一种串列式高重复频率脉冲产生装置的制作方法

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种串列式高重复频率脉冲产生装置。

背景技术：

脉冲功率技术在粒子加速器、等离子体技术、废水废气处理等领域都有广泛的应用。经过几十年的发展，脉冲功率源的输出峰值功率已经得到大幅提升。脉冲功率源的另一项主要技术指标之一是重复频率。随着应用的拓展，对脉冲功率源的重复频率提出了越来越高的要求。但由于受限于气体开关的绝缘恢复速度，目前脉冲功率源的重复频率一般为几十赫兹到百赫兹，最高不超过千赫兹。要提高输出脉冲的重复频率到几千赫兹以上，必须采用新的研究方法和技术路线。

2010年一篇文献公开了一种多脉冲隔离合成产生高重复频率脉冲的装置(2010ieeeinternationalpowermodulatorandhighvoltageconference，2010：413～416)，其结构如附图1所示：多台独立的脉冲功率源11的输出端都连接到同一条公共传输线13，各脉冲功率源11与公共传输线13之间采用磁环12隔离。其工作方式为：当某路脉冲源11工作时，输出脉冲首先将本路的磁环12励磁到饱和，然后输出到公共传输线13，期间其他路的磁环12阻挡了输出脉冲向其他路脉冲源11传输；若使各脉冲源11依次间隔工作，就能在公共传输线13上获得高重复频率脉冲。这种方式存在的主要问题有两方面：一是注入结构较为复杂庞大，造成脉冲高频成分损失严重，注入之后脉冲前沿从几百皮秒拖慢到纳秒量级，使得脉冲品质恶化；二是对磁隔离材料要求很高。

另一文献公开了一种串联脉冲形成线产生高重复频率脉冲的装置(太赫兹科学与电子信息学报，2016，14(3)：413～416)，如附图2所示：将多段脉冲形成线21与多个高压气体开关22依次间隔串联，然后再接输出传输线23，并通过输出端口24向外输出。工作方式：各段脉冲形成线21同时充上电，然后从输出端口24开始，各高压气体开关22依次间隔特定时间击穿。这样使得各段脉冲形成线21储存的能量依次释放，从而在输出端口24获得一串脉冲，达到在短时间内获得很高重复频率的目的。串联脉冲形成线系统存在的主要问题有两方面：一是只能产生一串脉冲序列，脉冲之间拉不开，即脉冲间隔不可调节；二是脉冲幅值衰减和前沿变缓现象严重，即脉冲品质恶化，原因是后级脉冲的传输路径上存在很多气体开关，开关的电阻电感造成了能量损耗，并拖慢脉冲前沿。

技术实现要素：

为了克服上述高重复频率脉冲装置结构复杂、脉冲品质恶化及脉冲序列单一的问题，本发明提供一种结构简单、脉冲传输路径良好的串列式高重复频率脉冲产生装置，该装置能够产生两路重复频率达到十千赫兹级的脉冲，也能够产生一路瞬时重复频率达到兆赫兹级的脉冲串。

本发明的技术解决方案是提供一种串列式高重复频率脉冲产生装置，包括一个公共传输线37、多个中筒34、多个气体开关35及绝缘介质，其特殊之处在于：

上述公共传输线37为同轴线，包括内导体33和外导体32，上述公共传输线37的两端口为两个输出端；

所述绝缘介质位于公共传输线37腔体内部；

上述中筒34为两端开口的导体圆管，中筒34的内径大于内导体33的外径，中筒34的外径小于外导体32的内径，多个中筒34依次间隔一定距离同轴设置于内导体和外导体之间(通过绝缘子，将中筒支撑在外导体内表面上，或者支撑在内导体外表面上)；

上述气体开关35的两极分别设置在中筒34外表面中部与公共传输线37外导体内表面上(与中筒外表面中部相对的部位)或者所述气体开关35的两极分别设置在中筒34内表面中部与公共传输线37内导体外表面上(与中筒内表面中部相对的部位)，且每个中筒34都对应着一个气体开关35。

气体开关是上述中筒外表面中部与上述公共传输线外导体内表面之间的径向气体间隙，或者是上述中筒内表面中部与上述公共传输线内导体外表面之间的径向气体间隙。

优选地，上述气体开关电极形状为完整环形或点状分布组成的环形，它们的状态完全一致，即击穿电压相同。

优选地，为了提高能量效率，上述公共传输线37外导体内径与中筒34外径的比值和中筒34内径与公共传输线37内导体外径的比值相等，即中筒34与外导体构成的传输线阻抗等于中筒34与内导体构成的传输线阻抗。

