一种基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源

1.本实用新型涉及脉冲放电等离子体领域，具体是一种基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源。

背景技术：

2.金属丝电爆炸的初始阶段对快丝阵z箍缩的内爆品质和x射线产额有决定性的影响，幅值为数千安的快前沿脉冲电流驱动金属丝在数十纳秒的时间内会经历复杂的相态演变。人们利用激光探针、光谱仪和分幅相机等高时空分辨率诊断设备研究电爆炸等离子体的动力学行为，而这对脉冲功率源和诊断设备的同步及延时控制提出了极高的要求。利用气体火花开关自击穿陡化脉冲变压器的输出波形是实现输出丝阵z箍缩预脉冲水平的快前沿脉冲电流的一种常用技术方案。然而，气体火花开关自击穿时延具有较大的抖动，这阻碍了高时空分辨率诊断系统精确捕获关键时刻的物理图像。
3.为了改善气体火花开关的击穿特性，学者们对气体火花开关的击穿电压分散性、时延抖动等进行了大量的研究。虽然人们对开关结构、气压、介质恢复时间等方面开展了较为深入的研究，但气体火花开关的击穿电压和时延依然存在较大的波动。为了提高气体火花开关的稳定性，降低时延抖动，增加开关的可控性，研究者在气体火花开关中增设了触发电极。具有触发电极的气体火花开关导通时延有较大的改善，但这类开关适用于高储能电容直接对负载放电的技术方案。
4.气体火花开关的研究表明，提高脉冲电压的幅值和前沿可以有效的降低火花开关的时延抖动。人们希望能够进一步提高基于脉冲变压器的谐振充电装置的输出电压前沿来改善气体火花开关的自击穿特性。虽然通过减小充电回路电感可以提升谐振充电装置电压加载速率，但在气体火花开关自击穿陡化脉冲变压器输出前沿的技术方案中，如何改善气体火花开关自击穿电压稳定性和降低时延抖动依然是该技术方案面临的主要问题。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源。
6.本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，该功率源包括电源和谐振充电装置；
7.所述谐振充电装置包括电容c1、氢闸流管k1、可饱和脉冲变压器t、电容c2、高压二极管vd2和电容c3；
8.电源的正极接电容c1的正极，电源的负极接电容c1的负极；氢闸流管k1的阳极与电容c1的正极相连，阴极与可饱和脉冲变压器t的e端相连；可饱和脉冲变压器t的e端与f端是同相端、g端与h端是同相端；可饱和脉冲变压器t的g端接电容c1的负极同时接地；电容c2的正极接可饱和脉冲变压器t的f端，负极接高压二极管vd2的正极同时接地；高压二极管vd2的负极与可饱和脉冲变压器t的h端相连；电容c3的正极接高压二极管vd2的负极，电容c3的负
极接地；电容c3的两端用于与负载电连接。
9.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
10.(1)本实用新型利用了可饱和脉冲变压器磁芯的饱和特性，将谐振充电装置的工作过程以可饱和脉冲变压器的饱和时刻为分界点，分为电压提升和前沿陡化两个阶段，实现了变压器升压作用和磁开关陡化脉冲作用的结合，通过升压和陡化模式的转换大幅度地提升了谐振充电装置输出电压的前沿，提高了加载于气体火花开关的电压上升率，减小了气体火花开关的自击穿时延抖动。与传统的谐振充电装置相比，本发明的负载电容的电压加载速率提升了约3倍。
11.(2)输出电压前沿的提升对谐振充电装置驱动气体火花开关自击穿的工作特性带来了极大的改善。在3atm下针板电极距离5.5mm和8.5mm时，传统谐振充电装置驱动气体火花开关自击穿时延抖动超过200ns。而在相同实验条件下，本实用新型的谐振充电装置驱动气体火花开关自击穿时延抖动低于80ns。自击穿电压的分散性也由5.8％降低到3.95％。在初始充电电压为19kv、电极间距为5.5mm、气压为1atm时，气体火花开关的自击穿时延抖动可降低至13ns。
12.(3)本实用新型可以以16ns的导通时延抖动和较高的击穿电压稳定性输出前沿34ns、幅值1.74ka的脉冲电流，这有利于针对金属丝电爆炸等快丝阵z箍缩早期行为进行精确的高时空分辨率同步诊断。
