一种采用低剩磁比磁芯、猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，包括腔体、位于腔体内与腔体同轴布置的内筒、磁芯、阴极体及高压绝缘堆，内筒、阴极体及高压绝缘堆沿腔体轴向依次布置在腔体内，磁芯环绕内筒设置，高压绝缘堆外壁与感应腔的腔体内壁之间的区域为感应腔初级区域，高压绝缘堆内的区域为感应腔次级区域，磁芯采用低剩磁比磁芯(Br/Bs<0.15)感应腔，无需额外磁芯复位和隔离电路，磁芯能够在脉冲间隔内自动复位，磁芯伏秒数可以重复利用，只需要磁芯伏秒数大于单个脉冲的伏秒积分，感应腔就能够以MHz重复频率猝发产生多脉冲。相比于传统高剩磁比磁芯感应腔，可显著提高磁芯使用效率，降低磁芯数目和经济成本。
【专利说明】一种采用低剩磁比磁芯、猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔
【技术领域】
[0001]本发明涉及感应电压叠加器(induct1n voltage adder, IVA)的一种感应腔,工作电压I?1.5MV。
【背景技术】
[0002]高能脉冲X射线闪光照相可以透视高速运动物质的结构、状态及演化过程，是高性能爆炸流体力学实验等高速瞬变过程的重要诊断工具，也可用于等离子体物理、材料、生物、医学等领域的瞬态过程研究。脉冲X射线照相的发展趋势是采用一定时间间隔的脉冲串，对目标爆轰过程进行多脉冲分幅照相。国内外均在积极探索和发展多脉冲X射线源，主要包括直线感应加速器(Linear induct1n accelerator, LIA)和感应电压叠加器(Induct1n voltage adder, IVA)。美国Los Alamos国家实验室的直线感应加速器DARHT-1I，采用踢束器对脉宽约1.6μ s的电子束进行切割，最终产生4个脉宽50ns电子束脉冲。中国工程物理研究院“神龙二号”直线感应加速器也在探索对三个电子束团分别加速，实现三脉冲输出。但是，基于LIA技术产生多脉冲X射线照相，脉冲间隔调节范围有限(间隔通常为数百纳秒)，且LIA加速腔工作电压低(一般约200?300kV)，加速组件数量多，系统庞大，造价较高。IVA感应腔工作电压高(电压I?1.5MV)，感应腔数量少，且电子束的产生、聚焦和打靶都在叠加器末端的强聚焦二极管内完成，不涉及电子束远距离聚焦和传输难题，具有结构简单、尺寸小、造价低等优势。因此，基于IVA技术来建造多脉冲闪光照相X射线源具有一定技术优势。
[0003]IVA工作在多脉冲输出模式时，要求感应腔具备MHz重频猝发输出能力。感应腔内最关键部件就是磁芯材料，要求磁芯在连续多个脉冲输出时间内均不能饱和。单脉冲输出IVA感应腔，一般采用高剩磁比(剩余次感应腔强度B,/饱和磁感应强度Bs>0.85)非晶态磁环。当感应腔工作在猝发多脉冲模式时，要求在微秒级脉冲间隔内对磁芯复位，技术难度大，一般难以实现，磁芯伏秒值无法重复使用。因此，为了避免磁芯饱和，若继续采用高剩磁比磁芯，磁芯伏秒数必须大于几个脉冲伏秒积分之和，增加了磁芯截面积和数量，极大地降低了磁芯使用效率，这不但增大了感应腔结构尺寸，增加了经济成本，还限制了输出多脉冲的个数。此时，感应腔若能够采用低剩磁比(Br/Bs〈0.15)磁芯，且低剩磁比磁芯能够在微秒级的脉冲间隔内自复位，这样就可以解决多脉冲感应腔磁芯伏秒值重复利用问题。因此，仅需要磁芯伏秒数大于单个脉冲的伏秒积分，磁芯在连续多个脉冲作用下就均不会饱和，极大地提高磁芯利用效率，降低感应腔尺寸。
【发明内容】
[0004]为了解决现有高剩磁比磁环的IVA感应腔工作在多脉冲输出模式时，磁芯使用效率低，感应腔结构尺寸大、经济成本高等问题，本发明提出一种采用低剩磁比磁芯、猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]一种猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，包括腔体、位于腔体内与腔体同轴布置的内筒、磁芯、阴极体及高压绝缘堆，所述内筒、阴极体及高压绝缘堆沿腔体轴向依次布置在腔体内，所述磁芯环绕内筒设置，所述高压绝缘堆外壁与感应腔的腔体内壁之间的区域为感应腔初级区域，所述高压绝缘堆内的区域为感应腔次级区域，
