专利摘要

专利摘要

本发明涉及一种延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置和方法，延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置包括自内而外依次设置的预脉冲电流源、内箱体、主脉冲电流源和外箱体；所述主脉冲电流源和预脉冲电流源之间的延时时间由双组多路输出快前沿触发器控制。本发明整体采用轴心状结构，自内而外依次设置有预脉冲电流源、内箱体、主脉冲电流源和外箱体；结构紧凑体积小，大大降低了双脉冲大电流产生装置的制造难度和成本，同时也减少了装置的占地面积，适于推广应用。主脉冲电流源和预脉冲电流源之间的延时时间由双组多路输出快前沿触发器设置，可以准确控制延时时间。

权利要求

1.一种延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特征在于：包括自内而外依次设置的预脉冲电流源、内箱体、主脉冲电流源和外箱体；所述主脉冲电流源和预脉冲电流源之间的延时时间由双组多路输出快前沿触发器控制；

外箱体顶板与内箱体顶板之间设置有平板状中间高压电极，外箱体顶板、内箱体顶板和中间高压电极共同构成径向三板传输线；所述中间高压电极与位于中心的圆锥状磁绝缘传输线负高压电极连接；圆锥状磁绝缘传输线地电极与外箱体顶板相连，圆锥状磁绝缘传输线负高压电极与圆锥状磁绝缘传输线地电极之间安装负载；中间高压电极或者圆锥状磁绝缘传输线负高压电极在靠近连接处的位置开设有多个电气绝缘孔，每个电气绝缘孔内均安装一个用于连接外箱体顶板和内箱体顶板的汇流电极柱；

预脉冲电流源输出电极与中间高压电极连接，预脉冲电流源接地电极与内箱体顶板连接；主脉冲电流源输出电极与中间高压电极连接，主脉冲电流源接地电极与外箱体顶板和/或内箱体顶板连接。

2.根据权利要求1所述的延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特征在于：所述主脉冲电流源包括位于外箱体和内箱体之间的围成正N边形的N组放电支路，每组放电支路均包括外层放电支路和内层放电支路；所述外层放电支路的高压输出端与中间高压电极连接，外层放电支路的接地端与外箱体顶板连接；所述内层放电支路的高压输出端与中间高压电极连接，内层放电支路的接地端与内箱体顶板连接。

3.根据权利要求2所述的延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特征在于：所述外层放电支路和内层放电支路均由多个放电模块组成；所述放电模块包括两个相互电气隔离的主脉冲电流源支路电容和一个位于下方的主脉冲电流源支路气体开关；相邻的两个放电模块间设置有充电隔离电阻或电感；正N边形的顶点处设置有触发电缆，与外部触发电源相连。

4.根据权利要求1所述的延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特征在于：所述三板传输线通过薄膜绝缘材料或液体绝缘介质实现绝缘，所述三板传输线靠近中心处通过高压绝缘子支撑。

5.根据权利要求1所述的延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特征在于：所述预脉冲电流源包括预脉冲电流源充电支路、充电电缆和峰化回路；所述峰化回路包括预脉冲电流源峰化开关和预脉冲电流源储能电容；所述预脉冲电流源储能电容一端为接地电极板，预脉冲电流源储能电容的另一端为高压电极板；所述高压电极板与预脉冲电流源峰化开关的高压电极一端连接为一体式结构，预脉冲电流源峰化开关的另一端为预脉冲电流源输出电极；预脉冲电流源储能电容高压电极板通过充电电缆与预脉冲电流源充电支路相连；所述预脉冲电流源储能电容外设置有绝缘壳体；所述绝缘壳体和预脉冲电流源储能电容的接地电极板、高压电极板共同围成填充有气体介质的封闭腔体；所述气体介质是预脉冲电流源储能电容的高压绝缘介质，同时也是预脉冲电流源峰化开关的工作介质；所述绝缘壳体外部设置有用于连接所述接地电极板和内箱体顶板的接地壳体。

6.根据权利要求5所述的延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特征在于：所述预脉冲电流源峰化开关包括针电极和板电极；针电极和板电极之间为气体间隙，所填充的气体介质和气压均与预脉冲电流源储能电容所在的腔体相同；所述针电极安装在预脉冲电流源储能电容高压电极板中心；所述板电极为预脉冲电流源输出电极。