优选地，上述中筒个数可以为2-100个。

优选地，上述绝缘介质可以为氢气、氮气、六氟化硫等绝缘气体，其中以氢气更优。

优选地，上述内导体为实心不锈钢柱、黄铜柱或铝柱等良导体柱。

在上述本发明的高重复频率脉冲产生装置中，每个中筒与公共传输线内导体、外导体都构成了双筒脉冲形成线，其中，中筒是双筒线充电时的高压端，中筒-外导体为外线，中筒-内导体为内线，该中筒对应的气体开关作为脉冲形成开关。但与传统布鲁姆莱茵型双筒脉冲形成线不同的是，该双筒脉冲形成线的中筒是双端开口而不是单端开口，且气体开关位于脉冲形成线中部而不是端部。这种独特的结构，使得这种双筒脉冲形成线可以同时产生两路幅值与脉冲宽度都相同的脉冲，并分别向着公共传输线前后两端口传输，分别称其为前向脉冲和后向脉冲。前后向脉冲的幅值与脉冲宽度都完全相同，它们的幅值与中筒充电电压也相同。

在上述本发明的高重复频率脉冲产生装置中，多个中筒与公共传输线内外导体构成多级双筒脉冲形成线，且这些双筒脉冲形成线的气体开关击穿电压相同，即这些双筒形成线的工作电压相同。这些双筒形成线的工作方式为：从前至后依次间隔工作。

当第1级双筒脉冲形成线的气体开关导通后，产生第1个前向脉冲和第1个后向脉冲。第1个前向脉冲直接传输到本发明装置的前端口，第1个后向脉冲经过后侧所有双筒脉冲形成线向本发明装置的后端口传输。由于其他所有双筒脉冲形成线的气体开关处于开路状态，这两个脉冲将会不受阻碍地一直传输到公共传输线两端，保持其前沿和幅值不变，最终向外输出。

间隔一段时间后，第2级双筒脉冲形成线的气体开关导通后，产生第2个前向脉冲和第2个后向脉冲。由于第2个后向脉冲在向公共传输线后端传输的过程中遇到的所有气体开关仍处于开路状态，因此它将会不受阻碍地一直传输到公共传输线后端口，并保持其前沿和幅值不变。第2个前向脉冲向公共传输前端口传输过程中，会遇到第1级气体开关，而且第2个前向脉冲的一半幅值将施加在该气体开关上。此时，第1级气体开关是否击穿导通由其绝缘恢复状态决定，而其绝缘恢复状态由第2级双筒脉冲形成线和第1级脉冲形成线的工作间隔时间决定。称第1级气体开关刚好不被第2个前向脉冲击穿的工作时间间隔为“临界间隔时间”。如果工作间隔时间大于等于“临界间隔时间”，第2个前向脉冲不能将第1级气体开关击穿，其仍能不受阻碍地一直传输到公共传输线前端口，并保持其前沿和幅值不变。如果工作间隔时间小于“临界间隔时间”，第1级气体开关被第2个前向脉冲击穿，并部分阻挡第2个前向脉冲的传输，导致第2个前向脉冲幅值的衰减。对比第1级气体开关在“临界间隔时间”的绝缘电压幅值和其完全恢复后的绝缘能力可以发现，“临界间隔时间”时第1级开关的绝缘恢复仍是非常不充分的，也即：“临界间隔时间”远小于气体开关完全恢复时间。实验结果表明，对于数兆帕斯卡的高压氢气开关，这种“临界间隔时间”小于一百微秒，比完全绝缘恢复时间小一个量级。

第3级及后侧其他双筒脉冲形成线工作时的情形可以由上述分析类推得到。

综上所述，让所有双筒形成线从前至后依次间隔工作，若工作间隔时间大于等于“临界间隔时间”，则可以在公共传输线的前后两个端口都产生一串高重复频率脉冲，脉冲的时间间隔最短可小于一百微秒，对应重复频率超过十千赫兹，称之为“双端输出模式”；若工作时间间隔小于“临界间隔时间”，则公共传输线的后端口仍可以正常产生一串高重复频率脉冲，脉冲的时间间隔仅受气体开关击穿时间控制精度限制，一般该精度能到十纳秒级，故对应的重复频率最高可达数十兆赫兹，称之为“单端输出模式”。