13.(4)本实用新型的同轴负载腔体将功率源负载部分集成化，使装置整体做到紧凑化；同时，同轴结构减小了负载放电回路的电感，有利于增大脉冲功率源输出电流的幅值和前沿，同时腔体外壁对脉冲功率源产生的高频电磁场具有一定的屏蔽能力。
附图说明
14.图1为本实用新型的低时延抖动快脉冲功率源的电路拓扑图；
15.图2为本实用新型的同轴负载腔体的结构图。
16.图中，腔体顶盖1、回流柱2、绝缘板3、轴心低电阻导电柱4、导电螺柱5、抽气口6、观察窗7、套筒8、法兰盘9、金属丝10、罗氏线圈11、导线12、高压低电阻导电柱13、接地导电柱14、上导电壳体15、下导电壳体16、电阻分压器17、充气口18、高压探头19、bnc接口20、绝缘筒一21、绝缘筒二22、金属连接件23、导电套筒24。
具体实施方式
17.下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本实用新型权利要求的保护范围。
18.本实用新型提供了一种基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源(简称功率源)，其特征在于，该功率源包括电源和谐振充电装置；
19.所述谐振充电装置包括电容c1、氢闸流管k1、可饱和脉冲变压器t、电容c2、高压二极管vd2和电容c3；
20.电源的正极接电容c1的正极，电源的负极接电容c1的负极；氢闸流管k1的阳极(即图1中的c端)与电容c1的正极相连，阴极与可饱和脉冲变压器t的e端相连；可饱和脉冲变压器t的e端与f端是同相端、g端与h端是同相端；可饱和脉冲变压器t的g端接电容c1的负极同
时接地；电容c2的正极接可饱和脉冲变压器t的f端，负极接高压二极管vd2的正极同时接地；高压二极管vd2的负极与可饱和脉冲变压器t的h端相连；电容c3的正极接高压二极管vd2的负极，电容c3的负极接地；电容c3的两端用于与负载电连接。
21.优选地，所述电源用于给电容c1充电，包括高压直流源、保护电阻r1和高压二极管vd1；
22.高压直流源的正极(即图1中的a端)与保护电阻r1的一端相连，保护电阻r1的另一端接高压二极管vd1的正极，高压二极管vd1的负极接电容c1的正极，高压直流源的负极接c1的负极同时接地。
23.优选地，所述负载采用金属丝10(即图1中的电阻r2)；金属丝10安装于低电感的同轴负载腔体内；同轴负载腔体具有放电回路杂散电感l；
24.电容c3的正极接气体火花开关k2的针电极，气体火花开关k2的板电极接金属丝10的一端；金属丝10的另一端与电容c3的负极之间连接有放电回路杂散电感l。
25.本实施例中，c1＝40nf，c2＝c3＝1nf，r1＝12mω，氢闸流管k1的型号为tdi1-50k/35h，高压直流源型号为dw-p503-2acd1，杂散电感l＝265nh。
26.优选地，同轴负载腔体将电容c3、气体火花开关k2与金属丝10集成于一体；同轴负载腔体能够固定金属丝10同时上密封腔室为金属丝10提供真空环境，下密封腔室为气体火花开关k2提供高压环境，外部的相机通过激光诊断法透过同轴负载腔体的观察窗7拍摄金属丝10电爆炸的图像，电阻分压器17和罗氏线圈11能够测量金属丝10电爆炸过程中的电压与电流，更好的分析金属丝10的电爆炸过程。
27.优选地，所述同轴负载腔体包括回流柱2、绝缘板3、轴心低电阻导电柱4、导电螺柱5、抽气口6、观察窗7、套筒8、罗氏线圈11、高压低电阻导电柱13、接地导电柱14、上导电壳体15、下导电壳体16、电阻分压器17、充气口18、高压探头19、bnc接口20、绝缘筒一21、绝缘筒二22、金属连接件23和导电套筒24；
28.上导电壳体15、绝缘板3和下导电壳体16通过导电螺柱5连接为整体，整体为同轴结构，通过导电螺柱5实现上导电壳体15和下导电壳体16的电连接；上导电壳体15内为上密封腔室，下导电壳体16内为下密封腔室；绝缘板3设置在上导电壳体15和下导电壳体16之间，实现两个腔室彼此隔离；工作时，上密封腔室处于真空状态；工作时，下密封腔室处于高气压状态(本实施例为1-5个大气压状态)，为气体火花开关k2提供高压环境，提高击穿电压；
