专利名称：一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉冲功率技术领域，涉及一种重复频率高功率脉冲串产生技术，具体涉及一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器。
背景技术：
高功率脉冲串是指脉冲间隔在纳秒到微秒量级，脉冲个数几个到几十个，峰值功率超过GW以上的脉冲序列。产生脉冲间隔很短的连续高功率高压脉冲，物理和工程上存在巨大障碍，因此，为满足闪光X照相、粒子束改性及高功率微波产生等技术研究的需要，探索和研制了几种脉冲间隔很短、个数有限脉冲的产生方法和设备。其中一种比较有代表性的方法是利用脉冲形成线和气体开关串接，并利用气体开关在短时间内不能恢复的特性产生闻压脉冲串。
刊名3rd IEEE Int Pulsed Power Conference,卷号 2,出版日期 1997 年，篇名A600-kVdouble-pulser for the PHERMEX electron gun,作者Carlson, R. L等人研制成功用于X射线闪光高速摄影的双脉冲发生器，它包含两个Marx发生器，这两个Marx发生器给两段脉冲形成线独立充电，两段脉冲形成线通过激光触发间隙开关串联连接。该双脉冲发生器成功输出间隔I U s的600kV双脉冲。一方面，形成线内导体与MARX发生器输出端一般用电感隔离，电感较小，充电效率高，但形成的脉冲序列也会通过充电电感向MARX泄放能量，影响脉冲波形和效率，实际上也限制了脉冲串的长度。Marx发生器重复运行能力差，适于单次或以很低重频目前重复频率最高只能达到几Hz的水平运行，采用Marx发生器充电的脉冲串技术途径不能满足脉冲串发生器在数十 百赫兹重频下运行的应用需求。内置Tesla变压器的脉冲形成线结构紧凑，效率高，重复运行能力强，次级电感达到几十亨，把内置Tesla变压器的形成线与气体开关相串接产生脉冲串，正好可以克服上述方法的不足。利用Tesla变压器技术的脉冲串产生方法可以产生功率数GW，脉冲间隔几十纳秒到几个微秒,脉冲个数达数十个,脉冲串重复频率达百Hz的重复频率脉冲串。
发明内容
为解决现有脉冲串发生器重复运行频率较低的问题，本发明提出一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器。一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器，其特征在于包括基于Tesla变压器的多段高压脉冲形成线I、多个触发型主开关2、输出线3和负载4 ;多段高压脉冲形成线I串联而成，每个触发型主开关2的触发部分置于高压脉冲形成线的内部，采用Tesla变压器对高压脉冲形成线充电，多段高压脉冲形成线通过各自内置的Tesla变压器独立充电，每一段高压脉冲形成线I都有一台内置的Tesla变压器。所述的触发型主开关2选用触发管型气体火花开关，其结构为=Marx电路置于形成线内筒的内部，Marx电路的输出端与触发针7连接,Marx电路的供电端与二级I禹合Te s I a变压器的次级锥状线圈8的高压端连接；二级耦合Tesla变压器与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器可同时内置于高电压脉冲形成线，构成双次级变压器，共用一个初级回路。二级耦合Tesla变压器与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器可同时内置于高电压脉冲形成线，构成双次级变压器，共用一个初级回路。Marx电路的光触发信号从高压脉冲形成线I的外部引入，光触发信号由光纤传输。一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器，其特征在于包括基于Tesla变压器的多段高压脉冲形成线I、多个触发型主开关2、输出线3和负载4 ;多段高压脉冲形成线I串联而成，触发型主开关2的触发部分置于高压脉冲形成线的内部，选用激光触发火花间隙开关；采用Tesla变压器对高压脉冲形成线充电，充电方式是通过多个充电电感6和一台内置的Tesla变压器完成对所有高压脉冲形成线的充电，只有一段高压脉冲形成线内置Tesla变压器，每一个充电电感6把相邻两段形成线内筒5连接起来。