本发明的有益效果是：

(1)本发明双筒脉冲形成线的中筒是双端开口而不是单端开口，且气体开关位于脉冲形成线中部而不是端部，这种独特的结构，使得这种双筒脉冲形成线可以同时产生两路幅值与脉冲宽度都相同的脉冲，并分别向着公共传输线前后两端口传输；

(2)公共传输线内导体上没有轴向气体开关，为产生的脉冲提供了良好的传输路径，不存在输出脉冲品质随级数增加而恶化的问题，从而使该装置容许扩展为更多级；

(3)双端输出模式时，两相邻气体开关的击穿时间间隔可比气体开关完全恢复时间小一个量级，从而能够产生两路重复频率达到十千赫兹级的脉冲，且重复频率可以在十千赫兹以内任意调节；

(4)单端输出模式时，两相邻气体开关的时间间隔仅受气体开关击穿时间控制精度限制，从而能够产生一路瞬时重复频率达到兆赫兹级的脉冲串，且重复频率可以在十千赫兹～兆赫兹范围内任意调节。

附图说明

图1为现有的一种多脉冲隔离合成产生高重复频率脉冲装置；

图2为现有的另一种串联脉冲形成线产生高重复频率脉冲装置；

图3为本发明的一种串列式高重复频率脉冲产生装置；

图4为氢气开关“临界间隔时间”实验统计数据(气压4.5mpa，间距4mm)。

图中附图标记为：11-脉冲功率源，12-磁环，13-公共传输线，21-脉冲形成线，22-高压气体开关，23-输出传输线，24-输出端口，31-前端口，32-外导体，33-内导体，34-中筒，35-气体开关，36-后端口，37-公共传输线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的串列式高重复频率脉冲产生装置做详细描述。

图3为本发明的串列式高重复频率脉冲产生装置示意图，包括一个公共传输线37、多个中筒34和多个气体开关35，其中，公共传输线37为同轴线，包括外导体32和内导体33，且前端口31和后端口36是本发明脉冲产生装置的两个输出端口；中筒34为双端开口的导体圆管，其外径小于外导体32内径，其内径大于内导体33外径，长度远小于公共传输线37的长度，且所有中筒34长度之和仍小于公共传输线长度；多个中筒34依次同轴安装于公共传输线内外导体之间(通过绝缘子，将中筒支撑在外导体内表面上，或者支撑在内导体外表面上)，相邻中筒之间具有一定间隔，且所有中筒34都完全位于公共传输线内部；气体开关35是中筒34内表面中部与内导体33外表面之间的径向气体间隙，(或者气体开关也可以是中筒34外表面中部与外导体32内表面之间的径向气体间隙)，且每个中筒34都对应着一个气体开关35；气体开关35的两个电极形状可以为完整环形或者分布式点状所组成的环形，它们的状态完全一致，即击穿电压相同。

在上述本发明的串列式高重复频率脉冲产生装置中，多个中筒34与公共传输线内导体33、外导体32构成了多级双筒脉冲形成线，并以中筒34作为双筒线充电时的高压端，气体开关35作为脉冲形成开关。但与传统布鲁姆莱茵型双筒脉冲形成线不同的是，这种双筒脉冲形成线的中筒34是双端开口，且气体开关35位于脉冲形成线中部。这种独特的结构，使得这种双筒脉冲形成线可以同时产生两路幅值与脉冲宽度都相同的脉冲。同时，由于中筒34双端开口，使得中筒34的存在不影响脉冲在公共传输线中的传输。

通过控制气体开关35的导通顺序，让这些双筒脉冲形成线从前到后依次等间隔时间工作。当间隔时间大于“临界间隔时间”时(定义第n级气体开关刚好不被第n+1个前向脉冲击穿的工作时间间隔为“临界间隔时间”，对于数兆帕斯卡的高压氢气开关，该“临界间隔时间”小于100微秒，比其完全恢复时间小一个量级)，该装置工作于双端输出模式，能够在公共传输线的前端口31和后端口36都产生重复频率达到十千赫兹级的脉冲，且重复频率可以在十千赫兹以内任意调节。当间隔时间小于“临界间隔时间”时，该装置工作于单端输出模式，虽然前端口31输出的脉冲品质开始变差，但后端口36仍能输出一路高重复频率脉冲串，并保持幅值和前沿不变。单端输出模式时，相邻双筒脉冲形成线工作时间间隔仅受气体开关35击穿时间控制精度限制，因而后端口36输出的脉冲串瞬时重复频率可达兆赫兹级，且重复频率可以在十千赫兹～兆赫兹范围内任意调节。