7.根据权利要求6所述的延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特征在于：所述预脉冲电流源充电支路包括两个支路电容器和一个气体开关；其中一个支路电容器一端与气体开关相连，另一端为支路接地电极；另一个支路电容器一端与气体开关相连，另一端为支路输出电极；气体开关的两个开关高压电极分别通过充电电阻与正负极性电源连接。

8.根据权利要求7所述的延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特征在于：所述中间高压电极上并联有N个保护电阻。

9.根据权利要求8所述的延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特征在于：所述保护电阻的阻值大于负载等效电阻的20倍。

10.一种延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】通过双组多路输出快前沿触发器设置主脉冲电流源和预脉冲电流源的延时时间T；

2】将主脉冲电流源的放电支路充电至设定电压；

3】将预脉冲电流源充电支路充电至设定电压；

4】触发双组多路输出快前沿触发器，其中一组输出脉冲传输至预脉冲电流源充电支路，使预脉冲电流源充电支路的气体开关放电击穿，然后通过充电电缆为峰化回路的预脉冲电流源储能电容充电；设定预脉冲电流源峰化开关的气体间隙气压，使预脉冲电流源峰化开关在预脉冲电流源储能电容充电至峰值电压时自击穿；预脉冲电流源输出经过负载、汇流电极柱和接地壳体构成同轴状紧凑放电回路，产生快前沿预脉冲电流；

5】经过延时时间T后，双组多路输出快前沿触发器的另一组输出脉冲传输至主脉冲电流源的放电支路，各个放电支路内放电模块的主脉冲电流源支路气体开关击穿闭合，使所有放电支路同步放电，产生高幅值主脉冲电流，通过中间高压电极和圆锥状磁绝缘传输线负高压电极后在负载上得到延时可调的双脉冲快前沿冲击电流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置和方法。

背景技术

脉冲大电流通过金属丝阵产生的Z箍缩在核武器物理、X射线辐射效应、惯性约束聚变和聚变能源等方面具有广泛需求，如美国ZR装置(26MA)、中国工程物理研究院“聚龙一号”(8MA)等。近年来，英国帝国理工大学在MAGPIE装置上的研究表明：金属丝阵先通过数十纳秒前沿的预脉冲电流(丝直径数微米、长度约2cm，单丝电流约1kA)，加热气化、形成对称均匀薄层圆柱状金属气体，延时一定时间(数十至数百ns)再通过前沿百ns的MA级脉冲大电流，可抑制等离子体不稳定性发展，有利于提高Z箍缩辐射产生的X射线功率。MAGPIE装置的预脉冲电流通过与负载并联的旁路回路分流，延时一定时间，旁路负载开路，主脉冲电流切换到丝阵负载，其幅值以及预脉冲和主脉冲之间的延时不能精确控制，导致实验成功的概率较低。法国Syrinx装置上的丝阵Z箍缩特性研究也表明，丝阵预先通过快前沿预脉冲电流，有利于改善Z箍缩负载特性，其预脉冲电流通过控制并联放电路数开关的触发时序等方法实现，预脉冲电流前沿与主脉冲电流源前沿相当，不利于形成对称均匀薄层圆柱状金属气体。

发明内容

为了解决预脉冲和主脉冲之间的电流前沿和延时不能精确控制的技术问题，本发明提供一种延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置和方法。

本发明的技术解决方案是：一种延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置，其特殊之处在于：包括自内而外依次设置的预脉冲电流源、内箱体、主脉冲电流源和外箱体；所述主脉冲电流源和预脉冲电流源之间的延时时间由双组多路输出快前沿触发器控制；

外箱体顶板与内箱体顶板之间设置有平板状中间高压电极，外箱体顶板、内箱体顶板和中间高压电极共同构成径向三板传输线；所述中间高压电极与位于中心的圆锥状磁绝缘传输线负高压电极连接；圆锥状磁绝缘传输线地电极与外箱体顶板相连，圆锥状磁绝缘传输线负高压电极与圆锥状磁绝缘传输线地电极之间安装负载；中间高压电极或者圆锥状磁绝缘传输线负高压电极在靠近连接处的位置开设有多个电气绝缘孔，每个电气绝缘孔内均安装一个用于连接外箱体顶板和内箱体顶板的汇流电极柱；

