。高功率脉冲驱动源
中的脉冲形成线可以等效为一台高性能脉冲电容器，脉冲形成线所储存的能量在很大程度上决定了驱动源的应用范围，是衡量脉冲形成线工作能力的核心参量之一。根据脉冲形成线储能公式(其中，E为脉冲形成线储存的能量，C为脉冲形成线等效电容值，V为脉冲形成线的工作电压)。脉冲形成线储存的能量正比于等效电容的电容值，而电容值正比于储能介质的相对介电常数εr，即脉冲形成线储存的能量E与储能介质的介电常数εr的平方成正比。考虑到绝缘设计和应用场合对器件体积、重量等方面的要求，提高储能介质的介电常数εr是增加电脉冲能量、拓宽驱动源应用领域的有效途径。脉冲形成线的电长度，即负载上获得的电脉冲半高宽(电脉冲峰值幅值的一半对应的脉冲宽度)是衡量高功率脉冲驱动源工作性能的另一核心参数，直接决定了驱动源的工作性能和应用范围。根据脉冲形成线电长度的表达式(其中，τ为脉冲形成线的电长度，l为脉冲形成线内的导体长度，c为真空中的光速)。可以看出，脉冲形成线的电长度一方面正比于储能介质的二分之一次方，另一方面正比于导体长度，即提高储能介质介电常数和增加形成线导体长度是提高驱动源负载电脉冲半高宽的重要方法。综合考虑应用场合对器件绝缘设计和体积、重量等方面的要求，提高储能介质的介电常数εr同样是增加脉冲形成线的电长度的有效途径。目前，广泛使用的脉冲形成线储能介质可以分为液体介质和固体介质两大类。固体介质用作脉冲形成线的储能介质时，不需要额外进行维护。然而，这类介质通常体积大、重量大且研制成本较高。更为重要的是，固体介质发生绝缘失效时，介质表面或内部会形成放电通道，使得介质损坏，必须进行更换。部分陶瓷材料的相对介电常数可以达到数百甚至数千量级，但这类材料的绝缘能力有限，且工艺水平及工作稳定性较差，尚需进一步发展；性能相对稳定的绝缘膜类材料，介电常数小于5，储能密度相对较低；相对而言，液体介质具有储能密度较高(数十量级)、自我恢复性能好、费用低廉和形状适应性好等优点，被广泛用作高功率脉冲驱动源中脉冲形成线的储能介质。刘锡三在《高功率脉冲技术》一书中介绍了高功率脉冲驱动源领域中脉冲形成线工作原理如图1所示。其中，1为高压导体(长度为l)，2为接地导体，Z0和τ为分别为脉冲形成线的本征阻抗和电长度，3为储能介质(介电常数为εr)，4为闭合开关，5为负载(阻抗为Zr)。书中第41-45页详细阐述了脉冲形成线的电长度τ正比于高压导体1的长度l和储能介质3的介电常数εr。高功率脉冲驱动源中的脉冲形成线可以在开关的配合下，产生准方波电脉冲，具有重要的应用价值。当脉冲形成线的本征阻抗Z0与负载5的阻抗Zr相等时，可以在负载5上获得电压幅值为脉冲形成线充电电压幅值一半、半高宽为脉冲形成线电长度两倍的准方波电脉冲。具有这种输出波形的高功率脉冲驱动源能够适应更为广泛的应用场合且能量效率更高，是未来该领域发展的重要方向。刘锡三在《高功率脉冲技术》一书中介绍了一种基于变压器油介质的直筒型脉冲形成线，以下简称技术方案一。该脉冲形成线的结构如图2所示，由金属外筒6，直筒内导体7，变压器油介质8，前端支撑板9，后端支撑板10，闭合开关11组成，前端指靠近闭合开关11的一端，后端指远离闭合开关11的一端。金属外筒6由一段金属圆管构成，外壁接地。金属外筒6与直筒内导体7共同构成脉冲形成线的等效电容，用于储存能量，同时还可以起到电磁屏蔽的作用。变压器油介质8的相对介电常数为2.3，可以同时起到绝缘和储能介质两方面作用。直筒内导体7由一段长度约为5000mm的圆柱体制成。前端支撑板9由高分子绝缘材料制成，在前端支撑板9几何中心处钻孔(孔径与直筒内导体7前端的凸台12相匹配)，将凸台12插入孔中对脉冲形成线的直筒内导体7起支撑作用。后端支撑板10同样由高分子绝缘材料制成，在后端支撑板10几何中心处钻孔(孔径与直筒内导体7后端的凸台13相匹配)，与直筒内导体7后端的凸台13共同对脉冲形成线的直筒内导体7起支撑作用。该脉冲形成网络配合闭合开关6使用时，可以在负载上实现脉冲宽度约为50ns的准方波脉冲输出，但其体积、重量较大，且产生准方波电脉冲的脉冲宽度较小，很难适应更为广泛的应用需求。刘振祥、张建德在学术论文《螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计与改进》【强激光与粒子束,2006,Vol.18,No.12,pp:2078-2081】报道了一种基于去离子水介质且具有螺旋形内筒结构的脉冲形成线，以下简称技术方案二。该脉冲形成线的结构如图3所示，由金属外筒6，去离子水工作介质14，螺旋形内导体15，前端支撑板9，后端支撑板10，闭合开关11，介质输入口16和介质输出口17组成。金属外筒6是一段内、外壁半径分别为190mm和200mm，长度为1100mm的金属圆管，在金属圆管正下方靠近脉冲形成线前端的位置焊接介质输入口16，在金属圆管正上方靠近脉冲形成线后端的位置焊接介质输出口17。金属外筒6接地，与螺旋形内导体15共同构成脉冲形成线等效电容。螺旋形内导体15在靠近闭合开关11的一侧(前端)几何中心处分别焊接圆柱形凸台12，便于支撑和电连接。在远离闭合开关11的一侧(后端)几何中心处焊接圆柱形凸台13，便于支撑和电连接。螺旋形内导体15机械长度为3360mm，这一长度直接决定了脉冲形成线输出方波电脉冲的脉冲宽度。后端支撑板10和前端支撑板9均由高分子绝缘材料制成，后端支撑板10的几何中心处钻孔(孔径与螺旋形内导体15后端的凸台13相匹配)，将凸台13插入孔中对脉冲形成线的螺旋形内导体15起支撑作用。闭合开关11靠近螺旋形内导体15钻孔，将圆柱型凸台12插入孔中对脉冲形成线的螺旋形内导体15起支撑作用。