[发明专利]一种传输汇聚脉冲电流的径向三板传输线

说明书

技术领域

本发明属于高功率脉冲传输领域，涉及一种三板脉冲传输线，用于实现数十路高功率脉冲大电流的径向传输及空间汇聚，在Z箍缩等大型脉冲功率装置中具有重要应用。

背景技术

超高功率脉冲技术是在实验室获得极端高温、高压、高能量密度和强辐射等极端物理实验条件的重要手段，在材料特性实验、Z箍缩惯性约束聚变和辐射效应等前沿科学研究中具有重要应用。高功率脉冲技术从时间尺度上对能量进行压缩，在极短时间内获得超高峰值功率；另一方面，从空间尺度上对能量进行传输汇聚，在极小尺寸内获得超高功率密度。脉冲时间尺度压缩通常采用储能器件(如电容器、形成线)通过开关快速释放能量方式获得，一般需要几级压缩才能获得百纳秒量级的短脉冲，如美国Sandia国家实验室的Z和ZR、中国工程物理研究院的“聚龙一号”PTS装置等，采用Marx发生器、水介质中储电容、脉冲形成线三级压缩。近年来快脉冲直线变压器驱动源(LTD)可直接获得百纳秒的短脉冲。空间尺度方面，由于超高脉冲功率装置储能达数十至百MJ，初级储能单元体积庞大，尺寸通常在数十米以上，如美国Sandia实验室Stygar提出的用于Z箍缩聚变能源的驱动源Z－800，直径约54m，而负载尺寸(如Z箍缩丝阵负载、MagLIF磁套筒)通常仅为厘米量级，因此，必须通过高功率脉冲传输线实现能量从脉冲功率驱动源向负载的传输和汇聚。目前最常用的超高功率脉冲传输线是水介质传输线和真空磁绝缘传输线。

水介质三平板传输线在脉冲功率装置中具有重要应用。相对于同轴传输线和双平板传输线，三板传输线能够获得更低的特征阻抗，其空间利用效率更高，因而可提高能量传输密度。美国Sandia国家实验室ZR装置(26MA)和国内中国工程物理研究院PTS装置(8～10MA)均采用三平板水介质传输线，将前级脉冲功率系统输出脉冲传输至真空绝缘堆。在Sandia拟建造的下一代Z箍缩聚变能源驱动器Z-800中，也计划采用整体径向三板传输线实现90路LTD系统输出脉冲的传输和汇聚。

图1为现有的三平板传输线示意图。现有三板传输线工作电压(数MV以上)和阻抗较高(ZR和PTS装置三板线阻抗分别为4.32Ω和4Ω)。在材料动力学等熵压缩实验中，对驱动器负载电压的要求降低至数百千伏，电流仍为数十兆安，这需要特征阻抗更低的传输线来实现脉冲的传输和汇聚。因此，需要对三板线的结构进行优化，寻求阻抗小于1Ω的三板传输线结构。

发明内容

为了进一步降低目前三板传输线的特征阻抗，本发明提出一种工字型水介质高功率三板传输线，

相比于传统的三板传输线(三平板传输线和整体径向传输线)，本发明提出的工字型三板线可以进一步降低传输线特征阻抗，可实现多路脉冲电流的汇聚和传输，在下一代电流数十MA的Z箍缩和等熵压缩驱动器中具有潜在应用价值。

本发明的技术解决方案是：

本发明所提供的传输汇聚脉冲电流的径向三板传输线，其特殊之处在于：包括内电极、外电极及多个电缆插接孔。

定义径向三板传输线垂直于功率传输方向的截面为横截面，所述外电极与内电极的横截面均为工字型，且外电极开设有与内电极形状及尺寸相匹配的工字型空腔，所述内电极嵌套于外电极中且与外电极之间具有间隙；内、外电极间隙填充去离子水作为绝缘介质。

所述外电极的两侧为由工字型结构所形成的凹槽；所述多个电缆插接孔设置在外电极两侧的凹槽处。

上述内电极与外电极的横截面尺寸沿功率传输方向逐渐减小，实现大尺寸脉冲功率系统向中心负载区域(小尺寸)的功率传输和汇聚，获得空间尺度上功率压缩。

上述多个电缆插接孔对称设置在外电极两侧的凹槽处，实现工字型传输线功率密度的均匀分布，改善传输线的输出脉冲参数。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、低阻抗：本发明三板传输线的横截面呈“工”字型，本质上为三个常用的三平板传输线的并联，因此其特征阻抗降低1/3。

2、在工字型三板传输线两侧的凹槽处设置有数十个电缆插接孔，可以通过高压电缆连接多个前级放电单元，实现多个前级放电单元输出脉冲电流的叠加和汇聚。

3、调节灵活：能够根据负载的实际需要，对工字型传输线的输出电流波形进行灵活调节。改变工字型传输线馈入高压电缆的数目，以调节输出电流幅值；调整各电缆的脉冲馈入时间，可以调整输出电流上升时间。

4、使用方便：多个工字型传输线并联使用，圆周均匀布置，可进一步提高负载的输出电流幅值；多个工字型传输线串联使用，可提高负载电压。