预脉冲电流源输出电极与中间高压电极连接，预脉冲电流源接地电极与内箱体顶板连接；主脉冲电流源输出电极与中间高压电极连接，主脉冲电流源接地电极与外箱体顶板和/或内箱体顶板连接。

上述主脉冲电流源包括位于外箱体和内箱体之间的围成正N边形的N组放电支路，每组放电支路均包括外层放电支路和内层放电支路；所述外层放电支路的高压输出端与中间高压电极连接，外层放电支路的接地端与外箱体顶板连接；所述内层放电支路的高压输出端与中间高压电极连接，内层放电支路的接地端与内箱体顶板连接。

上述外层放电支路和内层放电支路均由多个放电模块组成；所述放电模块包括两个相互电气隔离的主脉冲电流源支路电容和一个位于下方的主脉冲电流源支路气体开关；相邻的两个放电模块间设置有充电隔离电阻或电感；正N边形的顶点处设置有触发电缆，与外部触发电源相连。

上述三板传输线通过薄膜绝缘材料或液体绝缘介质实现绝缘，所述三板传输线靠近中心处通过高压绝缘子支撑。

上述预脉冲电流源包括预脉冲电流源充电支路、充电电缆和峰化回路；所述峰化回路包括预脉冲电流源峰化开关和预脉冲电流源储能电容；所述预脉冲电流源储能电容一端为接地电极板，预脉冲电流源储能电容的另一端为高压电极板；所述高压电极板与预脉冲电流源峰化开关的高压电极一端连接为一体式结构，预脉冲电流源峰化开关的另一端为预脉冲电流源输出电极；预脉冲电流源储能电容高压电极板通过充电电缆与预脉冲电流源充电支路相连；所述预脉冲电流源储能电容外设置有绝缘壳体；所述绝缘壳体和预脉冲电流源储能电容的接地电极板、高压电极板共同围成填充有气体介质的封闭腔体；所述气体介质是预脉冲电流源储能电容的高压绝缘介质，同时也是预脉冲电流源峰化开关的工作介质；所述绝缘壳体外部设置有用于连接所述接地电极板和内箱体顶板的接地壳体。

上述预脉冲电流源峰化开关包括针电极和板电极；针电极和板电极之间为气体间隙，所填充的气体介质和气压均与预脉冲电流源储能电容所在的腔体相同；所述针电极安装在预脉冲电流源储能电容高压电极板中心；所述板电极为预脉冲电流源输出电极。

上述预脉冲电流源充电支路包括两个支路电容器和一个气体开关；其中一个支路电容器一端与气体开关相连，另一端为支路接地电极；另一个支路电容器一端与气体开关相连，另一端为支路输出电极；气体开关的两个开关高压电极分别通过充电电阻与正负极性电源连接。

上述中间高压电极上并联有N个保护电阻，上述保护电阻的阻值大于负载等效电阻的20倍，其作用是吸收丝阵Z箍缩等离子体滞止时刻负载开路时电容器残余能量，减小主脉冲电流源放电时电容器上的反峰电压，提高电容器寿命。

本发明还提供一种延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】通过双组多路输出快前沿触发器设置主脉冲电流源和预脉冲电流源的延时时间T；

2】将主脉冲电流源的放电支路充电至设定电压；

3】将预脉冲电流源充电支路充电至设定电压；

4】触发双组多路输出快前沿触发器，其中一组输出脉冲传输至预脉冲电流源充电支路，使预脉冲电流源充电支路的气体开关放电击穿，然后通过充电电缆为峰化回路的预脉冲电流源储能电容充电；设定预脉冲电流源峰化开关的气体间隙气压，使预脉冲电流源峰化开关在预脉冲电流源储能电容充电至峰值电压时自击穿；预脉冲电流源输出经过负载、汇流电极柱和接地壳体构成同轴状紧凑放电回路，产生快前沿预脉冲电流；

5】经过延时时间T后，双组多路输出快前沿触发器的另一组输出脉冲传输至主脉冲电流源的放电支路，各个放电支路内放电模块的主脉冲电流源支路气体开关击穿闭合，使所有放电支路同步放电，产生高幅值主脉冲电流，通过中间高压电极和圆锥状磁绝缘传输线负高压电极后在负载上得到延时可调的双脉冲快前沿冲击电流。

