圓筒形鐵電體脈衝發生器的製作方法
2023-10-05 16:47:59 1
專利名稱：圓筒形鐵電體脈衝發生器的製作方法
技術領域：
本發明屬於脈衝功率技術領域，特別涉及一種採用爆炸衝擊波作用於鐵電陶瓷產生電脈衝的圓筒形鐵電體脈衝發生器。
背景技術：
脈衝功率電源可以把有限的電能量在很短的時間內快速釋放，從而產生一個高功率的電脈衝。脈衝功率電源在粒子加速器、高能等離子體、高功率電磁脈衝和脈衝雷射發生器等技術領域中具有重要的應用。有一類特種鐵電材料，通過施加壓力可以把鐵電相轉變成反鐵電相或者順電相， 使材料迅速釋放出所儲存的電極化能量產生高功率的電脈衝。根據特種鐵電材料的壓力誘導相變特性，可以製作成小型化的鐵電體脈衝發生器用於要求體積小重量輕的應用場合，如用於安全鈍感電雷管組的多點同步起爆電源、高壓電容器的快速充電電源、可攜式電磁脈衝發生器和脈衝X射線探測器等中的脈衝功率電源。目前國內外普遍採用的是平行板式鐵電體脈衝發生器。把鐵電陶瓷製作或者組裝成平行板形狀，採用炸藥爆炸成形技術產生平面衝擊波加載到鐵電陶瓷板上，利用鐵電陶瓷的壓電效應或者壓致相變特性釋放出電極化能量。但是，隨著對輸出功率要求的提高，需要的平面衝擊波發生器的面積和炸藥量增大，增加了鐵電體脈衝發生器的製作難度和體積，制約了鐵電體脈衝發生器的使用需求。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構緊湊的圓筒形鐵電體脈衝發生器，以滿足對脈衝功率電源高功率和小型化的綜合使用要求。本發明的技術方案是這樣實現的把具有壓力誘導相變特性的特種鐵電陶瓷製作成中空的圓筒形狀，把衝擊波發生器製作成外徑更小的圓柱體放置在鐵電陶瓷圓筒的中心孔中。衝擊波發生器產生向外傳播的圓柱形衝擊波作用在外圍的鐵電陶瓷圓筒上，迫使鐵電陶瓷發生相變快速地釋放出所儲存的電極化能量。通過金屬導線把電能量輸出到外電路負載中產生高功率的電脈衝。通過上述方法可以減小衝擊波發生器的體積和製作難度，同時利用外圍的鐵電陶瓷圓筒減緩衝擊波的外洩。使鐵電體脈衝發生器的結構緊湊、空間體積變小，並且為衝擊波和高壓電脈衝的絕緣防護帶來便利。具體技術方案如下一種圓筒形鐵電體脈衝發生器，由圓筒的內層至外層依次包括衝擊波發生器、第一封裝保護層、鐵電陶瓷圓筒、第二封裝保護層，在鐵電陶瓷圓筒的兩個端面或者內、外壁被有金屬電極。進一步，鐵電陶瓷圓筒採用具有能夠在外加衝擊壓力作用下從鐵電相轉變成反鐵電相或者順電相併釋放出電極化能量的鐵電陶瓷製作，通過電極化工藝使鐵電陶瓷具有剩餘極化強度。進一步，所述衝擊波發生器由雷管和炸藥組成。進一步，所述第一、第二封裝保護層採用有機絕緣材料製作。進一步，當鐵電陶瓷圓筒的兩個端面被有金屬電極面時，鐵電陶瓷的剩餘極化強度方向與圓筒端面的金屬電極面垂直，同時平行於圓筒的軸向方向。進一步，當鐵電陶瓷圓筒的內壁和外壁被有金屬電極面時，鐵電陶瓷的剩餘極化強度方向與圓筒內壁和外壁的金屬電極面垂直，同時垂直於圓筒的軸 向方向。進一步，所述金屬電極面通過燒制或者濺射的方式與鐵電陶瓷圓筒緊密結合。本發明的有益效果是本發明的圓筒形鐵電體脈衝發生器的優點是可以作為一種獨立的功率電源自行發電無需外界供電；圓筒形鐵電體脈衝發生器的結構簡單緊湊、體積小重量輕，作為一種小型化脈衝功率電源適用於體積和重量受限的使用場合；根據使用需要，可以產生不同脈衝寬度的大電流或者高電壓，用做高功率的電流源或者電壓源。