29.上导电壳体15上开有抽气口6，用于给上密封腔室抽气使之处于真空状态，为金属丝10提供真空环境；回流柱2沿周向均匀固定于上导电壳体15的底部内壁上，与上导电壳体15电连接；套筒8通过法兰盘9可拆卸式安装于回流柱2上，套筒8通过法兰盘9与回流柱2电连接；轴心低电阻导电柱4穿过上导电壳体15、绝缘板3和下导电壳体16，固定于绝缘板3的中心处且与上导电壳体15和下导电壳体16均不直接接触(即均不直接电连接)，通过密封胶实现上密封腔室和下密封腔室各自的密封；轴心低电阻导电柱4是金属丝10电爆炸回路的一部分，用于将气体火花开关k2与金属丝10电连接；金属丝10的两端分别固定在套筒8的底部和轴心低电阻导电柱4的顶部之间，位于上密封腔室内，并与套筒8和轴心低电阻导电柱4均电连接；上导电壳体15上设置有能够透过激光的观察窗7，正对金属丝10，用于外部的相机通过激光诊断法透过观察窗7拍摄金属丝10的电爆炸图像；
30.下导电壳体16上开有充气口18，用于给下密封腔室充气使之处于高气压状态；罗氏线圈11嵌套于轴心低电阻导电柱4上，与轴心低电阻导电柱4电连接，用于测量金属丝10电爆炸过程中通过金属丝10的电流；bnc接口20通过bnc线与罗氏线圈11电连接，外部的示波器与bnc接口20电连接，用于通过示波器读出金属丝10电爆炸过程中的电流变化；下导电壳体16开孔，孔内固定有绝缘筒一21；金属连接件23固定于绝缘筒一21中，一端与电阻分压器17可拆卸式连接，另一端设置有导电套筒24，金属连接件23与电阻分压器17和导电套筒24均电连接；导电套筒24可拆卸式固定于轴心低电阻导电柱4的外侧，且与轴心低电阻导电柱4电连接，进而实现电阻分压器17与轴心低电阻导电柱4的电连接；电阻分压器17通过bnc接口(图中未画出)与外部的示波器电连接，用于通过示波器读出金属丝10电爆炸过程中的电压变化；
31.电容c3可拆卸式固定于下导电壳体16的底部内壁的中心上，位于下密封腔室内，与下导电壳体16电连接；气体火花开关k2的针电极可拆卸式安装于电容c3的正极上，与电容c3电连接；下导电壳体16开孔，孔内固定有绝缘筒二22；高压低电阻导电柱13固定于绝缘筒二22中，一端通过导线12分别与电容c3的正极和气体火花开关k2的针电极电连接，另一端分别与高压二极管vd2的负极和高压探头19电连接，通过高压低电阻导电柱13给电容c3充电；高压探头19用于测量电容c3充放电过程中两端的电压；气体火花开关k2的板电极可拆卸式固定在轴心低电阻导电柱4的底部，与轴心低电阻导电柱4电连接；接地导电柱14安装于下导电壳体16的底部，一端同时与高压地线和高压二极管vd2的正极电连接，另一端同时与电容c3的负极和下导电壳体16电连接，实现上导电壳体15和下导电壳体16的接地，均为零电位。
32.优选地，金属连接件23的长度可调。
33.优选地，轴心低电阻导电柱4和高压低电阻导电柱13的材质均为铜，因为铜的电阻低。
34.优选地，上导电壳体15的顶部可拆卸式安装有腔体顶盖1，通过腔体顶盖1与上导电壳体15的拆装实现金属丝10的更换。
35.优选地，套筒8通过螺栓固定在法兰盘9的中心。
36.优选地，下导电壳体16分为两个部分，通过螺栓实现可拆卸式连接，便于更换不同类型的电容和罗氏线圈11。
37.本实用新型的工作原理和工作流程是：
38.气体火花开关k2导通前为开路，其两端电压的加载速率与电容c3相同，快前沿的加载电压降低了气体火花开关k2的自击穿时延抖动，提高了工作稳定性。当电容c3的正极电压升高，使气体火花开关k2导通后，电容c3经过气体火花开关k2和同轴负载腔体的放电回路杂散电感l对金属丝10放电；脉冲电流从电容c3的正极依次经过气体火花开关k2、轴心低电阻导电柱4、金属丝10、套筒8、法兰盘9、回流柱2、上导电壳体15、导电螺柱5、下导电壳体16回到电容c3的负极。由于放电回路杂散电感l较低，因此输出电流的幅值和上升率均较大，达到了丝阵z箍缩预脉冲水平。
39.开始时，氢闸流管k1不导通，高压直流源a端输出高压，经过保护电阻r1和高压二极管vd1为电容c1充电，c1正极电压升高到指定电压，此时充电回路为a-r
1-vd
1-c
1-b-a。
40.当氢闸流管k1导通后，可饱和脉冲变压器t工作在升压阶段。此时，电容c1通过可饱