所述的激光触发火花，结构为采用激光束10经透镜13聚焦在主开关电极间隙的中央15，焦斑电离后延迟一段时间主开关导通；所述主开关采用吹气型重频高压氮气间隙开关，选用1064nm的红外激光束10经透镜13聚焦在主开关电极间隙的中央15，焦斑电离后延迟一段时间，主开关导通。 本发明优点在于脉冲串发生器采用Tesla变压器充电，可实现脉冲串发生器高达百赫兹的重复频率运行；Tesla变压器与高电压脉冲形成线一体化，结构紧凑，使得脉冲串发生器的输出功率指标有较大的提升；为高电压脉冲形成线内筒内部的Marx发生器充电的二级耦合Tesla变压器，充电信号引入方便，该二级耦合Tesla变压器可与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器构成双次级变压器，结构紧凑。
图I :本发明基于三台Tesla变压器的三脉冲发生器示意2 :本发明基于单台Tesla变压器的三脉冲发生器示意3 :本发明Marx发生器的二次耦合Tesla变压器充电结构示意4 :本发明激光触发火花间隙开关示意图I.基于Tesla变压器的三段高压脉冲形成线；2.触发型主开关；3.输出线；4.负载；5.形成线内筒或内磁芯；6.充电电感；7.开关触发针；8. 二次I禹合Tesla变压器的第二级变压器次级线圈；9.高压脉冲形成线充电变压器的次级线圈；10.激光器输出光束；
11.光窗；12.大功率容量传输光纤；13.会聚透镜；14.反射镜；15.焦斑位置。
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述本实施例中包括基于Tesla变压器的多段高压脉冲形成线I、多个触发型主开关
2、输出线3和负载4共四个部分图I和图2。所述的多段高压脉冲形成线I有两种充电形式，一种是多台Tesla变压器充电形式图1，每一段高压脉冲形成线I都有一台内置的Tesla变压器，多段高压脉冲形成线通过各自内置的Tesla变压器独立充电；另一种是单台Tesla变压器充电形式图2，通过充电电感6和一台内置的Tesla变压器完成对所有高压脉冲形成线的充电，只有一段高压脉冲形成线I有内置的Tesla变压器，通过多个充电电感把多段形成线内筒5连接起来，其中每一个充电电感6的两端连接相邻两段形成线内筒5的一端，充电电感采用螺绕管结构，充电电感在形成线的慢充电过程相当于短路，且快放电过程相当于开路。Tesla变压器的内外磁芯替代高压脉冲形成线的内外导体圆筒，次级锥状线圈位于形成线的内外磁芯之间，初级线圈紧邻外磁芯的内侧，初级线圈通过外筒上的引出电极连接到初级回路，初级电源HV对初级回路的储能电容充电，触发初级回路的晶闸管，初级储能电容通过变压器向次级形成线电容放电。所述的触发型主开关2可选用触发管型气体火花开关，主开关采用高压氮气介质，采用风机对开关间隙吹气。选用Marx发生器作为触发电路图3，Marx电路置于形成线内筒5的内部，Marx电路的高压输出端连接开关触发针7。Marx电路的级开关采用光导半导体开关PCSS，可采用1064nm的红外激光照射触发，触发能量数十y J，激光束在光纤内传输，光纤从高电压脉冲形成线I的外部导入。可米用分光器对大功率输出激光束分光，再米用光纤传输和延时，产生的各子光束分别触发各个Marx发生器。Marx发生器可采用二级耦合Tesla变压器充电，二级耦合Tesla变压器置于高电压脉冲形成线I的内部，二级耦合Tesla变压器的内外开路磁芯替代高压脉冲形成线的内外筒。第一级Tesla变压器的初级圆柱形线圈紧邻外磁芯内表面，次级圆柱形线圈紧靠内磁芯的外表面。第二级Tesla变压 器的初级圆柱形线圈紧邻内磁芯的内表面,次级锥状线圈8位于内磁芯5的内部，其一端连接形成线内磁芯5，另一端连接Marx发生器的充电端UO。