[0007]其特殊之处在于:所述感应腔采用低剩比磁芯，磁芯剩磁比小于0.15，磁芯能够在脉冲间隔内自动复位，且磁芯伏秒数大于馈入感应腔的单个脉冲的伏秒积分。
[0008]上述高压绝缘堆采用多级堆式结构，由多个金属均压环及多个绝缘子环沿腔体轴向依次级联组成；金属均压环在与绝缘子环小端接触的一侧设置轴向突起，绝缘子环在对应位置处设置有凹槽，金属均压环通过设置在自身的轴向突起与绝缘子环上的凹槽形成镶嵌的结构。
[0009]上述轴向突起的横截面形状为矩形。
[0010]上述轴向突起的高度h约为绝缘子环厚度d的1/8?1/4。
[0011]上述金属均压环的外边缘还设置有径向突起，所述径向突起的内侧紧贴在两侧绝缘子环的外周。
[0012]上述径向突起的横截面形状为圆弧状或半圆形。
[0013]上述金属均压环的内侧面为向内突的圆弧面。
[0014]上述感应腔初级区域采用液体介质绝缘，感应腔次级区域为真空。
[0015]上述磁芯选用国产铁基纳米晶，剩余磁感应强度磁4 = 0.15T，饱和磁感应强度Bs=1.25T。
[0016]本发明与现有技术相比，优点是:
[0017]1、本发明提出一种采用低剩磁比磁芯(Br/Bs〈0.15)感应腔，无需额外磁芯复位和隔离电路，磁芯能够在脉冲间隔内自动复位，磁芯伏秒数可以重复利用，只需要磁芯伏秒数大于单个脉冲的伏秒积分，感应腔就能够以MHz重复频率猝发产生多脉冲。相比于传统高剩磁比(Br/Bs>0.85)磁芯感应腔，可显著提高磁芯使用效率，降低磁芯数目和经济成本。
[0018]2、本发明采用一种“均压环阳极嵌入式”的高压绝缘堆结构，来增大绝缘堆沿面闪络电压，提高了多脉冲IVA感应腔的耐受工作电压和可靠性。
[0019]3、本发明所述的感应腔，输出多脉冲的个数不再受磁芯伏秒值和数量的影响。因为磁芯能够在脉冲间隔时间内自动复位，只要依次为感应腔馈入N个脉冲，感应腔就能够输出N个脉冲而不会饱和。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为采用低剩磁磁芯的IVA感应腔结构示意图；
[0021]图2高压绝缘堆局部视图；
[0022]图3为依次馈入感应腔的3个高压脉冲的波形图；
[0023]图4为单个馈入脉冲及其伏秒积分的示意图；
[0024]图5为感应腔输出脉冲波形与馈入脉冲波形的比较示意图；
[0025]其中:1 一腔体、2 —高压绝缘堆、3 —阴极体、4 一尼龙拉杆、5-角向传输线、6 —磁芯、7 —内筒、8 —金属均压环、9 一绝缘子环、10 —感应腔初级区域、11 一感应腔次级区域、12-轴向突起、13-径向突起、14-向内突的圆弧面。
【具体实施方式】
[0026]以下从本发明的原理出发，对本发明做详细说明。
[0027]本发明采用低剩磁比磁芯来代替先前通常采用的高剩磁比磁芯，且低剩磁比磁芯能够在脉冲间隔内由饱和磁感应强度Bs自动复位至剩余磁感应强度即磁芯的磁感应增量ΛΒ可以在多个脉冲下重复利用，这样只需要磁芯伏秒数大于单个脉冲的伏秒积分，磁芯在连续多个脉冲作用下均不会饱和，这极大地提高了多脉冲输出IVA感应腔的磁芯利用效率。
[0028]本发明所涉及的多脉冲IVA感应腔实施的关键是，低剩磁比磁芯能够在极短的脉冲间隔内(通常小于I μ s)快速复位至初始磁化状态(剩余磁感应强度Br)。实际上，磁芯自复位能力主要取决于励磁回路连接方式和磁芯材料的脉冲磁导率。磁芯处于脉冲励磁阶段时，磁芯中存储能量；当励磁结束，磁芯线圈相当于电流源，磁芯中存储能量需要通过外电路释放。磁芯存储能量完全释放，励磁电流回到零值的时间，就是磁芯自复位至剩磁Br的时刻。因此，外电路负载阻抗越高，磁芯两端的反极性电压幅度就越大，磁芯释放能量的速度就越快，恢复到剩磁需要的时间就越短；同时磁芯脉冲磁导率较小时，磁芯线圈阻碍电流变化的能力就越弱，则励磁电流恢复到零的时间就越短，磁芯自复位时间也就越短。通过优化选择合适的磁芯材料和磁芯绕制工艺，以及设计合理的励磁电路，磁芯材料的自恢复时间可以小于I μ S。目前，文献报道的低剩磁比磁芯自复位时间最短小于500ns。因此，本发明所提及的感应腔是可以实现的。
