[发明专利]一种多级串联直线型变压器驱动源的同步触发方法

说明书

技术领域

本发明涉及由数十级感应腔(Cavity)串联构成的大型快放电直线变压器型驱动源(Fast Discharging Linear Transformer Driver，英文简称LTD)的新型触发方法。其独特之处：多级感应腔串联LTD下游感应腔内气体火花开关通过自身磁芯(Magnetic cores)电磁感应，耦合来自上游感应腔、沿次级传输线(internal transmission line)传播的电磁脉冲实现多级感应腔开关依次被耦合的高幅值过电压触发击穿闭合，可显著简化多级串联LTD脉冲源对触发系统的要求。

技术背景

近年来，快放电直线变压器型驱动源(以下采用英文简称LTD描述)成为国际脉冲功率驱动源技术的研究热点，与传统的基于Marx发生器和水线技术产生高电压大电流功率脉冲的途径不同，LTD实现了低电感电容器直接通过气体火化开关放电(Discharging Brick)产生上升时间100ns的高功率脉冲。脉冲电流可通过增加感应腔内放电支路的并联数实现，电压的增加通过多级感应腔的串联实现：其基本电路结构为初级多个支路多级依次对变压器放电，利用同一次级将多级感应腔电压串联叠加的脉冲变压器组，对每一支路都是变比为1∶1的变压器。国际上流行的LTD感应腔的电容器充电电压为±100kV，对匹配负载放电可产生峰值为100kV的脉冲电压；其输出电流主要由感应腔内放电支路的电气参数和并联支路数决定，目前国际上最大的LTD感应腔为40个放电支路并联，每个支路由中间串接气体开关的2只40nF的电容器包围磁芯的回路构成，单个感应腔输出最大电流峰值为1000kA。要达到惯性约束核聚变、闪光照像，乃至聚变能源等领域的要求，基于LTD技术的脉冲功率驱动源需要由数十乃至几百路输出电压高达数兆伏的子驱动源(Module)并联而成；而每路子驱动源又需要数十级感应腔串联而成，如此庞大的系统包含数万到数十万支气体火花开关，要保证如此大量的开关阵列的协同工作，按每级感应腔提供4路触发脉冲，其触发系统要求提供数万路高电压(大于120kV)快前沿(约20ns)的触发脉冲，触发时序可以控制，同时必须满足极高运行可靠性(低运行失败概率)和极低输出抖动。国内外都在积极开展大规模LTD开关阵列的同步触发技术研究，目前产生如此触发脉冲的方法是采用低电感脉冲电容器通过短间隙高压气体火化开关向输出电缆快放电，产生多路触发脉冲。然而由于气体火花开关本身固有击穿延时抖动和一定的自放概率，要实现感应腔内开关闭合的精确控制，必须要尽可能减小触发系统输出抖动。曾研制的一套开路输出电压130KV以上的触发器，系统整体输出抖动小于5ns，但运行1年后其自放概率较高。对电触发气体火花开关来说，同时取得低抖动和高工作可靠性(极低的自放概率和触发失败概率)的要求是互相矛盾的。

此外强激光触发气体火花开关可实现气体火花开关工作同时具备低抖动和高可靠性。然而，触发需要的激光功率极高(MW以上)，

一般需专业的大功率激光器才能提供如此的强激光脉冲。同时保证数万只气体火花开关同步放电，激光系统本身的可靠性就是很大的问题。另外，激光器工作前的聚焦和光路调整使得以强激光触发系统为基础构建LTD触发系统方案的可行性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种多级串联LTD大规模开关阵列的同步触发方法，降低对触发系统的要求，实现数多级串联LTD开关的感应过电压触发闭合。

本发明的结构原理图见附图。其核心思想是：对于一路包含数十级感应腔串联的LTD装置，仅需为上游几级感应腔(例如前五级)内开关提供外触发脉冲，实现强触发快速闭合。已经闭合的上游感应腔通过次级电磁感应产生电压叠加的电磁脉冲将沿着次级传输线向负载方向传播。首先与电磁脉冲相遇的开关保持开路的一级感应腔内开关将通过其磁芯感应耦合前几级产生的过电压，而后续感应腔内开关感应电压则随其位置逐渐降低。实际应用中，LTD开关在如此高的过电压作用下能够快速闭合。因此，对于数十级感应腔串联LTD，仅向其上游几个感应腔提供外触发脉冲，下游感应腔能够通过其次级传输线(通过磁芯)感应到过电压而实现快速触发。

本发明的一种数十级感应腔(Cavity)串联构成的大型快放电直线变压器型驱动源的一种新型同步触发方法，其特征在于：

1)采用包含n组(n不小于3即可)触发单元的触发系统为最上游的n级感应腔提供外触发脉冲，实现对应感应腔气体火花开关的强触发闭合；

2)n组触发单元与上游的n级感应腔对应；