一种高可靠性前沿高压脉冲发生器的制作方法

1.本发明涉及脉冲发生器技术领域，具体涉及一种高可靠性前沿高压脉冲发生器。


背景技术：

2.在脉冲功率技术研究领域，开关是最核心的器件，决定了整个脉冲功率装置的主要性能。目前，应用最广泛、功率水平最高的开关是气体火花开关，要使气体火花开关按照预定的时序精确动作而且保证较高的可靠性，则需要高可靠性、快前沿的高压脉冲发生器作为触发源。
3.目前，用于气体火花开关触发的高压脉冲发生器主要包含两类：一类为基于紧凑型marx发生器的触发器，另一类为基于多级脉冲放大技术的触发器。但marx发生器包含的器件个数较多，每个器件都有发生故障的概率，多级脉冲放大技术技术环节较多，每个环节都有发生故障的概率，总体而言，二者均无法实现较高的可靠性。另外，marx发生器电路结构较为复杂，回路结构紧凑化设计难度较大，要想获得较快的输出脉冲前沿，必须减小储能电容量，由此导致输出脉冲的脉宽相应减小，不利于触发的应用；多级脉冲放大技术包含多个放大环节，每个放大环节的放电开关均存在导通时间抖动，要想获得极低的输出时间抖动(小于3ns)比较困难，不利于多个多级脉冲放大系统同步运行以构建输出路数较多的触发系统。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是传统的用于气体火花开关触发的marx发生器结构复杂，基于多级脉冲放大技术的触发器发生故障概率较大，不利于触发输出路数较多的触发系统，因此，本发明提供一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，采用简单紧凑的电路结构，实现较快的输出脉冲前沿，采用激光触发开关作为输出开关，实现极高的可靠性。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，包括设置在油箱内的激光触发气体开关，所述激光触发气体开关的上方设置有激光引入通道，所述激光触发气体开关和所述激光引入通道密封接触；所述激光引入通道内设置有聚焦透镜，以使激光概率密度达到1012w/cm2以上，所述激光引入通道的侧壁上设置有开关充气气嘴；所述激光触发气体开关的一侧连接有电容器组，所述电容器组中的各电容器通过第二绝缘隔板隔开，所述电容器组连接输出电缆并接地，所述输出电缆通过第一绝缘隔板与油箱的侧壁连接，远离电容器组的油箱侧壁上设置有气路接口，用于气路在穿过油箱壁时的转接。
7.进一步地，所述激光触发气体开关包括两端开口呈圆筒状的开关绝缘筒，在开关绝缘筒的两端分别通过螺栓固定连接有一个主开关电极，两个主开关电极均向对侧凹陷；
8.当需要输出正极性脉冲，则所述激光触发气体开关上面的主开关电极为负极，下面的主开关电极为正极；当需要输出负极性脉冲，则所述激光触发气体开关上面的主开关电极为正极，下面的主开关电极为负极性。
9.进一步地，所述激光触发气体开关通过电容器电极与电容组连接。
10.进一步地，所述电容器组包括两个并联的电容器，两个并联的电容器之间通过第二绝缘隔板上下隔开；其中，一个电容器接地，另一个电容器连接输出电缆。
11.进一步地，与输出电缆连接的电容器上设置有金属插座，所述金属插座通过螺钉与电容器电极连接，所有输出电缆末端设有配套的插头，通过配套的插头插座将所述输出电缆和对应的电容器连接。
12.进一步地，所述油箱侧壁上设置有两个气路接口，所述气路接口根据气路管道规格确定。
13.进一步地，所述油箱的油箱底板上设置有第二绝缘底板，所述绝缘底板上设置有第一绝缘底板，所述第一绝缘底板与激光触发气体开关和电容器组底部连接，用于支撑激光触发气体开关和电容器组，并隔离激光触发气体开关、电容器组与油箱侧壁。
14.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
15.1.通过将激光触发气体开关与电容器组紧密连接，并将电容器组中的各电容紧密结合，同时将输出电缆紧贴油箱的侧壁，以设计出极为简化的脉冲发生电路，利于产生快前沿脉冲；同时，由于放电回路的电感：式中，l为电感，ф是回路磁通，i是回路电流，b是磁感应强度，s是回路面积，因此，本发明通过尽可能减小回路面积来减小回路电感，保证了脉冲发生器可以达到极低的回路多电感。
16.2.仅包括两个电容和一个开关，器件个数少，保证了脉冲发生器具有较高的可靠性；同时，将激光触发气体开关作为输出开关，可以工作于极低的欠压比，也可以获得极高的可靠性。
17.3.通过在激光触发气体开关上方的激光引入通道内设置聚焦透镜，使得激光可在开关间隙中间位置聚焦，使得开关可靠触发。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
