一種串列式高重複頻率脈衝產生裝置的製作方法

2023-08-05 19:19:16 2

本發明屬於脈衝功率技術領域，涉及一種串列式高重複頻率脈衝產生裝置。

背景技術：

脈衝功率技術在粒子加速器、等離子體技術、廢水廢氣處理等領域都有廣泛的應用。經過幾十年的發展，脈衝功率源的輸出峰值功率已經得到大幅提升。脈衝功率源的另一項主要技術指標之一是重複頻率。隨著應用的拓展，對脈衝功率源的重複頻率提出了越來越高的要求。但由於受限於氣體開關的絕緣恢復速度，目前脈衝功率源的重複頻率一般為幾十赫茲到百赫茲，最高不超過千赫茲。要提高輸出脈衝的重複頻率到幾千赫茲以上，必須採用新的研究方法和技術路線。

2010年一篇文獻公開了一種多脈衝隔離合成產生高重複頻率脈衝的裝置(2010ieeeinternationalpowermodulatorandhighvoltageconference，2010：413～416)，其結構如附圖1所示：多臺獨立的脈衝功率源11的輸出端都連接到同一條公共傳輸線13，各脈衝功率源11與公共傳輸線13之間採用磁環12隔離。其工作方式為：當某路脈衝源11工作時，輸出脈衝首先將本路的磁環12勵磁到飽和，然後輸出到公共傳輸線13，期間其他路的磁環12阻擋了輸出脈衝向其他路脈衝源11傳輸；若使各脈衝源11依次間隔工作，就能在公共傳輸線13上獲得高重複頻率脈衝。這種方式存在的主要問題有兩方面：一是注入結構較為複雜龐大，造成脈衝高頻成分損失嚴重，注入之後脈衝前沿從幾百皮秒拖慢到納秒量級，使得脈衝品質惡化；二是對磁隔離材料要求很高。

另一文獻公開了一種串聯脈衝形成線產生高重複頻率脈衝的裝置(太赫茲科學與電子信息學報，2016，14(3)：413～416)，如附圖2所示：將多段脈衝形成線21與多個高壓氣體開關22依次間隔串聯，然後再接輸出傳輸線23，並通過輸出埠24向外輸出。工作方式：各段脈衝形成線21同時充上電，然後從輸出埠24開始，各高壓氣體開關22依次間隔特定時間擊穿。這樣使得各段脈衝形成線21儲存的能量依次釋放，從而在輸出埠24獲得一串脈衝，達到在短時間內獲得很高重複頻率的目的。串聯脈衝形成線系統存在的主要問題有兩方面：一是只能產生一串脈衝序列，脈衝之間拉不開，即脈衝間隔不可調節；二是脈衝幅值衰減和前沿變緩現象嚴重，即脈衝品質惡化，原因是後級脈衝的傳輸路徑上存在很多氣體開關，開關的電阻電感造成了能量損耗，並拖慢脈衝前沿。

技術實現要素：

為了克服上述高重複頻率脈衝裝置結構複雜、脈衝品質惡化及脈衝序列單一的問題，本發明提供一種結構簡單、脈衝傳輸路徑良好的串列式高重複頻率脈衝產生裝置，該裝置能夠產生兩路重複頻率達到十千赫茲級的脈衝，也能夠產生一路瞬時重複頻率達到兆赫茲級的脈衝串。

本發明的技術解決方案是提供一種串列式高重複頻率脈衝產生裝置，包括一個公共傳輸線37、多個中筒34、多個氣體開關35及絕緣介質，其特殊之處在於：

上述公共傳輸線37為同軸線，包括內導體33和外導體32，上述公共傳輸線37的兩埠為兩個輸出端；

所述絕緣介質位於公共傳輸線37腔體內部；

上述中筒34為兩端開口的導體圓管，中筒34的內徑大於內導體33的外徑，中筒34的外徑小於外導體32的內徑，多個中筒34依次間隔一定距離同軸設置於內導體和外導體之間(通過絕緣子，將中筒支撐在外導體內表面上，或者支撐在內導體外表面上)；