本发明的一个串列式高重复频率脉冲产生装置实施实例，要求的系统指标如下：

1)输出阻抗：40欧姆

2)产生功率：1gw；

3)脉冲宽度：1ns；

4)双路输出模式，重复频率：10khz；

5)单路输出模式，脉冲串瞬时重复频率：1mhz；

根据上述指标，综合物理指标、高电压绝缘和高气压密封等因素，可以确定该装置的主要参数：

1)输出脉冲的幅值为200kv，对应的中筒充电电压也为200kv。

2)双筒脉冲形成线绝缘介质采用4.5mpa的氢气。

3)气体开关采用环形电极，和双筒脉冲形成线共用腔体，故氢气压力也是4.5mpa。开关间隙选择为4mm，此时其击穿电压大约在200kv左右。

4)该装置设计为10级，即需要安装10个中筒。中筒长度300mm。中筒外直径180mm，内直径177mm。

5)最右端中筒的右端面距离公共传输线右端口50mm，最左端中筒的左端面距离公共传输线左端口50mm，相邻中筒间距离50mm。

6)公共传输线长度为3550mm。外导体内直径250mm，外直径260mm。内导体为实心不锈钢柱，外直径128mm。

在上述设计中，气体开关没有外加触发装置，因此其导通时间由中筒充电时间控制。当某个中筒充电电压到达200kv左右时，该中筒对应的气体开关自动发生击穿导通。中筒可以由各种类型的脉冲高压充电电源来充电，如tesla变压器、常规脉冲变压器和marx发生器等。若本实施实例中的中筒采用tesla变压器充电，则可以估算出其充电时间约为数微秒。

从前至后依次间隔给中筒充电，使各气体开关依次导通，从而使10级双筒脉冲形成线从前至后依次间隔工作。

双路输出模式产生两路重复频率为10khz的脉冲的过程：

1)首先给第1级中筒充电。数微秒后，第1级中筒充电电压达到200kv，第1级气体开关导通，第1级双筒脉冲形成线产生第1个前向脉冲和第1个后向脉冲，幅值均为200kv，功率为1gw，脉宽为1ns。第1个前向脉冲直接传输到公共传输线前端口，第1个后向脉冲经过后侧所有双筒脉冲形成线向公共传输线后端口传输。由于第2～10级气体开关处于开路状态，第1个后向脉冲将会不受阻碍地一直传输到公共传输线后端口，保持其前沿和幅值不变。

2)间隔100μs，第2级中筒充电。数微秒后，第2级中筒充电电压达到200kv，第2级气体开关导通，产生第2个前向脉冲和第2个后向脉冲，幅值均为200kv，功率为1gw，脉宽为1ns。由于第3～10级气体开关仍处于开路状态，因此第2个后向脉冲将会不受阻碍地一直传输到公共传输线后端，并保持其前沿和幅值不变。第2个前向脉冲向公共传输前端的传输过程中，会遇到第1级气体开关，而且第2个前向脉冲的一半幅值将施加在该气体开关上。也即，此时第1级气体开关上承受了幅值100kv、脉宽1ns的电压。此时，第1级气体开关已经经历了100μs的恢复时间，其是否发生击穿由其绝缘恢复状态决定。

下面分析第1级气体开关的绝缘恢复状态。第1级气体开关在完全恢复绝缘能力条件下，在中筒微秒级充电时的击穿电压为200kv。根据气体开关击穿电压与施加电压持续时间呈负相关的规律，在施加电压脉冲宽度为1ns条件下，完全恢复的第1级气体开关击穿电压应该远高于200kv。换个角度说，第1级气体开关应该在其绝缘恢复还很不充分的时候，就已经能够承受幅值100kv、脉宽1ns的电压。称第1级气体开关刚好不被100kv、脉宽1ns的电压击穿的绝缘恢复时间为“临界间隔时间”。图4给出了实验得到的本实例中的各级气体开关(4.5mpa氢气，间距4mm)的“临界间隔时间”的统计数据。从图4可以看出，多次实验测试得到的“临界间隔时间”分布在35～90μs。该“临界间隔时间”比高压氢气开关的完全绝缘恢复时间(毫秒级)小一个量级以上。