本发明的有益效果在于：本发明整体采用轴心状结构，自内而外依次设置有预脉冲电流源、内箱体、主脉冲电流源和外箱体；结构紧凑体积小，大大降低了双脉冲大电流产生装置的制造难度和成本，同时也减少了装置的占地面积，适于推广应用。主脉冲电流源和预脉冲电流源之间的延时时间由双组多路输出快前沿触发器设置，可以准确控制延时时间。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的结构剖面示意图；

图2为本发明较佳实施例的电路连接示意图；

图3为本发明较佳实施例的主脉冲电流源结构顶面视图；

图4为本发明较佳实施例的主脉冲电流源等效电路；

图5为本发明较佳实施例的预脉冲电流源等效电路；

图6为本发明较佳实施例的预脉冲电流源输出电流波形；

图7为本发明较佳实施例的双脉冲电流波形。

其中，附图标记如下：

1－预脉冲电流源；2－主脉冲电流源；3－外箱体顶板；4－圆锥状磁绝缘传输线地电极；5－圆锥状磁绝缘传输线负高压电极；6－高压绝缘子；7－内箱体顶板；8－中间高压电极；9－汇流电极柱；10－主脉冲电流源支路电容；11－主脉冲电流源支路气体开关；12－预脉冲电流源储能电容；13－预脉冲电流源峰化开关；14－主脉冲电流源正高压充电电源引入；15－主脉冲电流源负高压充电电源引入；16－主脉冲电流源多路触发脉冲引入电缆；17－充电电缆；18－双组多路输出快前沿触发器；19－预脉冲电流源充电支路；20－负载；21－保护电阻；22－内箱体；23－外箱体。

具体实施方式

本发明提出一种产生延时时间可调的双脉冲快前沿高幅值短脉冲大电流的方法和装置。参见图1和图2，本发明较佳实施例的装置结构包括呈轴心状自内向外依次设置的预脉冲电流源1、内箱体22、主脉冲电流源2和外箱体23。内箱体22和外箱体23为同轴设置的圆柱形箱体，预脉冲电流源1位于内箱体22内部，主脉冲电流源2均匀设置于内箱体22和外箱体23之间的空腔内。主脉冲电流源2和预脉冲电流源1之间的延时时间由双组多路输出快前沿触发器18进行控制。外箱体顶板3与内箱体顶板7之间设置有平板状中间高压电极8，外箱体顶板3、内箱体顶板7和中间高压电极8共同构成径向三板传输线。三板传输线的三个极板相互之间通过薄膜绝缘材料或液体绝缘介质实现绝缘，三板传输线在靠近中心处通过高压绝缘子6支撑。中间高压电极8与位于中心的圆锥状磁绝缘传输线负高压电极5连接；圆锥状磁绝缘传输线地电极4与外箱体顶板3相连，圆锥状磁绝缘传输线负高压电极5与圆锥状磁绝缘传输线地电极4之间安装负载20；中间高压电极8或者圆锥状磁绝缘传输线负高压电极5在靠近二者连接处的位置开设有多个电气绝缘孔，每个电气绝缘孔内均安装一个用于连接外箱体顶板3和内箱体顶板7的汇流电极柱9。

主脉冲电流源2包括位于外箱体23和内箱体22之间的围成正N边形的N组放电支路，每组放电支路均包括竖直相对设置的外层放电支路和内层放电支路。外层放电支路靠近外箱体23，其高压输出端与中间高压电极8连接，外层放电支路的接地端与外箱体顶板3连接。内层放电支路靠近内箱体22，其高压输出端与中间高压电极8连接，其接地端与内箱体顶板7连接。外层放电支路和内层放电支路均由多个放电模块组成。每个放电模块均包括两个相互电气隔离的主脉冲电流源支路电容10和一个位于下方的主脉冲电流源支路气体开关11，其结构可以参考快放电直线型变压器驱动源(简称FLTD)的放电支路。相邻的两个放电模块间通过充电隔离电阻或电感进行连接；正N边形的顶点处设置有触发电缆，与外部触发电源相连。参见图3，在本实施例中，主脉冲电流源2设置为正六边形，每一边上的外层放电支路包括4个放电模块，内层放电支路包括3个放电模块，共计42个放电模块，同时放电可以获得前沿约70－200ns幅值约1MA的短脉冲大电流。

