专利名称：圆筒形铁电体脉冲发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于脉冲功率技术领域，特别涉及一种采用爆炸冲击波作用于铁电陶瓷产生电脉冲的圆筒形铁电体脉冲发生器。
背景技术：
脉冲功率电源可以把有限的电能量在很短的时间内快速释放，从而产生一个高功率的电脉冲。脉冲功率电源在粒子加速器、高能等离子体、高功率电磁脉冲和脉冲激光发生器等技术领域中具有重要的应用。有一类特种铁电材料，通过施加压力可以把铁电相转变成反铁电相或者顺电相， 使材料迅速释放出所储存的电极化能量产生高功率的电脉冲。根据特种铁电材料的压力诱导相变特性，可以制作成小型化的铁电体脉冲发生器用于要求体积小重量轻的应用场合，如用于安全钝感电雷管组的多点同步起爆电源、高压电容器的快速充电电源、便携式电磁脉冲发生器和脉冲X射线探测器等中的脉冲功率电源。目前国内外普遍采用的是平行板式铁电体脉冲发生器。把铁电陶瓷制作或者组装成平行板形状，采用炸药爆炸成形技术产生平面冲击波加载到铁电陶瓷板上，利用铁电陶瓷的压电效应或者压致相变特性释放出电极化能量。但是，随着对输出功率要求的提高，需要的平面冲击波发生器的面积和炸药量增大，增加了铁电体脉冲发生器的制作难度和体积，制约了铁电体脉冲发生器的使用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构紧凑的圆筒形铁电体脉冲发生器，以满足对脉冲功率电源高功率和小型化的综合使用要求。本发明的技术方案是这样实现的把具有压力诱导相变特性的特种铁电陶瓷制作成中空的圆筒形状，把冲击波发生器制作成外径更小的圆柱体放置在铁电陶瓷圆筒的中心孔中。冲击波发生器产生向外传播的圆柱形冲击波作用在外围的铁电陶瓷圆筒上，迫使铁电陶瓷发生相变快速地释放出所储存的电极化能量。通过金属导线把电能量输出到外电路负载中产生高功率的电脉冲。通过上述方法可以减小冲击波发生器的体积和制作难度，同时利用外围的铁电陶瓷圆筒减缓冲击波的外泄。使铁电体脉冲发生器的结构紧凑、空间体积变小，并且为冲击波和高压电脉冲的绝缘防护带来便利。具体技术方案如下一种圆筒形铁电体脉冲发生器，由圆筒的内层至外层依次包括冲击波发生器、第一封装保护层、铁电陶瓷圆筒、第二封装保护层，在铁电陶瓷圆筒的两个端面或者内、外壁被有金属电极。进一步，铁电陶瓷圆筒采用具有能够在外加冲击压力作用下从铁电相转变成反铁电相或者顺电相并释放出电极化能量的铁电陶瓷制作，通过电极化工艺使铁电陶瓷具有剩余极化强度。进一步，所述冲击波发生器由雷管和炸药组成。进一步，所述第一、第二封装保护层采用有机绝缘材料制作。进一步，当铁电陶瓷圆筒的两个端面被有金属电极面时，铁电陶瓷的剩余极化强度方向与圆筒端面的金属电极面垂直，同时平行于圆筒的轴向方向。进一步，当铁电陶瓷圆筒的内壁和外壁被有金属电极面时，铁电陶瓷的剩余极化强度方向与圆筒内壁和外壁的金属电极面垂直，同时垂直于圆筒的轴 向方向。进一步，所述金属电极面通过烧制或者溅射的方式与铁电陶瓷圆筒紧密结合。本发明的有益效果是本发明的圆筒形铁电体脉冲发生器的优点是可以作为一种独立的功率电源自行发电无需外界供电；圆筒形铁电体脉冲发生器的结构简单紧凑、体积小重量轻，作为一种小型化脉冲功率电源适用于体积和重量受限的使用场合；根据使用需要，可以产生不同脉冲宽度的大电流或者高电压，用做高功率的电流源或者电压源。
图I是本发明圆筒形铁电体脉冲发生器的工作电路原理图。图2(a)是本发明脉冲发生器的铁电陶瓷的两端面被有金属电极面侧视图。图2(b)是本发明脉冲发生器的铁电陶瓷的两端面被有金属电极面剖面图。图3(a)是本发明脉冲发生器的铁电陶瓷的内外壁被有金属电极面侧视图。图3(b)是本发明脉冲发生器的铁电陶瓷的内外壁被有金属电极面剖面图。图中，I为铁电陶瓷，2为外电路负载，3为封装保护层，4为冲击波发生器，5为雷管，6为金属电极面。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。图I是本发明圆筒形铁电体脉冲发生器的工作电路原理图。电雷管接收到控制信号起爆冲击波发生器，冲击波发生器产生冲击波作用在铁电陶瓷I上。铁电陶瓷I发生相变释放出所储存的电极化能量，在外电路负载2中输出一个高功率的电脉冲。图2(a)是本发明脉冲发生器的铁电陶瓷的两端面被有金属电极面侧视图。箭头方向为冲击波传播方向。图2(b)是本发明脉冲发生器的铁电陶瓷的两端面被有金属电极面剖面图。此时，圆筒形铁电体脉冲发生器用做高压脉冲电源。圆筒形铁电陶瓷I的两个端面被有金属电极面6，通过金属导线与外电路负载2相连接。铁电陶瓷I的剩余极化强度方向(如图2(b)中箭头P)与陶瓷圆筒端面的金属电极面6垂直，并且平行于陶瓷圆筒的轴向方向。当冲击波发生器4沿圆筒轴向同时产生向外传播的柱状冲击波穿透封装保护层3作用到铁电陶瓷圆筒上时，铁电陶瓷I沿着冲击波传播方向发生相变释放出所储存的电极化能量，在外电路负载2中输出一个高电压的电脉冲。图2(b)中，竖向箭头为冲击波传播方向。设铁电陶瓷圆筒的平均半径云远大于陶瓷圆筒的壁厚h = R1-R2，则产生的电流强度7eP2;r；^脉冲宽度f = $其中R1是铁电陶瓷圆筒的外半径，R2是铁电陶瓷圆