内磁芯的中间开一纵向耦合槽，槽口长度稍大于紧邻内磁芯表面的线圈宽度，内磁芯内外表面的两个圆柱形线圈在槽口边沿纵向联结成一整体，通过耦合槽第一级变压器能量可传输到第二级变压器。二级耦合Tesla变压器与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器可同时内置于高电压脉冲形成线1，构成双次级变压器，共用初级回路和内外磁芯。所述的触发型主开关2除了选用触发管型气体火花开关，还可选用延时控制更精确触发抖动ns量级的激光触发火花间隙开关图4。主开关采用吹气型重频高压氮气间隙开关，选用的1064nm的红外激光束10由光窗11沿着形成线的径向进入形成线内部，进入形成线的激光束在大功率容量光纤12内传输，透镜13对大容量光纤的出射光束进行会聚,反射镜14使得会聚光束沿原来的径向传输方向改变为沿轴向传输，会聚光束聚焦在主开关阴阳电极间隙的中央15。氮气中焦斑电离所需能量较大，多个主开关需要多台激光器来触发，为满足目前定制光纤传输能力，传输光束能量要求小于100mJ。本实施例中Tesla变压器、激光器的时间控制由同步机完成。
权利要求
1.一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器，其特征在于包括基于Tesla变压器的多段高压脉冲形成线(I)、多个触发型主开关(2)、输出线(3)和负载(4);多段高压脉冲形成线(I)串联而成，每个触发型主开关(2)的触发部分置于高压脉冲形成线的内部，采用Tesla变压器对高压脉冲形成线充电，多段高压脉冲形成线通过各自内置的Tesla变压器独立充电，每一段高压脉冲形成线(I)都有一台内置的Tesla变压器。
2.根据权利要求I所述的一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器，其特征在于所述的触发型主开关(2)选用触发管型气体火花开关，其结构为Marx电路置于形成线内筒的内部，Marx电路的输出端与触发针(7)连接，Marx电路的供电端与二级耦合Tesla变压器的次级锥状线圈(8)的高压端连接；二级耦合Tesla变压器与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器可同时内置于高电压脉冲形成线，构成双次级变压器，共用一个初级回路。
3.一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器，其特征在于包括基于Tesla变压器的多段高压脉冲形成线(I)、多个触发型主开关(2)、输出线(3)和负载(4);多段高压脉冲形成线(I)串联而成，触发型主开关(2)的触发部分置于高压脉冲形成线的内部，选用激光触发火花间隙开关；采用Tesla变压器对高压脉冲形成线充电，充电方式是通过多个充电电感(6)和一台内置的Tesla变压器完成对所有高压脉冲形成线的充电，只有一段高压脉冲形成线内置Tesla变压器，每一个充电电感(6)把相邻两段形成线内筒(5)连接起来。
全文摘要
本发明涉及一种基于Tesla变压器的重复频率脉冲串发生器，其特征在于多段高压脉冲形成线串联而成，每个触发型主开关的触发部分置于高压脉冲形成线的内部，采用Tesla变压器对高压脉冲形成线充电，多段高压脉冲形成线通过各自内置的Tesla变压器独立充电，每一段高压脉冲形成线都有一台内置的Tesla变压器。本发明优点是脉冲串发生器采用Tesla变压器充电，可实现脉冲串发生器的百赫兹重复频率运行；Tesla变压器与高电压脉冲形成线一体化，结构紧凑，使得脉冲串发生器的输出功率指标有较大的提升；为高电压脉冲形成线内置的触发模块供电的二级耦合Tesla变压器，可与为高电压脉冲形成线充电的Tesla变压器构成双次级变压器，结构紧凑。
文档编号H03K3/64GK102780473SQ20121026912
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者宋晓欣, 朱晓欣, 潘亚峰, 苏建仓, 黄文华 申请人:西北核技术研究所