上述氣體開關35的兩極分別設置在中筒34外表面中部與公共傳輸線37外導體內表面上(與中筒外表面中部相對的部位)或者所述氣體開關35的兩極分別設置在中筒34內表面中部與公共傳輸線37內導體外表面上(與中筒內表面中部相對的部位)，且每個中筒34都對應著一個氣體開關35。

氣體開關是上述中筒外表面中部與上述公共傳輸線外導體內表面之間的徑向氣體間隙，或者是上述中筒內表面中部與上述公共傳輸線內導體外表面之間的徑向氣體間隙。

優選地，上述氣體開關電極形狀為完整環形或點狀分布組成的環形，它們的狀態完全一致，即擊穿電壓相同。

優選地，為了提高能量效率，上述公共傳輸線37外導體內徑與中筒34外徑的比值和中筒34內徑與公共傳輸線37內導體外徑的比值相等，即中筒34與外導體構成的傳輸線阻抗等於中筒34與內導體構成的傳輸線阻抗。

優選地，上述中筒個數可以為2-100個。

優選地，上述絕緣介質可以為氫氣、氮氣、六氟化硫等絕緣氣體，其中以氫氣更優。

優選地，上述內導體為實心不鏽鋼柱、黃銅柱或鋁柱等良導體柱。

在上述本發明的高重複頻率脈衝產生裝置中，每個中筒與公共傳輸線內導體、外導體都構成了雙筒脈衝形成線，其中，中筒是雙筒線充電時的高壓端，中筒-外導體為外線，中筒-內導體為內線，該中筒對應的氣體開關作為脈衝形成開關。但與傳統布魯姆萊茵型雙筒脈衝形成線不同的是，該雙筒脈衝形成線的中筒是雙端開口而不是單端開口，且氣體開關位於脈衝形成線中部而不是端部。這種獨特的結構，使得這種雙筒脈衝形成線可以同時產生兩路幅值與脈衝寬度都相同的脈衝，並分別向著公共傳輸線前後兩埠傳輸，分別稱其為前向脈衝和後向脈衝。前後向脈衝的幅值與脈衝寬度都完全相同，它們的幅值與中筒充電電壓也相同。

在上述本發明的高重複頻率脈衝產生裝置中，多個中筒與公共傳輸線內外導體構成多級雙筒脈衝形成線，且這些雙筒脈衝形成線的氣體開關擊穿電壓相同，即這些雙筒形成線的工作電壓相同。這些雙筒形成線的工作方式為：從前至後依次間隔工作。

當第1級雙筒脈衝形成線的氣體開關導通後，產生第1個前向脈衝和第1個後向脈衝。第1個前向脈衝直接傳輸到本發明裝置的前埠，第1個後向脈衝經過後側所有雙筒脈衝形成線向本發明裝置的後埠傳輸。由於其他所有雙筒脈衝形成線的氣體開關處於開路狀態，這兩個脈衝將會不受阻礙地一直傳輸到公共傳輸線兩端，保持其前沿和幅值不變，最終向外輸出。