预脉冲电流源1包括预脉冲电流源充电支路19、充电电缆17和峰化回路；峰化回路又包括预脉冲电流源峰化开关13和预脉冲电流源储能电容12。预脉冲电流源储能电容12一端为接地电极板，预脉冲电流源储能电容12的另一端为高压电极板；高压电极板与预脉冲电流源峰化开关13的高压电极一端连接为一体式结构，预脉冲电流源峰化开关13的另一端为预脉冲电流源输出电极；预脉冲电流源储能电容高压电极板通过充电电缆17与预脉冲电流源充电支路19相连；预脉冲电流源储能电容12外部设置有绝缘壳体；绝缘壳体和预脉冲电流源储能电容的接地电极板、高压电极板共同围成填充有气体介质的封闭腔体。气体介质既是预脉冲电流源储能电容12的高压绝缘介质，同时也是预脉冲电流源峰化开关13的工作介质。绝缘壳体的外部还设置有用于连接接地电极板和内箱体顶板7的接地壳体。

预脉冲电流源峰化开关13包括针电极和板电极；针电极和板电极之间为气体间隙，气体间隙内所填充的气体介质和气压均与预脉冲电流源储能电容12所在的腔体相同；针电极安装在预脉冲电流源储能电容12的高压电极板中心；板电极作为预脉冲电流源输出电极与中间高压电极8连接。

预脉冲电流源充电支路19包括两个支路电容器和一个气体开关；其中一个支路电容器一端与气体开关相连，另一端为支路接地电极；另一个支路电容器一端与气体开关相连，另一端为支路输出电极；气体开关的两个开关高压电极分别通过充电电阻与正负极性电源连接。

中间高压电极8上还并联有N个保护电阻(位于正N边形的N个顶点上)，保护电阻的阻值大于负载等效电阻的20倍。其作用是吸收丝阵Z箍缩等离子体滞止时刻负载开路时电容器残余能量，减小主脉冲电流源放电时电容器上的反峰电压，提高电容器寿命。

本发明所提供的延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生方法，即前述延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置的工作过程如下：

参见图2，主脉冲电流源2和预脉冲电流源1的延时时间由前级双组多路输出100kV快前沿触发器18设置。当主脉冲电流源2的内外层放电支路电容充电至设定电压(正负40－80kV)、预脉冲电流源充电支路19充电至设定电压(正负40－80kV)后，触发双组多路输出100kV快前沿触发器18，其中1组输出脉冲通过高压同轴电缆触发预脉冲电流源的脉冲充电支路气体开关S2，使之击穿放电，通过高压同轴电缆给预脉冲电流源储能电容Cp充电，设定预脉冲电流源峰化气体间隙的气压，使预脉冲电流源储能电容Cp(5.8nF)充电至约峰值电压时刻自击穿，预脉冲电流源输出经过负载20，通过将三板传输线的接地电极(即外箱体顶板3和内箱体顶板7)连接的轴对称穿孔金属杆(即汇流电极柱9)，回流到储能电容器Cp接地箱体，构成同轴状紧凑放电回路，产生前沿约30ns幅值约20kA的预脉冲电流；按照设定延时时间，假定设置延时为100ns，双组延时可调快前沿触发器另一组输出多路快前沿触发脉冲通过主脉冲电流源多路触发脉冲引入电缆16传输到主脉冲电流源2的内外层放电支路气体开关，使所有放电支路同步放电，产生前沿约180ns幅值约1MA的主脉冲电流，再次通过负载20，这样在负载20上便得到延时可调的快前沿双脉冲大电流。

假定主脉冲电流源42个支路同步放电，主脉冲电流源和预脉冲电流源的等效电路如图4和图5所示。

当预脉冲电流源充电支路电容充电±80kV时，峰化电容为5.8nF，峰化回路电感为70nH时，丝阵等效电感2nH和电阻5Ω时的负载电流波形与峰化电容器充电电压波形如图6所示，预脉冲电流源前沿25ns，电流29kA，脉宽(FWHM)约48ns。

当双组多路输出100kV快前沿触发器设置的预脉冲电流源与主脉冲电流源触发延时为100ns时，通过负载的电流波形如图7所示。由图7中的电路仿真结果图可以看到，本实施例的延时可调双脉冲冲击电流产生装置输出的预脉冲电流约20kA，前沿约25ns，主脉冲电流约1MA，前沿约180ns。

一种延时可调双脉冲快前沿冲击电流产生装置和方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。