介质输入口16为空心圆管，主要作用是实现去离子水介质14的灌注，介质输出口17同样为空心圆管，主要作用是实现去离子水介质14的输出，便于循环。该脉冲形成线配合闭合开关11使用时，在负载上实现了脉宽约为200ns的准方波脉冲输出。相比直筒型内导体，螺旋形内导体结构可以在更小的体积内，提高脉冲形成线输出方波电脉冲的脉冲宽度，有利于装置适应更为广泛的应用领域。然而，考虑螺旋形内导体结构的色散因素，螺旋形结构依旧很难满足日益提升的应用需求。研究人员的视线逐步转移到卷绕型内导体结构。李嵩,钱宝良,杨汉武,等人在学术论文《Animprovedrolledstrippulseformingline》【SongLi,Baolia本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线由高储能密度液体介质(24)、金属带(25)、固定板(26)和绝缘封装(27)四部分构成；金属带(25)位于固定板(26)的卡槽中，呈紧配合关系；固定板(26)位于绝缘封装(27)中，固定板(26)边缘与绝缘封装(27)的内壁呈紧配合关系；高储能密度液体介质(24)灌注于绝缘封装(27)内部，包围所有金属带(25)，并充斥整个绝缘封装(27)的内部区域；金属带(25)由卷绕成涡旋状的内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)组成，固定板(26)由下固定板(31)和上固定板(32)组成，下固定板(31)和上固定板(32)上的卡槽形状为涡旋线。

【技术特征摘要】
1.一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线由高储能密度液体介质(24)、金属带(25)、固定板(26)和绝缘封装(27)四部分构成；金属带(25)位于固定板(26)的卡槽中，呈紧配合关系；固定板(26)位于绝缘封装(27)中，固定板(26)边缘与绝缘封装(27)的内壁呈紧配合关系；高储能密度液体介质(24)灌注于绝缘封装(27)内部，包围所有金属带(25)，并充斥整个绝缘封装(27)的内部区域；金属带(25)由卷绕成涡旋状的内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)组成，固定板(26)由下固定板(31)和上固定板(32)组成，下固定板(31)和上固定板(32)上的卡槽形状为涡旋线。2.如权利要求1所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)均为宽度为W，长度为l，厚度为d的金属带，三条金属带间的距离为D；内金属带(28)涡旋线的基圆半径为R，螺距为N；中金属带(29)涡旋线的基圆半径为R+d+D，螺距为N；外金属带(30)涡旋线的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N；其中，螺距N＝3d+3D。3.如权利要求1所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述下固定板(31)由绝缘材料制成，形状为圆柱体板，厚度为H，在下固定板(31)上端面铣有三条宽度为d的涡旋线形状的卡槽；第一内涡旋线卡槽(33)的基圆半径为R，螺距等于内金属带(28)涡旋线的螺距N；第一中涡旋线卡槽(34)的基圆半径为R+d+D，螺距为N；第一外涡旋线卡槽(35)的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N；三条涡旋线形状的卡槽的深度均为O；第一内涡旋线卡槽(33)中嵌入内金属带(28)，第一中涡旋线卡槽(34)中嵌入中金属带(29)，第一外涡旋线卡槽(35)中嵌入外金属带(30)；所述R为内金属带(28)涡旋线的基圆半径。4.如权利要求1或3所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述上固定板(32)由绝缘材料制成，形状为圆柱体板，厚度为H；在上固定板(32)下端面铣有三条宽度为d的涡旋线形状的卡槽；第二内涡旋线卡槽(36)的基圆半径为R，螺距为N；第二中涡旋线卡槽(37)的基圆半径为R+d+D，螺距为N；第二外涡旋线卡槽(38)的基圆半径为R+2d+2D，螺距为N；三条涡旋线卡槽的深度均为O，第二内涡旋线卡槽(36)中嵌入内金属带(28)，第二中涡旋线卡槽(37)中嵌入中金属带(29)，第二外涡旋线卡槽(38)中嵌入外金属带(30)；正对卡槽起始端设计有三个直径为V的第一圆形通孔(39)，通过金属电缆分别连接内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)；正对卡槽终端同样设计三个直径为V的第二圆形通孔(40)，通过金属电缆分别连接内金属带(28)、中金属带(29)、外金属带(30)。5.如权利要求1所述的一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线，其特征在于所述绝缘封装(27)由液体介质槽(41)和盖板(42)组成；液体介质槽(41)是由绝缘材料制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李嵩，高景明，杨汉武，钱宝良，阚江南，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43