間隔一段時間後，第2級雙筒脈衝形成線的氣體開關導通後，產生第2個前向脈衝和第2個後向脈衝。由於第2個後向脈衝在向公共傳輸線後端傳輸的過程中遇到的所有氣體開關仍處於開路狀態，因此它將會不受阻礙地一直傳輸到公共傳輸線後埠，並保持其前沿和幅值不變。第2個前向脈衝向公共傳輸前埠傳輸過程中，會遇到第1級氣體開關，而且第2個前向脈衝的一半幅值將施加在該氣體開關上。此時，第1級氣體開關是否擊穿導通由其絕緣恢復狀態決定，而其絕緣恢復狀態由第2級雙筒脈衝形成線和第1級脈衝形成線的工作間隔時間決定。稱第1級氣體開關剛好不被第2個前向脈衝擊穿的工作時間間隔為「臨界間隔時間」。如果工作間隔時間大於等於「臨界間隔時間」，第2個前向脈衝不能將第1級氣體開關擊穿，其仍能不受阻礙地一直傳輸到公共傳輸線前埠，並保持其前沿和幅值不變。如果工作間隔時間小於「臨界間隔時間」，第1級氣體開關被第2個前向脈衝擊穿，並部分阻擋第2個前向脈衝的傳輸，導致第2個前向脈衝幅值的衰減。對比第1級氣體開關在「臨界間隔時間」的絕緣電壓幅值和其完全恢復後的絕緣能力可以發現，「臨界間隔時間」時第1級開關的絕緣恢復仍是非常不充分的，也即：「臨界間隔時間」遠小於氣體開關完全恢復時間。實驗結果表明，對於數兆帕斯卡的高壓氫氣開關，這種「臨界間隔時間」小於一百微秒，比完全絕緣恢復時間小一個量級。

第3級及後側其他雙筒脈衝形成線工作時的情形可以由上述分析類推得到。

綜上所述，讓所有雙筒形成線從前至後依次間隔工作，若工作間隔時間大於等於「臨界間隔時間」，則可以在公共傳輸線的前後兩個埠都產生一串高重複頻率脈衝，脈衝的時間間隔最短可小於一百微秒，對應重複頻率超過十千赫茲，稱之為「雙端輸出模式」；若工作時間間隔小於「臨界間隔時間」，則公共傳輸線的後埠仍可以正常產生一串高重複頻率脈衝，脈衝的時間間隔僅受氣體開關擊穿時間控制精度限制，一般該精度能到十納秒級，故對應的重複頻率最高可達數十兆赫茲，稱之為「單端輸出模式」。

本發明的有益效果是：

(1)本發明雙筒脈衝形成線的中筒是雙端開口而不是單端開口，且氣體開關位於脈衝形成線中部而不是端部，這種獨特的結構，使得這種雙筒脈衝形成線可以同時產生兩路幅值與脈衝寬度都相同的脈衝，並分別向著公共傳輸線前後兩埠傳輸；

(2)公共傳輸線內導體上沒有軸向氣體開關，為產生的脈衝提供了良好的傳輸路徑，不存在輸出脈衝品質隨級數增加而惡化的問題，從而使該裝置容許擴展為更多級；

(3)雙端輸出模式時，兩相鄰氣體開關的擊穿時間間隔可比氣體開關完全恢復時間小一個量級，從而能夠產生兩路重複頻率達到十千赫茲級的脈衝，且重複頻率可以在十千赫茲以內任意調節；

(4)單端輸出模式時，兩相鄰氣體開關的時間間隔僅受氣體開關擊穿時間控制精度限制，從而能夠產生一路瞬時重複頻率達到兆赫茲級的脈衝串，且重複頻率可以在十千赫茲～兆赫茲範圍內任意調節。

附圖說明

圖1為現有的一種多脈衝隔離合成產生高重複頻率脈衝裝置；

圖2為現有的另一種串聯脈衝形成線產生高重複頻率脈衝裝置；

圖3為本發明的一種串列式高重複頻率脈衝產生裝置；

圖4為氫氣開關「臨界間隔時間」實驗統計數據(氣壓4.5mpa，間距4mm)。

圖中附圖標記為：11-脈衝功率源，12-磁環，13-公共傳輸線，21-脈衝形成線，22-高壓氣體開關，23-輸出傳輸線，24-輸出埠，31-前埠，32-外導體，33-內導體，34-中筒，35-氣體開關，36-後埠，37-公共傳輸線。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的串列式高重複頻率脈衝產生裝置做詳細描述。

