一种脉冲调制器的制作方法

本实用新型涉及一种脉冲调制器，属于高电压技术领域，特别指一种小型化高压大电流脉冲调制器，应用范围包括但不限于：高压脉冲产生、微波产生、x射线产生、生物医药、材料处理、环保处理、环境治理、设施农业等领域。

背景技术：

高电压技术，特别是瞬时高电压技术是一种把低电压、低功率的电能存储起来，通过升压变换和瞬时压缩后产生超高电压的技术。高压大电流脉冲调制器是一种重要的高电压产生设备，其输出电压可达几十万伏特，电流达到几千安培。目前，高压大电流脉冲调制器主要有tesla型、marx型和ltd型。marx型和ltd型高压大电流脉冲调制器属于电压叠加型，即将多个低电压叠加起来形成高电压大电流。tesla型高压大电流脉冲调制器的基本工作原理可简单表述为“升压变换，脉冲整形”。首先将电能进行低压存储，某一时刻开关导通后向tesla变压器放电，经tesla变压器升压和脉冲形成线整形后，通过导通开关向负载放电，最终在负载上产生高电压、大电流脉冲。

当前，tesla型高压大电流脉冲调制器主要用于基础科学研究，例如雷暴模拟、加速器物理、核物理和高能物理等。为了保证tesla型高压大电流脉冲调制器能够长时间稳定运行，绝缘和耐压的冗余度设计很大，同时附加额外的冷却系统，并且分立元器件较多、集成化程度低，使得整个系统的体积和重量庞大，以数吨计，无法广泛推广。

技术实现要素：

面对上述技术背景，本实用新型正是针对现有tesla型高压大电流脉冲调制器结构布局不合理、分立元器件较多、体积和重量庞大，实用化困难等问题，提出一种小型化高压大电流脉冲调制器，通过优化内部电路结构和系统性整合集成元器件，在工程上真正实现高压大电流脉冲调制器的小型化和紧凑化，为多领域、多场合的实际应用奠定基础。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一种脉冲调制器包括激光触发通道、主开关、开关绝缘支撑体、变压器原边、变压器副边、脉冲形成线外筒、脉冲形成线内筒、变压器供电端、内筒支撑体和封装外壳，其中：所述激光触发通道设置在在封装外壳的一端、且用于对接精确触发单元；所述主开关安装在封装外壳的内部、且位于靠近激光触发通道的一侧，主开关的一端连接内置变压器，主开关的另一端连接高压大电流脉冲输出口，主开关接受精确触发单元的控制以实现变压器瞬时放电；所述开关绝缘支撑体用于支撑主开关、且用于隔离主开关与脉冲形成线；所述变压器原边为多匝卷绕金属带、且设置在封装外壳的内部中侧位置；所述变压器副边为密绕细金属线构成的椎型结构、且设置在变压器原边的内部；所述脉冲形成线外筒为金属圆筒，金属圆筒的外壁连接变压器副边，金属圆筒的一端连接主开关的电极，金属圆筒的另一端开口；所述脉冲形成线内筒为圆筒状或圆柱状结构，脉冲形成线内筒通过内筒支撑体同轴布置在脉冲形成线外筒的内部；所述变压器供电端的一端连接外部电源，变压器供电端的另一端连接变压器。

优选的，所述变压器为内置脉冲形成线的同轴锥形tesla变压器。

优选的，所述主开关内部填充有1-2个大气压的高压气体，所述高压气体包括氮气、氢气、sf6气体中的一种或多种。

优选的，所述激光触发通道连通主开关的内部，激光触发通道由透光体密封、且用于隔离主开关内部的高压气体。

优选的，所述脉冲形成线外筒包括三种结构：光滑金属圆筒、刻有螺旋槽的金属圆筒、刻有周期间隔槽的金属圆筒。

优选的，所述封装外壳内部填充有高绝缘强度的液体介质。

优选的，所述主开关的电极为耐烧蚀的金属或合金材制。

优选的，还包括设置在封装外壳另一端的二极管，所述二极管的一端连接脉冲形成线内筒，二极管的另一端连接高压大电流脉冲输出口。

优选的，还包括供电电源、控制单元、储能单元和精确触发单元，其中：所述供电电源用于向控制单元、储能单元和精确触发单元提供电能；所述控制单元一方面用于控制储能单元的充电或放电，另一方面用于控制精确触发单元的启动或关闭；所述储能单元由储能开关和储能器组成，所述储能开关接受控制单元的控制，一方面将电能存储在储能器中，另一方面将储能器中电能释放至变压器；所述精确触发单元用于导通或关断主开关。

优选的，所述精确触发单元为小型可控激光器，所述小型可控激光器用于产生时间可控和强度可控的激光，激光通过激光触发通道聚焦在主开关的内部，通过电离气体使主开关受控导通。

本实用新型提出的脉冲调制器具有以下有益效果：

本实用新型提出的一种小型化高压大电流脉冲调制器，既有利于减小脉冲调制器的体积和重量，又有利于降低生产和制造成本，通过优化内部电路结构和系统性整合集成元器件，具有分离元器件数量少、体积小、重量轻等优点，小型化后的应用范围得到充分扩展，是实现高压大电流脉冲调制器广泛推广和市场化应用的前提和保障。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的组成原理图；

图2为本实用新型第一实施例的核心部件结构示意图；

图3为本实用新型第二实施例的组成原理图；

图4为本实用新型第二实施例的核心部件结构示意图；

图5为本实用新型的典型输出参数列表；

图6为本实用新型的实施例输出波形示意图。

图中，1-激光触发通道、2-主开关、3-开关绝缘支撑体、4-变压器原边、5-变压器副边、6-脉冲形成线外筒、7-脉冲形成线内筒、8-变压器供电端、9-内筒支撑体、10-封装壳体、11-二极管。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