圖I是本發明圓筒形鐵電體脈衝發生器的工作電路原理圖。圖2(a)是本發明脈衝發生器的鐵電陶瓷的兩端面被有金屬電極面側視圖。圖2(b)是本發明脈衝發生器的鐵電陶瓷的兩端面被有金屬電極面剖面圖。圖3(a)是本發明脈衝發生器的鐵電陶瓷的內外壁被有金屬電極面側視圖。圖3(b)是本發明脈衝發生器的鐵電陶瓷的內外壁被有金屬電極面剖面圖。圖中，I為鐵電陶瓷，2為外電路負載，3為封裝保護層，4為衝擊波發生器，5為雷管，6為金屬電極面。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。圖I是本發明圓筒形鐵電體脈衝發生器的工作電路原理圖。電雷管接收到控制信號起爆衝擊波發生器，衝擊波發生器產生衝擊波作用在鐵電陶瓷I上。鐵電陶瓷I發生相變釋放出所儲存的電極化能量，在外電路負載2中輸出一個高功率的電脈衝。圖2(a)是本發明脈衝發生器的鐵電陶瓷的兩端面被有金屬電極面側視圖。箭頭方向為衝擊波傳播方向。圖2(b)是本發明脈衝發生器的鐵電陶瓷的兩端面被有金屬電極面剖面圖。此時，圓筒形鐵電體脈衝發生器用做高壓脈衝電源。圓筒形鐵電陶瓷I的兩個端面被有金屬電極面6，通過金屬導線與外電路負載2相連接。鐵電陶瓷I的剩餘極化強度方向(如圖2(b)中箭頭P)與陶瓷圓筒端面的金屬電極面6垂直，並且平行於陶瓷圓筒的軸向方向。當衝擊波發生器4沿圓筒軸向同時產生向外傳播的柱狀衝擊波穿透封裝保護層3作用到鐵電陶瓷圓筒上時，鐵電陶瓷I沿著衝擊波傳播方向發生相變釋放出所儲存的電極化能量，在外電路負載2中輸出一個高電壓的電脈衝。圖2(b)中，豎向箭頭為衝擊波傳播方向。設鐵電陶瓷圓筒的平均半徑雲遠大於陶瓷圓筒的壁厚h = R1-R2，則產生的電流強度7eP2;r；^脈衝寬度f = $其中R1是鐵電陶瓷圓筒的外半徑，R2是鐵電陶瓷圓
r、9
筒的內半徑，匕是鐵電陶瓷的剩餘極化強度，V是衝擊波在鐵電陶瓷中的傳播速度。增加鐵電陶瓷圓筒的平均半徑及，可以增大鐵電體脈衝發生器I的輸出電流強度；增加鐵電陶瓷圓筒的長度L，可以增加鐵電體脈衝發生器I所能承受的電壓幅值，從而對高阻電學負載(如電阻或者電容)輸出高電壓的電脈衝。圖3(a)是本發明脈衝發生器的鐵電陶瓷的內外壁被有金屬電極面側視圖。箭頭方向為衝擊波傳播方向。圖3(b)是本發明脈衝發生器的鐵電陶瓷的內外壁被有金屬電極面剖面圖。
圓筒形鐵電陶瓷I的內壁和外壁被有金屬電極面6，通過金屬導線與外電路負載2相連接。鐵電陶瓷的剩餘極化強度方向(如圖3(b)中的箭頭P方向)與陶瓷圓筒的端金屬電極面垂直，並且同時垂直於陶瓷圓筒的軸向方向。根據衝擊波發生器產生的衝擊波模式不同，鐵電體脈衝發生器產生的脈衝電流強度和寬度有所不同。(I)當衝擊波發生器沿圓筒軸向同時產生向外傳播的圓柱形衝擊波作用到鐵電陶瓷圓筒上時，鐵電陶瓷沿著衝擊波傳播方向發生相變釋放出所儲存的電極化能量，在外電路負載中輸出一個大電流的電脈衝。設鐵電陶瓷圓筒的長度L大於圓筒的壁厚Ii = R1-R2，平