圖3為本發明的串列式高重複頻率脈衝產生裝置示意圖，包括一個公共傳輸線37、多個中筒34和多個氣體開關35，其中，公共傳輸線37為同軸線，包括外導體32和內導體33，且前埠31和後埠36是本發明脈衝產生裝置的兩個輸出埠；中筒34為雙端開口的導體圓管，其外徑小於外導體32內徑，其內徑大於內導體33外徑，長度遠小於公共傳輸線37的長度，且所有中筒34長度之和仍小於公共傳輸線長度；多個中筒34依次同軸安裝於公共傳輸線內外導體之間(通過絕緣子，將中筒支撐在外導體內表面上，或者支撐在內導體外表面上)，相鄰中筒之間具有一定間隔，且所有中筒34都完全位於公共傳輸線內部；氣體開關35是中筒34內表面中部與內導體33外表面之間的徑向氣體間隙，(或者氣體開關也可以是中筒34外表面中部與外導體32內表面之間的徑向氣體間隙)，且每個中筒34都對應著一個氣體開關35；氣體開關35的兩個電極形狀可以為完整環形或者分布式點狀所組成的環形，它們的狀態完全一致，即擊穿電壓相同。

在上述本發明的串列式高重複頻率脈衝產生裝置中，多個中筒34與公共傳輸線內導體33、外導體32構成了多級雙筒脈衝形成線，並以中筒34作為雙筒線充電時的高壓端，氣體開關35作為脈衝形成開關。但與傳統布魯姆萊茵型雙筒脈衝形成線不同的是，這種雙筒脈衝形成線的中筒34是雙端開口，且氣體開關35位於脈衝形成線中部。這種獨特的結構，使得這種雙筒脈衝形成線可以同時產生兩路幅值與脈衝寬度都相同的脈衝。同時，由於中筒34雙端開口，使得中筒34的存在不影響脈衝在公共傳輸線中的傳輸。

通過控制氣體開關35的導通順序，讓這些雙筒脈衝形成線從前到後依次等間隔時間工作。當間隔時間大於「臨界間隔時間」時(定義第n級氣體開關剛好不被第n+1個前向脈衝擊穿的工作時間間隔為「臨界間隔時間」，對於數兆帕斯卡的高壓氫氣開關，該「臨界間隔時間」小於100微秒，比其完全恢復時間小一個量級)，該裝置工作於雙端輸出模式，能夠在公共傳輸線的前埠31和後埠36都產生重複頻率達到十千赫茲級的脈衝，且重複頻率可以在十千赫茲以內任意調節。當間隔時間小於「臨界間隔時間」時，該裝置工作於單端輸出模式，雖然前埠31輸出的脈衝品質開始變差，但後埠36仍能輸出一路高重複頻率脈衝串，並保持幅值和前沿不變。單端輸出模式時，相鄰雙筒脈衝形成線工作時間間隔僅受氣體開關35擊穿時間控制精度限制，因而後埠36輸出的脈衝串瞬時重複頻率可達兆赫茲級，且重複頻率可以在十千赫茲～兆赫茲範圍內任意調節。