和脉冲变压器t向电容c2充电，c2正极电压升高，高压二极管vd2承受正向电压而导通，其两端压降几乎为零。因此，电容c3被短路，此时充电回路为f-c
2-vd
2-‑
h-f。
41.当可饱和脉冲变压器t的磁芯饱和时，可饱和脉冲变压器t的次级绕组的充电磁动势几乎消失，初级、次级联系被切断，次级绕组自感大幅降低，高压二极管vd2受到反向电压而截止。谐振充电装置的工作状态进入脉冲前沿陡化阶段；此时充电回路为c
2-f-h-c
3-c2，电容c2通过次级绕组对电容c3充电。
42.当c3上加载的电压足以击穿气体火花开关k2时，电容c3对金属丝10放电，放电回路为c
3-k
2-r
2-l-c3。由于电容c2和电容c3的容量较小且次级绕组饱和电感远小于可饱和脉冲变压器t的漏感，因此谐振充电装置在电容c3两端输出更快前沿的电压波形。
43.本实用新型未述及之处适用于现有技术。

技术特征：

1.一种基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，该功率源包括电源和谐振充电装置；所述谐振充电装置包括电容c1、氢闸流管k1、可饱和脉冲变压器t、电容c2、高压二极管vd2和电容c3；电源的正极接电容c1的正极，电源的负极接电容c1的负极；氢闸流管k1的阳极与电容c1的正极相连，阴极与可饱和脉冲变压器t的e端相连；可饱和脉冲变压器t的e端与f端是同相端、g端与h端是同相端；可饱和脉冲变压器t的g端接电容c1的负极同时接地；电容c2的正极接可饱和脉冲变压器t的f端，负极接高压二极管vd2的正极同时接地；高压二极管vd2的负极与可饱和脉冲变压器t的h端相连；电容c3的正极接高压二极管vd2的负极，电容c3的负极接地；电容c3的两端用于与负载电连接。2.根据权利要求1所述的基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，所述电源用于给电容c1充电，包括高压直流源、保护电阻r1和高压二极管vd1；高压直流源的正极与保护电阻r1的一端相连，保护电阻r1的另一端接高压二极管vd1的正极，高压二极管vd1的负极接电容c1的正极，高压直流源的负极接c1的负极同时接地。3.根据权利要求1所述的基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，所述负载采用金属丝(10)；金属丝(10)安装于低电感的同轴负载腔体内；同轴负载腔体具有放电回路杂散电感l；电容c3的正极接气体火花开关k2的针电极，气体火花开关k2的板电极接金属丝(10)的一端；金属丝(10)的另一端与电容c3的负极之间连接有放电回路杂散电感l。4.根据权利要求3所述的基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，同轴负载腔体将电容c3、气体火花开关k2与金属丝(10)集成于一体；同轴负载腔体能够固定金属丝(10)同时上密封腔室为金属丝(10)提供真空环境，下密封腔室为气体火花开关k2提供高压环境，外部的相机透过同轴负载腔体的观察窗(7)拍摄金属丝(10)的电爆炸图像，电阻分压器(17)和罗氏线圈(11)能够测量金属丝(10)电爆炸过程中的电压与电流。5.根据权利要求3或4所述的基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，所述同轴负载腔体包括回流柱(2)、绝缘板(3)、轴心低电阻导电柱(4)、导电螺柱(5)、抽气口(6)、观察窗(7)、套筒(8)、罗氏线圈(11)、高压低电阻导电柱(13)、接地导电柱(14)、上导电壳体(15)、下导电壳体(16)、电阻分压器(17)、充气口(18)、高压探头(19)、绝缘筒一(21)、绝缘筒二(22)、金属连接件(23)和导电套筒(24)；上导电壳体(15)、绝缘板(3)和下导电壳体(16)通过导电螺柱(5)连接为整体，通过导电螺柱(5)实现上导电壳体(15)和下导电壳体(16)的电连接；上导电壳体(15)内为上密封腔室，下导电壳体(16)内为下密封腔室；绝缘板(3)设置在上导电壳体(15)和下导电壳体(16)之间，实现两个腔室彼此隔离；上导电壳体(15)上开有抽气口(6)，用于使上密封腔室处于真空状态；回流柱(2)固定于上导电壳体(15)的底部内壁上，与上导电壳体(15)电连接；套筒(8)通过法兰盘(9)安装于回流柱(2)上，与回流柱(2)电连接；轴心低电阻导电柱(4)穿过上导电壳体(15)、绝缘板(3)和下导电壳体(16)，固定于绝缘板(3)的中心处且与上导电壳体(15)和下导电壳体(16)均不直接电连接；金属丝(10)固定在套筒(8)和轴心低电阻导电柱(4)之间，位于上密封腔室内，并与套筒(8)和轴心低电阻导电柱(4)均电连接；上导电壳体(15)上设置有观察窗
