一种基于螺旋结构的同轴固态脉冲形成线的制作方法
【技术领域】
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[0001]本实用新型涉及高功率脉冲调制技术领域的固态脉冲形成线，尤其是一种可用于增加输出电脉冲宽度的基于螺旋结构同轴固态脉冲形成线。
【背景技术】
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[0002]高功率脉冲调制技术是一种把“慢”存储起来的具有较高密度的电场或磁场能量，在时间尺度上进行压缩，然后在极短时间内(20-100ns)释放给负载的电物理技术。脉冲形成线是产生百纳秒准方波长脉冲的主要方法，是高功率脉冲调制装置的关键部件之一。高功率脉冲调制装置在民用和国防领域有着重要的应用价值，是进行高功率微波、电子束泵浦高功率激光、X射线、离子源、废气废水处理、杀菌以及食品保鲜、医疗等研宄的重要试验平台。而这些应用对脉冲功率调制器提出了小型化、长脉冲和长使用寿命的要求。
[0003]目前，脉冲形成线主要采用液态储能介质，例如变压器油、去离子水等。但是，变压器油介电常数较低(相对介电常数\一般在2?3之间)，根据储能密度公式U =1/2 ε 0 ε rE2 ( ε ^为真空介电常数，E为介质击穿场强)可以看出，低的介电常数和击穿场强会导致低的储能密度，所以变压器油单位体积储能密度不高，导致形成线储能部分体积较大。此外，液态介质可靠性不高，易发生故障，导致装置的实用化难度加大；环境适应能力不强，如在高温或低温等恶劣环境下，液体介质性质易发生改变，导致装置无法正常工作。并且某些液体储能介质需要配备附属设备，如去离子水介质(相对介电常数\=81)虽然拥有相对较高储能密度，但是其需要附属设备以维持其高电阻率，导致整个脉冲功率装置体积庞大。
[0004]与液态介质相比，固体储能介质由于具有高介电常数和击穿场强(即具有高储能密度)，同时兼具低介电损耗和高电阻率等优点，基于固体储能介质传输线的脉冲功率源装置本身具有小型化，长寿命和性能稳定等优点。脉冲形成线的常见结构有同轴结构和平板结构两种。固态脉冲形成线一般采用平板结构，如中国工程物理研宄院流体物理研宄所研制的固态脉冲功率装置【湛怡，夏连胜，王卫，等.“基于光导开关和平板线的固态脉冲功率技术”，《太赫兹科学与电子信息学报》，2014，Vol.12，N0.1，pp:32-36]中所设计的平板脉冲形成线。该装置使用平板结构的脉冲形成线，选择CaO-T12-Al2O3为原料，通过固相烧结法制得，其相对介电常数ε ^约23，陶瓷介质几何尺寸为170_X 15_X 1_，银电极尺寸150mmX4mm，其输出电脉冲的宽度为11.3ns。为了防止平板结构脉冲形成线上下电极间发生沿面闪络(一种高电压击穿现象)，该固态脉冲功率装置将平板结构脉冲形成线中的介质板做得很宽(介质板宽15_，银电极宽4mm)，减小了储能材料实际应用体积，影响了整个脉冲功率装置的小型化指标。此外，在需要拓展该固态脉冲功率装置的应用领域，该装置输出电脉冲的宽度也是不够的。
[0005]同轴结构的脉冲形成线由于内电极包含在外电极之中，屏蔽效果较好，对周围的寄生耦合较小，也得到广泛的应用。实用新型专利“一种基于玻璃陶瓷介质的同轴固态脉冲形成线”(专利号:CN 203589443 U)，给出了一种基于玻璃陶瓷介质的同轴固态脉冲形成线，包括筒状玻璃陶瓷介质、内电极、外电极和半导体涂层，内外电极分别烧制在该筒状玻璃陶瓷介质的内外壁上，半导体涂层涂敷在内外电极以外的玻璃陶瓷介质表面；此外，
S.K.Sharma, P.Deb 和 R.Shukla 等人 2011 年在《科学仪器评论》(Review of ScientificInstruments)上发表的论文“一种紧凑型钡钛陶瓷脉冲形成线”中的脉冲形成线也采用了同车由结构【S.K.Sharma，P.Deb, R.Shukla, et al.Compact pulse forming line usingbarium titanate ceramic material.Review of Scientific Instruments，2011，82(11)，pp: 115102-115102-3】。这两篇文献中提到的固态同轴脉冲形成线输出电脉冲的宽度T =2 ( \) 1/2l/c (I为同轴脉冲形成线的轴向长度，c为真空中光速)，因此如果确定了形成线介质材料，只有通过增加形成线的轴向长度，才可以增加固态同轴脉冲形成线的输出电脉冲的宽度。
[0006]鉴于脉冲功率技术小型化、长脉冲和长使用寿命的要求，目前小型化固态脉冲形成线面临输出电脉冲宽度不够的困难，而平板结构脉冲形成线又因上下电极间容易发生表面电闪络击穿限制其电压提升；同时，适用于脉冲功率装置的大体积陶瓷成型制备难度很大，而且固态介质的击穿场强会随着介质厚度的增加而显著下降，固态介质难以发挥其高击穿场强能力，所以单纯增加固态脉冲形成线长度和厚度并不能解决上述问题。因此，在固态介质的原有体积尺寸限制下，设计一种能够增加输出电脉冲宽度的固态脉冲形成线结构是本领域技术人员极为关注的技术问题。
【实用新型内容】:
[0007]本实用新型要解决的技术问题是:针对现有固态脉冲形成线能够输出电脉冲的宽度有限，而且平板结构脉冲形成线上下电极间容易发生闪络限制其高电压运行能力的问题，提出一种适用于小型化高功率脉冲功率装置的螺旋结构同轴固态脉冲形成线。
[0008]本实用新型采用的技术方案为:
[0009]一种基于螺旋结构的同轴固态脉冲形成线，由筒状陶瓷介质、筒状金属外电极和筒状金属内电极组成，三者之间为同心排列，由内向外依次为筒状金属内电极、筒状陶瓷介质、筒状金属外电极。
[0010]所述筒状陶瓷介质由氧化铝陶瓷制成，其轴向长度为Itl，筒内外半径分别为r1、r2，(γ2-Γι)为该筒状陶瓷介质的壁厚，该筒状陶瓷介质的壁厚由脉冲形成线设计的耐压值决定；对于同轴固态脉冲形成线，为了保证输出电脉冲波形质量，一般轴向长度ItlAr2，通常取 lQ/r产 10。
[0011 ] 所述筒状金属内电极和筒状金属外电极分别通过烧制附着在所述筒状陶瓷介质的内壁和外壁，筒状金属内电极和筒状金属外电极的长度均为I1，为减少筒状金属内电极和筒状金属外电极边缘发生沿面击穿的可能，两个电极的两端距离筒状陶瓷介质的两端均有一定的距离I2，满足I2= (I o-li)/2 ^ 1cm，I2为筒状陶瓷介质两端伸出金属内电极和金属外电极的长度，本实用新型取I2= 1cm。
[0012]所述筒状金属外电极上加工有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽的螺距为p，螺旋凹槽的宽度为δ，螺旋凹槽的深度需保证磨去外电极上的原有金属层。经验上，要求(P-S)Mmm，以减少该脉冲形成线放电时螺旋面的匝间发生电击穿；要求δ/(P-δ) >3，防止脉冲形成线的电磁耦合；色散条件要求螺