本發明的一個串列式高重複頻率脈衝產生裝置實施實例，要求的系統指標如下：

1)輸出阻抗：40歐姆

2)產生功率：1gw；

3)脈衝寬度：1ns；

4)雙路輸出模式，重複頻率：10khz；

5)單路輸出模式，脈衝串瞬時重複頻率：1mhz；

根據上述指標，綜合物理指標、高電壓絕緣和高氣壓密封等因素，可以確定該裝置的主要參數：

1)輸出脈衝的幅值為200kv，對應的中筒充電電壓也為200kv。

2)雙筒脈衝形成線絕緣介質採用4.5mpa的氫氣。

3)氣體開關採用環形電極，和雙筒脈衝形成線共用腔體，故氫氣壓力也是4.5mpa。開關間隙選擇為4mm，此時其擊穿電壓大約在200kv左右。

4)該裝置設計為10級，即需要安裝10個中筒。中筒長度300mm。中筒外直徑180mm，內直徑177mm。

5)最右端中筒的右端面距離公共傳輸線右埠50mm，最左端中筒的左端面距離公共傳輸線左埠50mm，相鄰中筒間距離50mm。

6)公共傳輸線長度為3550mm。外導體內直徑250mm，外直徑260mm。內導體為實心不鏽鋼柱，外直徑128mm。

在上述設計中，氣體開關沒有外加觸發裝置，因此其導通時間由中筒充電時間控制。當某個中筒充電電壓到達200kv左右時，該中筒對應的氣體開關自動發生擊穿導通。中筒可以由各種類型的脈衝高壓充電電源來充電，如tesla變壓器、常規脈衝變壓器和marx發生器等。若本實施實例中的中筒採用tesla變壓器充電，則可以估算出其充電時間約為數微秒。

從前至後依次間隔給中筒充電，使各氣體開關依次導通，從而使10級雙筒脈衝形成線從前至後依次間隔工作。

雙路輸出模式產生兩路重複頻率為10khz的脈衝的過程：

1)首先給第1級中筒充電。數微秒後，第1級中筒充電電壓達到200kv，第1級氣體開關導通，第1級雙筒脈衝形成線產生第1個前向脈衝和第1個後向脈衝，幅值均為200kv，功率為1gw，脈寬為1ns。第1個前向脈衝直接傳輸到公共傳輸線前埠，第1個後向脈衝經過後側所有雙筒脈衝形成線向公共傳輸線後埠傳輸。由於第2～10級氣體開關處於開路狀態，第1個後向脈衝將會不受阻礙地一直傳輸到公共傳輸線後埠，保持其前沿和幅值不變。

2)間隔100μs，第2級中筒充電。數微秒後，第2級中筒充電電壓達到200kv，第2級氣體開關導通，產生第2個前向脈衝和第2個後向脈衝，幅值均為200kv，功率為1gw，脈寬為1ns。由於第3～10級氣體開關仍處於開路狀態，因此第2個後向脈衝將會不受阻礙地一直傳輸到公共傳輸線後端，並保持其前沿和幅值不變。第2個前向脈衝向公共傳輸前端的傳輸過程中，會遇到第1級氣體開關，而且第2個前向脈衝的一半幅值將施加在該氣體開關上。也即，此時第1級氣體開關上承受了幅值100kv、脈寬1ns的電壓。此時，第1級氣體開關已經經歷了100μs的恢復時間，其是否發生擊穿由其絕緣恢復狀態決定。

下面分析第1級氣體開關的絕緣恢復狀態。第1級氣體開關在完全恢復絕緣能力條件下，在中筒微秒級充電時的擊穿電壓為200kv。根據氣體開關擊穿電壓與施加電壓持續時間呈負相關的規律，在施加電壓脈衝寬度為1ns條件下，完全恢復的第1級氣體開關擊穿電壓應該遠高於200kv。換個角度說，第1級氣體開關應該在其絕緣恢復還很不充分的時候，就已經能夠承受幅值100kv、脈寬1ns的電壓。稱第1級氣體開關剛好不被100kv、脈寬1ns的電壓擊穿的絕緣恢復時間為「臨界間隔時間」。圖4給出了實驗得到的本實例中的各級氣體開關(4.5mpa氫氣，間距4mm)的「臨界間隔時間」的統計數據。從圖4可以看出，多次實驗測試得到的「臨界間隔時間」分布在35～90μs。該「臨界間隔時間」比高壓氫氣開關的完全絕緣恢復時間(毫秒級)小一個量級以上。

當第2個前向脈衝到達第1級氣體開關處時，第1級氣體開關已經經歷了100μs的恢復時間。由於100μs的恢復時間大於「臨界間隔時間」，故第1級氣體開關不會擊穿。於是，第2個前向脈衝仍能不受阻礙地一直傳輸到公共傳輸線前埠，並保持其前沿和幅值不變。

