[发明专利]一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线

说明书

技术领域

本发明涉及高功率脉冲驱动源技术领域的脉冲形成线，尤其是一种基于高储能密度液体介质的卷绕型带状脉冲形成线。

背景技术

高功率脉冲驱动源是将能量以较低的功率储存起来，通过开关、脉冲调制等技术在很短的时间内把能量释放给负载，从而在负载上获得具有特定波形的高功率电脉冲。近些年来，在高性能脉冲驱动源装置的应用需求牵引下，准方波高功率电脉冲在高功率微波、高能量脉冲激光、介质阻挡放电、冲击波发生器、材料表面改性、工业废气废水处理、生物医学以及食品杀菌消毒等众多领域获得了广泛的关注和快速的发展，并取得了丰硕的研究成果。脉冲形成线是高功率脉冲驱动源在负载上获得准方波高功率电脉冲的核心组成部分，直接决定了驱动源的工作性能和应用前景。

高功率脉冲驱动源技术领域中的脉冲形成线可以等效为一台高性能脉冲电容器，脉冲形成线所储存的能量在很大程度上决定了驱动源的应用范围，是衡量脉冲形成线工作能力的核心参量之一。根据脉冲形成线储能公式(其中，E为脉冲形成线储存的能量，C为脉冲形成线等效电容值，V为脉冲形成线的工作电压)。脉冲形成线储存的能量正比于等效电容的电容值，而电容值正比于储能介质的相对介电常数ε_r，即脉冲形成线储存的能量E与储能介质的介电常数ε_r的平方成正比。考虑到绝缘设计和应用场合对器件体积、重量等方面的要求，提高储能介质的介电常数ε_r是增加电脉冲能量、拓宽驱动源应用领域的有效途径。

脉冲形成线的电长度，即负载上获得的电脉冲半高宽(电脉冲峰值幅值的一半对应的脉冲宽度)是衡量高功率脉冲驱动源工作性能的另一核心参数，直接决定了驱动源的工作性能和应用范围。根据脉冲形成线电长度的表达式(其中，τ为脉冲形成线的电长度，l为脉冲形成线内的导体长度，c为真空中的光速)。可以看出，脉冲形成线的电长度一方面正比于储能介质的二分之一次方，另一方面正比于导体长度，即提高储能介质介电常数和增加形成线导体长度是提高驱动源负载电脉冲半高宽的重要方法。综合考虑应用场合对器件绝缘设计和体积、重量等方面的要求，提高储能介质的介电常数ε_r同样是增加脉冲形成线的电长度的有效途径。

目前，广泛使用的脉冲形成线储能介质可以分为液体介质和固体介质两大类。固体介质用作脉冲形成线的储能介质时，不需要额外进行维护。然而，这类介质通常体积大、重量大且研制成本较高。更为重要的是，固体介质发生绝缘失效时，介质表面或内部会形成放电通道，使得介质损坏，必须进行更换。部分陶瓷材料的相对介电常数可以达到数百甚至数千量级，但这类材料的绝缘能力有限，且工艺水平及工作稳定性较差，尚需进一步发展；性能相对稳定的绝缘膜类材料，介电常数小于5，储能密度相对较低；相对而言，液体介质具有储能密度较高(数十量级)、自我恢复性能好、费用低廉和形状适应性好等优点，被广泛用作高功率脉冲驱动源中脉冲形成线的储能介质。

刘锡三在《高功率脉冲技术》一书中介绍了高功率脉冲驱动源领域中脉冲形成线工作原理如图1所示。其中，1为高压导体(长度为l)，2为接地导体，Z₀和τ为分别为脉冲形成线的本征阻抗和电长度，3为储能介质(介电常数为ε_r)，4为闭合开关，5为负载(阻抗为Zr)。书中第41-45页详细阐述了脉冲形成线的电长度τ正比于高压导体1的长度l和储能介质3的介电常数ε_r。高功率脉冲驱动源中的脉冲形成线可以在开关的配合下，产生准方波电脉冲，具有重要的应用价值。当脉冲形成线的本征阻抗Z₀与负载5的阻抗Zr相等时，可以在负载5上获得电压幅值为脉冲形成线充电电压幅值一半、半高宽为脉冲形成线电长度两倍的准方波电脉冲。具有这种输出波形的高功率脉冲驱动源能够适应更为广泛的应用场合且能量效率更高，是未来该领域发展的重要方向。