r、9
筒的内半径，匕是铁电陶瓷的剩余极化强度，V是冲击波在铁电陶瓷中的传播速度。增加铁电陶瓷圆筒的平均半径及，可以增大铁电体脉冲发生器I的输出电流强度；增加铁电陶瓷圆筒的长度L，可以增加铁电体脉冲发生器I所能承受的电压幅值，从而对高阻电学负载(如电阻或者电容)输出高电压的电脉冲。图3(a)是本发明脉冲发生器的铁电陶瓷的内外壁被有金属电极面侧视图。箭头方向为冲击波传播方向。图3(b)是本发明脉冲发生器的铁电陶瓷的内外壁被有金属电极面剖面图。
圆筒形铁电陶瓷I的内壁和外壁被有金属电极面6，通过金属导线与外电路负载2相连接。铁电陶瓷的剩余极化强度方向(如图3(b)中的箭头P方向)与陶瓷圆筒的端金属电极面垂直，并且同时垂直于陶瓷圆筒的轴向方向。根据冲击波发生器产生的冲击波模式不同，铁电体脉冲发生器产生的脉冲电流强度和宽度有所不同。(I)当冲击波发生器沿圆筒轴向同时产生向外传播的圆柱形冲击波作用到铁电陶瓷圆筒上时，铁电陶瓷沿着冲击波传播方向发生相变释放出所储存的电极化能量，在外电路负载中输出一个大电流的电脉冲。设铁电陶瓷圆筒的长度L大于圆筒的壁厚Ii = R1-R2，平
均半径云=R^+R2远大于圆筒的壁厚h，则产生的电流强度/ ^ p^r1v脉冲宽度r = A
2h ,V o
增加铁电陶瓷圆筒的长度和平均半径，可以增加铁电体脉冲发生器的输出电流强度；减小铁电陶瓷圆筒的壁厚，可以增加铁电体脉冲发生器的输出电流强度和减小脉冲宽度。(2)当冲击波发生器沿着铁电陶瓷圆筒轴向逐渐产生向外传播的圆锥形冲击波作用到铁电陶瓷圆筒上时，铁电陶瓷沿着冲击波传播方向发生相变释放出所储存的电极化能量，在外电路负载中输出一个长脉宽的电流脉冲。设铁电陶瓷圆筒的长度L大于圆筒的壁
厚h，平均半径_远大于陶瓷圆筒的壁厚h，则产生的电流强度z =脉冲宽度r = l
增加铁电陶瓷圆筒的长度L，可以增大铁电体脉冲发生器的电流脉冲宽度。
权利要求
1.一种圆筒形铁电体脉冲发生器，由圆筒的内层至外层依次包括冲击波发生器、第一封装保护层、铁电陶瓷圆筒、第二封装保护层，其特征在于在铁电陶瓷圆筒的两个端面或者内、夕卜壁被有金属电极。
2.根据权利要求I所述的圆筒形铁电体脉冲发生器，其特征在于铁电陶瓷圆筒采用具有能够在外加冲击压力作用下从铁电相转变成反铁电相或者顺电相并释放出电极化能量的铁电陶瓷制作，通过电极化工艺使铁电陶瓷具有剩余极化强度。
3.根据权利要求I所述的圆筒形铁电体脉冲发生器，其特征在于所述冲击波发生器由雷管和炸药组成。
4.根据权利要求I所述的圆筒形铁电体脉冲发生器，其特征在于所述第一、第二封装保护层采用有机绝缘材料制作。
5.根据权利要求2所述的圆筒形铁电体脉冲发生器，其特征在于当铁电陶瓷圆筒的两个端面被有金属电极面时，铁电陶瓷的剩余极化强度方向与圆筒端面的金属电极面垂直，同时平行于圆筒的轴向方向。
6.根据权利要求2所述的圆筒形铁电体脉冲发生器，其特征在于当铁电陶瓷圆筒的内壁和外壁被有金属电极面时，铁电陶瓷的剩余极化强度方向与圆筒内壁和外壁的金属电极面垂直，同时垂直于圆筒的轴向方向。
7.根据权利要求I所述的圆筒形铁电体脉冲发生器，其特征在于所述金属电极面通过烧制或者溅射的方式与铁电陶瓷圆筒紧密结合。
全文摘要
本发明公开了一种圆筒形铁电体脉冲发生器的设计和制作方法。圆筒形铁电体脉冲发生器由圆筒形铁电陶瓷、圆柱形冲击波发生器以及冲击波和高电压防护绝缘层构成。采用具有压力诱导相变特性的特种铁电陶瓷制作成圆筒形状，铁电陶瓷圆筒的内外壁或者端面被有金属电极面通过金属导线与外电路负载相连接。本发明的圆筒形铁电体脉冲发生器的优点是可以作为一种独立的功率电源自行发电无需外界供电；圆筒形铁电体脉冲发生器的结构简单紧凑、体积小重量轻，作为一种小型化脉冲功率电源适用于体积和重量受限的使用场合；根据使用需要，可以产生不同脉冲宽度的大电流或者高电压，用做高功率的电流源或者电压源。
文档编号H03K3/02GK102684649SQ20121013150
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月2日 优先权日2012年5月2日
发明者冯玉军 申请人:西安交通大学