(7)，正对金属丝(10)，用于外部的相机透过观察窗(7)拍摄金属丝(10)的电爆炸图像；下导电壳体(16)上开有充气口(18)，用于使下密封腔室处于高气压状态；罗氏线圈(11)与轴心低电阻导电柱(4)电连接，用于测量金属丝(10)电爆炸过程中的电流；罗氏线圈(11)通过bnc接口与外部的示波器电连接，用于通过示波器读出金属丝(10)电爆炸过程中的电流变化；下导电壳体(16)开孔，孔内固定有绝缘筒一(21)；金属连接件(23)固定于绝缘筒一(21)中，一端与电阻分压器(17)电连接，另一端设置有导电套筒(24)，且与导电套筒(24)电连接；导电套筒(24)与轴心低电阻导电柱(4)电连接；电阻分压器(17)通过bnc接口与外部的示波器电连接，用于通过示波器读出金属丝(10)电爆炸过程中的电压变化；电容c3固定于下导电壳体(16)的底部内壁的中心上，位于下密封腔室内，与下导电壳体(16)电连接；气体火花开关k2的针电极与电容c3的正极电连接；下导电壳体(16)开孔，孔内固定有绝缘筒二(22)；高压低电阻导电柱(13)固定于绝缘筒二(22)中，一端分别与电容c3的正极和气体火花开关k2的针电极电连接，另一端分别与高压二极管vd2的负极和高压探头(19)电连接，通过高压低电阻导电柱(13)给电容c3充电；高压探头(19)用于测量电容c3充放电过程中两端的电压；气体火花开关k2的板电极与轴心低电阻导电柱(4)的底部电连接；接地导电柱(14)安装于下导电壳体(16)的底部，一端同时与高压地线和高压二极管vd2的正极电连接，另一端同时与电容c3的负极和下导电壳体(16)电连接，实现上导电壳体(15)和下导电壳体(16)的接地。6.根据权利要求5所述的基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，工作时，上密封腔室处于真空状态；下密封腔室处于高气压状态，为气体火花开关k2提供高压环境，提高击穿电压。7.根据权利要求5所述的基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，金属连接件(23)的长度可调。8.根据权利要求5所述的基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，轴心低电阻导电柱(4)和高压低电阻导电柱(13)的材质均为铜。9.根据权利要求5所述的基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，上导电壳体(15)的顶部可拆卸式安装有腔体顶盖，通过腔体顶盖与上导电壳体(15)的拆装实现金属丝(10)的更换。10.根据权利要求5所述的基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，其特征在于，下导电壳体(16)分为两个部分，通过螺栓实现可拆卸式连接，便于更换不同类型的电容和罗氏线圈(11)。

技术总结

本实用新型公开了一种基于谐振充电装置的低时延抖动快脉冲功率源，包括电源和谐振充电装置；谐振充电装置包括电容C1、氢闸流管K1、可饱和脉冲变压器T、电容C2、高压二极管VD2和电容C3。本实用新型利用了可饱和脉冲变压器磁芯的饱和特性，将谐振充电装置的工作过程以可饱和脉冲变压器的饱和时刻为分界点，分为电压提升和前沿陡化两个阶段，实现了变压器升压作用和磁开关陡化脉冲作用的结合，通过升压和陡化模式的转换大幅度地提升了谐振充电装置输出电压的前沿，提高了加载于气体火花开关的电压上升率，减小了气体火花开关的自击穿时延抖动。动。动。