19.图1为本发明一种高可靠性前沿高压脉冲发生器的结构示意图。
20.图2为本发明一种高可靠性前沿高压脉冲发生器的等效电路图。
21.附图标记：
[0022]1‑
激光触发气体开关；2
‑
气路接口；3
‑
激光引入通道；4
‑
开关充气气嘴；5
‑
聚焦透镜；6
‑
输出电缆；7
‑
油箱；8
‑
第一绝缘隔板；9
‑
第二绝缘隔板；10
‑
电容器电极；11
‑
第一绝缘底板；12
‑
第二绝缘底板；13
‑
油箱底板；14
‑
电容器组。
具体实施方式
[0023]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0024]
实施例
[0025]
如图1所示，本发明提供一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，其对应的等效电路图如图2所示。具体地，该高可靠性前沿高压脉冲发生器包括设置在油箱7内的激光触发气体开关1，激光触发气体开关1的上方设置有激光引入通道3，激光触发气体开关1和激光引入通道3需密封接触，确保开关内气体不泄露，保证开关内气体压力。
[0026]
具体地，激光触发气体开关1包括两端开口呈圆筒状的开关绝缘筒，在开关绝缘筒的两端分别通过螺栓固定连接有一个主开关电极，两个主开关电极均向对侧凹陷。当需要输出正极性脉冲，则激光触发气体开关1上面的主开关电极为负极，下面的主开关电极为正极；当需要输出负极性脉冲，则激光触发气体开关1上面的主开关电极为正极，下面的主开关电极为负极性。一般情况下需要输出负极性脉冲，即上面的主开关电极为正极性充电，下面主开关电极为负极性充电。
[0027]
由于开关导通时间的抖动在几个ns，因此，本实施例中的激光引入通道3内设置有聚焦透镜5，以使激光概率密度达到1012w/cm2以上，保证气体快速击穿。同时，激光引入通道3的侧壁上设置有开关充气气嘴4，为激光触发气体开关1充气。
[0028]
激光触发气体开关1的一侧连接有电容器组14，电容器组14中的各电容器通过第二绝缘隔板9隔开，电容器组14连接输出电缆6并接地，输出电缆6通过第一绝缘隔板8与油箱7的侧壁连接，以使输出电缆紧靠油箱7的侧壁，极大压缩放电回路面积。本实施例将绝缘隔板8的厚度设置为5mm，使得回路的整体电感小于300nh，输出脉冲前沿小于30ns，符合触发要求。
[0029]
另外，本实施例在远离电容器组14的油箱6侧壁上设置有气路接口2，用于气路在穿过油箱壁时的转接。
[0030]
进一步地，激光触发气体开关1通过电容器电极10与电容组9连接。
[0031]
进一步地，电容器组14包括两个并联的电容器，两个并联的电容器之间通过第二绝缘隔板9上下隔开；其中，一个电容器接地，另一个电容器连接输出电缆6，通过将两个电容器紧密贴合可以缩小脉冲发生器的体积。
[0032]
进一步地，与输出电缆6连接的电容器上设置有金属插座，金属插座通过螺钉与电容器电极连接，所有输出电缆末端设有配套的插头，通过配套的插头插座将输出电缆6和对应的电容器连接。
[0033]
进一步地，油箱7侧壁上设置有两个气路接口2，气路接口2根据气路管道规格确定。
[0034]
进一步地，油箱7的油箱底板13上设置有第二绝缘底座12，第二绝缘底座12上设置有第一绝缘底座11，第一绝缘底座11与激光触发气体开关1和电容器组14底部连接，用于支撑激光触发气体开关1和电容器组14，并隔离激光触发气体开关1、电容器组14与油箱6侧壁。
[0035]
具体地，激光触发气体开关1的两个电极之间采用气体(如空气、n2、sf6等常用绝缘气体)作为绝缘介质，用外部触发的方法使得气体击穿实现开关导通。其中，外部触发的过程具体为：使用紫外脉冲激光通过激光引入通道3中的聚焦透镜5聚焦在激光触发气体开关1的电极间隙中，使得此处的气体很快电离实现激光触发气体开关1的导通。
[0036]
激光触发气体开关1工作时，其正负电极间施加的电压和其自身自击穿电压的比值称为工作系数，如表1所示，为一种典型的气体开关自放电概率与工作系数的关系。
[0037][0038]
表1
[0039]
通过表1可见，工作系数越小，自发的概率越低(可靠性越高)，激光触发气体开关的优势在于，使用激光触发，可以使开关工作中极低的工作系数(小于50％)，同时保证开关极小的导通时间抖动，即同时实现脉冲发生器极高的可靠性和极小的导通时间抖动。
[0040]
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。