[0029]以下结合附图对本发明的优选实施例做详细说明。
[0030]如图1、图2所示所示，本发明的猝发输出多脉冲的兆伏级感应腔，包括腔体1、位于腔体内与腔体同轴布置的内筒7、磁芯6、阴极体3及高压绝缘堆2。内筒、阴极体及高压绝缘堆沿腔体轴向依次布置，磁芯环绕内筒布置。高压绝缘堆外壁与感应腔内壁之间的区域为感应腔初级区域10，高压绝缘堆内的区域为感应腔次级区域11。
[0031 ] 感应腔磁芯选用国产铁基纳米晶，剩余磁感应强度磁= 0.15T，饱和磁感应强度Bs= 1.25T，剩磁比ByBs〈0.12，磁感应增量AB = Bs-Br= 1.1T，磁芯材料占空比k ^ 0.7。感应腔内使用八只(外径约970mm)磁环，磁芯有效截面积S。= 770cm2，磁芯能提供的最大伏秒数约为85mV.S。
[0032]以感应腔输出三脉冲为例。前级多脉冲发生器产生3个幅值约1MV，脉宽约60ns的电脉冲，脉冲间隔为I μ S。图3为由前级多脉冲产生器产生、依次馈入感应腔的3个脉冲。图4为时间尺度放大后的单个脉冲及其伏秒积分，可以看出单个脉冲的伏秒积分约80mV.S，小于感应腔内磁芯的伏秒数，因此磁芯在每个脉冲持续时间内都不会饱和。
[0033]针对以上磁芯参数，建立感应腔三维瞬态电磁模型，计算了感应腔输出脉冲，如图5所示。感应腔输出3个幅值约920kV的电脉冲，相比于馈入脉冲，感应腔输出脉冲大约延迟25ns，脉冲前沿略微变缓，幅值略微降低，感应腔输出脉冲间隔与馈入脉冲间隔相同，均为 I μ S。
[0034]若采用传统的高剩磁比磁芯，只能在第一个脉冲到达前对磁芯复位，脉冲间隔内无法复位，这要求磁芯能够提供的伏秒数为3X80 = 240mV.S。以高剩磁比非晶态磁芯为例，剩余磁感应强度B, 乂 1.0T，饱和磁感应强度Bs = 1.25T，磁感应增量ΛΒ = Bs+Br =2.25T。可以计算，需要磁芯的有效截面积S = 1500cm2，与本发明提出的感应腔相比，磁芯截面积增大了一倍多，这将引起感应腔结构尺寸显著增大。由此可见，本发明所提出的采用低剩磁比磁芯的感应腔，在猝发多脉冲运行方面有明显的优势。
[0035]IVA感应腔工作于多脉冲输出模式时，对感应腔内部绝缘，特别是高压绝缘堆提出了更高的要求。本发明提出了一种“均压环阳极嵌入”式的堆式绝缘结构，将金属均压环8阳极侧嵌入绝缘子环中，来降低绝缘堆三结合点(金属均压环一固体绝缘材料一真空)的电场强度，优化绝缘堆电场分布，提高绝缘堆的沿面击穿电压。该绝缘堆的具体结构为如图2所示，包括多个金属均压环8及多个绝缘子环9，金属均压环与绝缘子环沿轴向依次间隔排布；绝缘子环的纵截面为直角梯形，金属均压环在与绝缘子环小端接触的一侧设置轴向突起，绝缘子环的对应位置处设置有凹槽，金属均压环通过设置在自身的轴向突起与绝缘子环上的凹槽形成镶嵌式结构。金属均压环镶嵌入绝缘子环的深度，即均压环轴向突起的长度h与绝缘子环厚度d存在特定关系。当h偏小时，达不到屏蔽三结合点电场强度的效果；当h过大时，易引起绝缘子环体击穿。通过优化设计，h约为绝缘子环厚度d的1/8?1/4。
[0036]进一步的，本发明金属均压环上设置的轴向突起的横截面形状为矩形。该形状的优点是结构简单，使金属均压环以及绝缘子上与之配合的凹槽均易于加工成形。
[0037]进一步的，本发明的金属均压环的外边缘还设置有径向突起，径向突起的内侧紧箍在两侧绝缘子环的外边缘。该结构设置的优点是便于金属均压环的定位，使绝缘子环和金属均压环位置固定，相互间不移动。
