[发明专利]一种快前沿高电压方波脉冲发生器

说明书

本发明涉及一种方波电脉冲发生器。

方波脉冲发生器在高电压技术以及高功率脉冲技术中有广泛的用途，对它的基本要求是输出脉冲前沿快，幅值高、波形规则。

方波脉冲发生器的原理是，利用快速闭合开关和与开关适当连接、预先进行直流充电的传输线或人工线，通过开关快速闭合在传输线中引起的电磁波折、反射过程，形成方波脉冲。方波脉冲的前沿、幅值和波形与闭合开关的性能密切相关。

目前方波脉冲发生器通常采用的汞润开关、放电管、半导体开关难以同时满足输出脉冲前沿快(1ns左右)、电压幅值高(10kV以上)的要求。

与上述问题及本发明密切相关，Martin J.C.,1968年(Fivth Symposium on FusionTechnology,Oxford),Dokopoulos P.,1971年(IEEE Transactions on NuclearScience,vol.18,no.4,pp.303-307),Nunnally W.C.,1976年(New York:PlenumPublishing Corporation,pp.429-432),Salge,J.G.H.,1991年(Eighth IEEEInternational Pulsed Power Conference,USA,pp.183-186)，分别公开或改进了一种基于电工绝缘薄膜放电开关(以下简称为“薄膜开关”)的脉冲发生器，利用电工绝缘薄膜(以下简称为“薄膜”)耐电强度高、放电间隙短的特性，企图获得快前沿、高幅值的脉冲，其中开关是多层薄膜与多个金属薄片电极交叠构成的场畸变型开关，传输线是三平行板电极低阻抗微带线。这些脉冲发生器的共同不足是，由于受到电工薄膜的几何特性限制，设计的开关只针对低阻抗(0.1Ω量级)微带传输线，因此其应用范围受到很大的局限，同时，由于放电回路中不可避免地存在杂散电感，与低阻抗传输线及负载构成的时间常数(电感÷阻抗总和)大，脉冲前沿不快，又因开关为多层薄膜与多个金属薄片电极交叠构成的场畸变型开关，受触发脉冲以及薄膜逐层放电击穿的影响，波形不规则，此外，开关结构复杂，对触发脉冲的前沿和幅值要求高，开关性能受薄膜厚度影响大，工作不可靠，也在很大程度上降低了薄膜开关脉冲发生器的实用价值。

本发明的目的是获得一种能够克服上述技术困难的性能良好的薄膜开关方波脉冲发生器。

本发明的技术解决方案是，采用单个放电间隙薄膜介质开关，以提高开关的可靠性，改善脉冲波形，绝缘薄膜一侧的开关电极采取套筒状变直径同轴结构，与单根或者多根并联的工业标准同轴电缆相连，传输线与开关结构相应，采用单根或者多根并联的工业标准同轴电缆，布置为双传输线型式，获得多种规格较高的匹配输出阻抗(例如50Ω,75Ω,100Ω,150Ω等)，缩短脉冲上升时间，绝缘薄膜另一侧的开关电极为杯盖形，其内安装有针状金属细杆，它利用电磁铁驱动撞击薄膜进行触发，薄膜的安装与更换利用弹性伸缩式夹膜机构实现。

本发明技术解决方案的优点是，可显著地缩短脉冲上升时间，改善脉冲波形，又有高的输出脉冲幅值，并且降低了对薄膜厚度的精度要求，结构简单，可靠性高，通用性强，操作便捷。

附图1是本发明实施例的电原理图，附图2是该实施例薄膜开关的结构示意图。下面将结合附图对本发明的实质特征和实施方案作进一步的说明。

附图中，1和2为双传输线的两个支线，每个支线由单根或者多根并联的工业标准同轴电缆构成，其波阻抗等于该支线所用单根电缆波阻抗÷n,n为该支线并联电缆的根数，3为薄膜开关，4为脉冲输出电缆，其波阻抗在匹配输出时等于1和2的波阻抗之和，5为对高压直流电源(附图中未画出)起限流保护作用并与脉冲形成有关的电阻，6为高压直流电源的输出端，7为对2起充电和接地作用的电阻，其值远大于4的波阻抗，8为薄膜开关同轴段的外电极(接地)，9为薄膜开关同轴段的内电极，10为8与9之间的绝缘介质，11为2靠近3的一端，12为结构部件，13为用于触发的针状金属细杆，14为13的驱动电磁铁，15为支承部件，16为弹簧，17为薄膜开关的杯盖形电极(接地)，它有一个沿轴线的通视孔，13在14的作用下在此通视孔中运动，18为电工绝缘薄膜，其厚度以能耐受需要的高电压为度。6加高压后，1和2通过5和7被充电，当14加电时，13被驱动以其尖端撞击薄膜18,18因撞击而绝缘失效，在高电压的作用下迅速击穿。18的安装和更换利用15和16组成的弹性伸缩式夹膜机构实现。

对按本发明设计的原理样机的测试结果证明，采用本发明的技术方案，输出方波脉冲的前沿低达1至2ns，电压幅值高达12kV，波形规则，且可靠性高，操作便捷。