均半徑雲=R^+R2遠大於圓筒的壁厚h，則產生的電流強度/ ^ p^r1v脈衝寬度r = A
2h ,V o
增加鐵電陶瓷圓筒的長度和平均半徑，可以增加鐵電體脈衝發生器的輸出電流強度；減小鐵電陶瓷圓筒的壁厚，可以增加鐵電體脈衝發生器的輸出電流強度和減小脈衝寬度。(2)當衝擊波發生器沿著鐵電陶瓷圓筒軸向逐漸產生向外傳播的圓錐形衝擊波作用到鐵電陶瓷圓筒上時，鐵電陶瓷沿著衝擊波傳播方向發生相變釋放出所儲存的電極化能量，在外電路負載中輸出一個長脈寬的電流脈衝。設鐵電陶瓷圓筒的長度L大於圓筒的壁
厚h，平均半徑_遠大於陶瓷圓筒的壁厚h，則產生的電流強度z =脈衝寬度r = l
增加鐵電陶瓷圓筒的長度L，可以增大鐵電體脈衝發生器的電流脈衝寬度。
權利要求
1.一種圓筒形鐵電體脈衝發生器，由圓筒的內層至外層依次包括衝擊波發生器、第一封裝保護層、鐵電陶瓷圓筒、第二封裝保護層，其特徵在於在鐵電陶瓷圓筒的兩個端面或者內、夕卜壁被有金屬電極。
2.根據權利要求I所述的圓筒形鐵電體脈衝發生器，其特徵在於鐵電陶瓷圓筒採用具有能夠在外加衝擊壓力作用下從鐵電相轉變成反鐵電相或者順電相併釋放出電極化能量的鐵電陶瓷製作，通過電極化工藝使鐵電陶瓷具有剩餘極化強度。
3.根據權利要求I所述的圓筒形鐵電體脈衝發生器，其特徵在於所述衝擊波發生器由雷管和炸藥組成。
4.根據權利要求I所述的圓筒形鐵電體脈衝發生器，其特徵在於所述第一、第二封裝保護層採用有機絕緣材料製作。
5.根據權利要求2所述的圓筒形鐵電體脈衝發生器，其特徵在於當鐵電陶瓷圓筒的兩個端面被有金屬電極面時，鐵電陶瓷的剩餘極化強度方向與圓筒端面的金屬電極面垂直，同時平行於圓筒的軸向方向。
6.根據權利要求2所述的圓筒形鐵電體脈衝發生器，其特徵在於當鐵電陶瓷圓筒的內壁和外壁被有金屬電極面時，鐵電陶瓷的剩餘極化強度方向與圓筒內壁和外壁的金屬電極面垂直，同時垂直於圓筒的軸向方向。
7.根據權利要求I所述的圓筒形鐵電體脈衝發生器，其特徵在於所述金屬電極面通過燒制或者濺射的方式與鐵電陶瓷圓筒緊密結合。
全文摘要
本發明公開了一種圓筒形鐵電體脈衝發生器的設計和製作方法。圓筒形鐵電體脈衝發生器由圓筒形鐵電陶瓷、圓柱形衝擊波發生器以及衝擊波和高電壓防護絕緣層構成。採用具有壓力誘導相變特性的特種鐵電陶瓷製作成圓筒形狀，鐵電陶瓷圓筒的內外壁或者端面被有金屬電極面通過金屬導線與外電路負載相連接。本發明的圓筒形鐵電體脈衝發生器的優點是可以作為一種獨立的功率電源自行發電無需外界供電；圓筒形鐵電體脈衝發生器的結構簡單緊湊、體積小重量輕，作為一種小型化脈衝功率電源適用於體積和重量受限的使用場合；根據使用需要，可以產生不同脈衝寬度的大電流或者高電壓，用做高功率的電流源或者電壓源。
文檔編號H03K3/02GK102684649SQ20121013150
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月2日 優先權日2012年5月2日
發明者馮玉軍 申請人:西安交通大學