[0038]进一步的，本发明的径向突起的横截面形状为圆弧状，该形状的优点是降低金属均压环外边缘的电场强度，避免场致发射并由此引起的电击穿。
[0039]进一步的，本发明的金属均压环的内表面为向内突的圆弧面。该形状的优点是保护绝缘子环，阻挡感应腔次级发射的鞘层电子对绝缘子环的轰击。
[0040]另外，本发明的感应腔初级区域采用液体介质绝缘，本发明感应腔次级区域为真空。该结构的优点是:初级采用液体绝缘提高了感应腔的功率密度，次级采用真空绝缘便于驱动磁绝缘传输线和真空强流电子束二极管。
[0041]进一步的，本发明的馈入脉冲经角向传输线5传至阴极体，角向传输线按照“等传输阻抗等传输时间”的原则，将馈入脉冲分成四路到达阴极体外圆周，实现馈入脉冲电流均勻分布和磁芯均勻激磁。
[0042]馈入感应腔的多个延时可调的电脉冲(幅值约1MV、脉宽约60ns)由前级多脉冲发生器(Multi Pulse Generator，MPG)产生。感应腔输出脉冲间隔由MPG决定。为了提高感应腔能量传输效率，改善感应腔输出脉冲品质，要求MPG输出阻抗与感应腔阻抗基本匹配。
【权利要求】
1.一种猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，包括腔体、位于腔体内与腔体同轴布置的内筒、磁芯、阴极体及高压绝缘堆，所述内筒、阴极体及高压绝缘堆沿腔体轴向依次布置在腔体内，所述磁芯环绕内筒设置，所述高压绝缘堆外壁与感应腔的腔体内壁之间的区域为感应腔初级区域，所述高压绝缘堆内的区域为感应腔次级区域， 其特征在于:所述感应腔采用低剩比磁芯，磁芯剩磁比小于0.15，磁芯能够在脉冲间隔内自动复位，且磁芯伏秒数大于馈入感应腔的单个脉冲的伏秒积分。
2.根据权利要求1所述的猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，其特征在于:所述高压绝缘堆采用多级堆式结构，由多个金属均压环及多个绝缘子环沿腔体轴向依次级联组成；金属均压环在与绝缘子环小端接触的一侧设置轴向突起，绝缘子环在对应位置处设置有凹槽，金属均压环通过设置在自身的轴向突起与绝缘子环上的凹槽形成镶嵌的结构。
3.根据权利要求2所述的猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，其特征在于: 所述轴向突起的横截面形状为矩形。
4.根据权利要求3所述的工作于猝发多脉冲模式的兆伏级感应腔，其特征在于: 所述轴向突起的高度h约为绝缘子环厚度d的1/8?1/4。
5.根据权利要求2或3或4所述的猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，其特征在于: 所述金属均压环的外边缘还设置有径向突起，所述径向突起的内侧紧贴在两侧绝缘子环的外周。
6.根据权利要求5所述的猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，其特征在于: 所述径向突起的横截面形状为圆弧状或半圆形。
7.根据权利要求6所述的猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，其特征在于: 所述金属均压环的内侧面为向内突的圆弧面。
8.根据权利要求1所述的猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，其特征在于:所述感应腔初级区域采用液体介质绝缘，感应腔次级区域为真空。
9.根据权利要求8所述的猝发产生多脉冲的兆伏级感应腔，其特征在于:所述磁芯选用国产铁基纳米晶，剩余磁感应强度磁4 = 0.15T，饱和磁感应强度Bs = 1.25T。
【文档编号】H01F30/06GK104376965SQ201410653360
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】孙凤举, 魏浩, 王志国, 邱爱慈, 曾江涛, 尹佳辉, 梁天学, 姜晓峰 申请人:西北核技术研究所