当第2个前向脉冲到达第1级气体开关处时，第1级气体开关已经经历了100μs的恢复时间。由于100μs的恢复时间大于“临界间隔时间”，故第1级气体开关不会击穿。于是，第2个前向脉冲仍能不受阻碍地一直传输到公共传输线前端口，并保持其前沿和幅值不变。

3)其后，再依次间隔100μs，给第3～10级中筒充电。第3～10级双筒脉冲形成线工作情形与第2级情形类似。第3～10个前后向脉冲都能不受阻碍地分别传输到公共传输线前后端口。全部10级双筒线工作后，在公共传输线前后端口都获得了10个脉冲，它们幅值200kv，功率1gw，脉宽1ns，间隔时间100μs。

4)第10级双筒线工作100μs后，再次给第1级中筒充电，并重复上述1)～3)过程。于是，在公共传输线前后端口都连续获得幅值200kv，功率1gw，脉宽1ns，间隔时间100μs脉冲。

从而，本装置输出了两路功率1gw，脉宽1ns，重复频率10khz的脉冲。通过调整相邻中筒充电的间隔时间，可以在10khz以内任意调节重复频率。比如，将相邻中筒充电的间隔时间调整为200μs，则可以获得两路5khz的脉冲。

单路输出模式产生一路瞬时重复频率为1mhz的脉冲串过程：

设中筒充电时间为5μs。

1)从0时刻开始，依次间隔1μs给第1～10级中筒充电。

2)第5μs时刻，第1级中筒充电电压达到200kv，第2～5级中筒充电电压未达到200kv，第6～10级中筒尚未开始充电。故只有第1级气体开关导通，使第1级双筒脉冲形成线产生第1个前向脉冲和第1个后向脉冲，幅值均为200kv，功率为1gw，脉宽为1ns。第1个前向脉冲直接传输到公共传输线前端口，第1个后向脉冲经过后侧所有双筒脉冲形成线向公共传输线后端口传输。由于第2～10级气体开关处于开路状态，第1个后向脉冲将会不受阻碍地一直传输到公共传输线后端口，保持其前沿和幅值不变。

3)第6μs时刻，第2级中筒充电电压达到200kv，第3～6级中筒充电电压未达到200kv，第7～10级中筒尚未开始充电。故第2级气体开关导通，产生第2个前向脉冲和第2个后向脉冲，幅值均为200kv，功率为1gw，脉宽为1ns。第2个前向脉冲向公共传输前端口传输过程中，会遇到第1级气体开关。由于此时第1级气体开关尚未恢复绝缘能力，处于导通状态，因而其将会部分阻挡第2个前向脉冲。第2个后向脉冲向公共传输后端口的传输过程中，会遇到第3～10级气体开关。由于第3～10级气体开关仍处于开路状态，因此第2个后向脉冲将会不受阻碍地一直传输到公共传输线后端口，并保持其前沿和幅值不变。

4)第3～10级双筒脉冲形成线工作情形与第2级情形类似。第7微秒时刻到第14微秒时刻，第3～10级气体开关相继导通。它们产生的前向脉冲都会被尚未恢复绝缘能力的前一级开关部分阻挡，但后向脉冲都能不受阻碍地传输到公共传输线前端口。

5)全部10级双筒线工作后，在公共传输线后端口获得了10个脉冲，它们幅值200kv，功率1gw，脉宽1ns，间隔时间1μs，瞬时重复频率1mhz。

从而，本装置输出了一路功率1gw，脉宽1ns，瞬时重复频率1mhz的脉冲串，串内脉冲数量为10个。通过增加中筒的级数，可以增加脉冲串数量。通过调整相邻中筒充电间隔时间，可以调节重复频率。比如，将相邻中筒充电间隔时间调整为5μs，则可以获得一路200khz的脉冲。脉冲串瞬时重复频率的上限取决于气体开关击穿时间控制精度。如果想要脉冲串瞬时重复频率超过兆赫兹，就必须提高气体开关击穿时间控制精度，即降低气体开关的击穿抖动时间。通过快速电触发或激光触发，可以将气体开关的击穿抖动降低到十纳秒级，从而能够获得瞬时重复频率达到数十兆赫兹的脉冲。