根据附图所示，对本实用新型进行进一步说明：

实施例一

如图1和图2所示，一种脉冲调制器包括供电电源、控制单元、储能单元、内置脉冲形成线的tesla变压器、主开关和精确触发单元。其中，供电电源给控制单元、储能单元和精确触发单元等单元提供电能。控制单元完成全系统的时序触发、状态监测、能源补充、逻辑管理、应急管理、故障检测等功能，控制单元由现有fpga及外围电路组成，具体包括了a/d和d/a接口，光纤接口等，储能单元完成电能的存储和第一级能量压缩，内置脉冲形成线的tesla变压器起脉冲升压和能量传递作用，主开关完成第二级能量压缩，精确触发单元起降低系统抖动和保证精准同步运行的作用。

需要说明的是，储能单元由储能开关和储能器组成，储能开关接受控制单元的控制，一方面将电能存储在储能器中，另一方面将储能器中电能释放至变压器。本实施例中，储能器由基本的电容或电感组成，储能开关可以为晶闸管，首先将供电电源提供的电能存储在由电容、电感和电阻构成的回路中，其次当达到某一时刻时，触发晶闸管开关导通，释放所存储的电能到内置脉冲形成线的tesla变压器，完成第一级能量压缩。

需要进一步说明的是，精确触发单元用于导通或关断主开关2，本实施例中，精确触发单元为小型可控激光器，小型可控激光器用于产生时间可控和强度可控的激光，激光通过激光触发通道1聚焦在主开关2的内部，通过电离气体使主开关2受控导通。精确触发单元起降低系统抖动和保证精准同步运行的作用。

本实施例中，主开关2采用气体火花隙开关。具体的，主开关2内部填充有1-2个大气压的高压气体，高压气体包括氮气、氢气、sf6气体中的一种或多种，主开关2的电极为耐烧蚀的金属或合金材制，优先考虑：钽、钼、钨或铜钨合金。

具体的结构如下文描述：封装外壳10为调制器的金属外壳结构，外壳与地连接，对外不显电性，除主开关2内部充气体外，其余部分的内部空间均充满高绝缘强度的液体介质，可以是变压器油、甘油、乙醇、酯类或混合物，目的是保证各个部件间的电绝缘。

该外壳的一端设置有激光触发通道1，该外壳的另一端设置有高压大电流脉冲输出口，主开关2通过开关绝缘支撑体3安装在封装外壳10的内部，紧邻激光触发通道1，开关一端与内置脉冲形成线的tesla变压器相连，另一端与二极管相连。主开关一般采用气体火花隙开关，导通后完成第二级能量压缩和传递，开关绝缘支撑体3用于支撑主开关2、且用于隔离主开关2与脉冲形成线。

图中，变压器原边4为多匝卷绕金属带、且设置在封装外壳10的内部中侧位置；变压器副边5为密绕细金属线构成的椎型结构、且设置在变压器原边4的内部；脉冲形成线外筒6为金属圆筒，金属圆筒的外壁连接变压器副边5，金属圆筒的一端连接主开关2的电极，金属圆筒的另一端开口；脉冲形成线内筒7为圆筒状或圆柱状结构，脉冲形成线内筒7通过内筒支撑体9同轴布置在脉冲形成线外筒6的内部；变压器供电端8的一端连接外部电源，变压器供电端8的另一端连接变压器。

具体的，脉冲形成线同轴布置在tesla变压器的内部，

具体的，脉冲形成线外筒6包括三种结构：光滑金属圆筒、刻有螺旋槽的金属圆筒、刻有周期间隔槽的金属圆筒。

实施例二

在实施例一的基础上增加了二极管，如图3和图4所示，二极管11设置在封装外壳10的另一端，二极管11连接脉冲形成线内筒7，此方案中，二极管是整个调制器的高压大电流脉冲输出口。

实施例一和实施例二中所描述的脉冲调制器，其典型输出参数如图5所示，本实用新型提出的小型化高压大电流脉冲调制器可产生电压范围在10万伏特-50万伏特，电功率约1吉瓦特-5吉瓦特（1吉瓦特=10⁹瓦特）的电脉冲。电脉冲宽度在2纳秒-50纳秒（1纳秒=10^-9秒）之间。该小型化高压大电流脉冲调制器工作方式为脉冲串式，即一次充好电后释放有限个数的电脉冲，释放完毕后重新充电再循环。该小型化tesla型强流脉冲调制器的系统重量与输出的电参数成正比关系。例如，当电压为10万伏特，电流1千安培-2千安培，脉宽为2纳秒-5纳秒以及重复频率小于5赫兹时，系统重量可控制在10公斤以内。当电压为50万伏特，电流10千安培，脉宽为50纳秒以及重复频率大于20赫兹时，系统重量大于100公斤。

图6为应用本实用新型后得到了一种小型化高压大电流脉冲调制器输出波形。此结果是在二极管端外接1:10000的电阻分压器后经示波器实时采集获得，重复频率20赫兹，一次充好电后释放20个电脉冲。图6中，tr为上升沿，表示高压脉冲的建立速度。tp为平顶时间，表示高压脉冲的峰值持续时间。tf为下降沿，表示高压脉冲的衰减速度。重复产生约45万伏特电压时，波形一致性好。从图中可以看出，每次实时采集的结果全部叠加在一起，偏差小、吻合度高，表明系统可以稳定、可靠运行。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。