3)其後，再依次間隔100μs，給第3～10級中筒充電。第3～10級雙筒脈衝形成線工作情形與第2級情形類似。第3～10個前後向脈衝都能不受阻礙地分別傳輸到公共傳輸線前後埠。全部10級雙筒線工作後，在公共傳輸線前後埠都獲得了10個脈衝，它們幅值200kv，功率1gw，脈寬1ns，間隔時間100μs。

4)第10級雙筒線工作100μs後，再次給第1級中筒充電，並重複上述1)～3)過程。於是，在公共傳輸線前後埠都連續獲得幅值200kv，功率1gw，脈寬1ns，間隔時間100μs脈衝。

從而，本裝置輸出了兩路功率1gw，脈寬1ns，重複頻率10khz的脈衝。通過調整相鄰中筒充電的間隔時間，可以在10khz以內任意調節重複頻率。比如，將相鄰中筒充電的間隔時間調整為200μs，則可以獲得兩路5khz的脈衝。

單路輸出模式產生一路瞬時重複頻率為1mhz的脈衝串過程：

設中筒充電時間為5μs。

1)從0時刻開始，依次間隔1μs給第1～10級中筒充電。

2)第5μs時刻，第1級中筒充電電壓達到200kv，第2～5級中筒充電電壓未達到200kv，第6～10級中筒尚未開始充電。故只有第1級氣體開關導通，使第1級雙筒脈衝形成線產生第1個前向脈衝和第1個後向脈衝，幅值均為200kv，功率為1gw，脈寬為1ns。第1個前向脈衝直接傳輸到公共傳輸線前埠，第1個後向脈衝經過後側所有雙筒脈衝形成線向公共傳輸線後埠傳輸。由於第2～10級氣體開關處於開路狀態，第1個後向脈衝將會不受阻礙地一直傳輸到公共傳輸線後埠，保持其前沿和幅值不變。

3)第6μs時刻，第2級中筒充電電壓達到200kv，第3～6級中筒充電電壓未達到200kv，第7～10級中筒尚未開始充電。故第2級氣體開關導通，產生第2個前向脈衝和第2個後向脈衝，幅值均為200kv，功率為1gw，脈寬為1ns。第2個前向脈衝向公共傳輸前埠傳輸過程中，會遇到第1級氣體開關。由於此時第1級氣體開關尚未恢復絕緣能力，處於導通狀態，因而其將會部分阻擋第2個前向脈衝。第2個後向脈衝向公共傳輸後埠的傳輸過程中，會遇到第3～10級氣體開關。由於第3～10級氣體開關仍處於開路狀態，因此第2個後向脈衝將會不受阻礙地一直傳輸到公共傳輸線後埠，並保持其前沿和幅值不變。

4)第3～10級雙筒脈衝形成線工作情形與第2級情形類似。第7微秒時刻到第14微秒時刻，第3～10級氣體開關相繼導通。它們產生的前向脈衝都會被尚未恢復絕緣能力的前一級開關部分阻擋，但後向脈衝都能不受阻礙地傳輸到公共傳輸線前埠。

5)全部10級雙筒線工作後，在公共傳輸線後埠獲得了10個脈衝，它們幅值200kv，功率1gw，脈寬1ns，間隔時間1μs，瞬時重複頻率1mhz。

從而，本裝置輸出了一路功率1gw，脈寬1ns，瞬時重複頻率1mhz的脈衝串，串內脈衝數量為10個。通過增加中筒的級數，可以增加脈衝串數量。通過調整相鄰中筒充電間隔時間，可以調節重複頻率。比如，將相鄰中筒充電間隔時間調整為5μs，則可以獲得一路200khz的脈衝。脈衝串瞬時重複頻率的上限取決於氣體開關擊穿時間控制精度。如果想要脈衝串瞬時重複頻率超過兆赫茲，就必須提高氣體開關擊穿時間控制精度，即降低氣體開關的擊穿抖動時間。通過快速電觸發或雷射觸發，可以將氣體開關的擊穿抖動降低到十納秒級，從而能夠獲得瞬時重複頻率達到數十兆赫茲的脈衝。