基于螺旋线的紧凑型高压纳秒脉冲发生器

图 １ 内置 变 压 器 的螺 旋 形 成 线 结 构
的磁 性能 轴 向连 续且 角 向不 连续 ， 故硅 钢 片在 轴 向为整 长 ， 且在 圆周 方 向阵列排 布 。圆筒 状初 级线 圈紧邻 外磁
芯 内侧并 且彼 此 绝缘 ， 锥状 次 级线 圈位 于 初级线 圈 和螺旋 中筒之 间 。在 Ｆ Ｌ 的两端 ， 内外筒 均 短路 连 接 。螺旋 中筒 由细 线 径导 线多 起端 螺旋 密 绕而 成 ， 相邻 导线 绝缘 ， 绕 线 螺距 均 匀 。螺旋 中筒 的一 端 开 路 ， 另一 端 穿 过 内 外筒 的短 路端 面并 与 主 开关 电极 连接 ， 且 螺旋 中筒 与 内外筒 彼此 电绝 缘 。 变压 器初 级线 圈 经 由穿过 Ｆ Ｌ外筒 的接 线柱 ， 与外 部 的初级 电容和开 关形 成初 级 回路 。螺旋 Ｆ Ｌ由主体 内
冲平 顶 引入 了多个 小 振荡 。包 含 内导 体 和外屏 蔽 的 螺旋 线 可 内置 Ｔｅ ｓ ｌ ａ变压 器 ， 是 另 一种 可 实 现 一体 化 的 紧
凑结 构 ， 目前 已探 讨 了 多种具 体 结构 ： 具 有单路 输 出结 构 的螺 旋 Ｆ Ｌ， 输 出端 的螺旋 中筒连 接 主 开关 电极 、 内筒
长度 ２ ｍ。
关键词 ： 螺旋线 ； 特斯拉变压器 ； 长脉冲 ； 高 电压 ； 脉 冲功 率 中图分类号 ： Ｔ Ｎ７ ８ ２ 文 献 标 志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． １ １ ８ ８ ４ ／ ＨＰ Ｌ Ｐ Ｂ ２ ０ １ ７ ２ ９ ． １ ６ ０ ３ ７ １
潘亚峰， 张喜波， 刘 胜
（ 西 北 核 技 术研 究 所 ，高 功 率 微 波 技 术 重 点 实 验 室 ， 西安 ７ １ ０ ０ ２ ４ ）
摘
要： 提 出 了一 种 结 合 高耦 合 Ｔ ｅ ｓ ｌ ａ 变压器和螺旋形成线 （ Ｆ Ｌ ） 的 紧 凑 型 高压 纳 秒 脉 冲 发 生 器 ， 由 内置
Ｔ ｅ ｓ ｌ ａ变 压 器 充 电 的螺 旋 Ｆ Ｌ包 含 外 屏 蔽 筒 、 螺 旋 中筒 和 内导 体 筒 ， 内外 简 的两 端 均 短 路 连 接 ， 螺 旋 中 筒 的 一 端 开路 ， 另一 端 穿 过 内外 简 短 路 端 面 并 与 主 开 关 电 极 连 接 。 该 结 构 简 单 紧 凑 、 易于实 现 ， 输 出脉冲前 沿快 、 平 顶 好 。 给 出 了一 组 １ ０ ＧＷ 功 率 、 百 ｎ ｓ 脉 宽的 Ｆ Ｌ设 计 ， 采用 Ｍｉ ｄ ｅ ｌ ７ １ ３ １ 合成 酯绝缘介质 ， Ｆ Ｌ外 筒 内径 ０ ． ８ ８ ｍ，
用＿ ５ ］ 。本 文研 究 螺旋 Ｆ Ｌ两端 内外 筒均 短路 时 的脉 冲输 出特性 。
１ 螺旋 Ｆ Ｌ 的 结构 和 原 理
俄罗 斯 大 电流 所 研 制 的 Ｓ ｉ ｎ ｕ ｓ系 列 加 速
器＿ ６ 采用 高耦 合 变 压 器 开 路 磁 芯 与 同轴 脉 冲形
成线 一体 化 的 紧凑结 构 ， 该技 术 可望 拓展 应 用 于 包含 内导 体 和外 屏蔽 的螺 旋 Ｆ Ｌ结 构 ， 并 已得 到 初步 的实 验 验 证ｌ ７ ］ 。图 １所 示 的高 压 脉 冲发 生 器 由螺旋 Ｆ Ｌ、 主开关 和输 出段三 个部分 组成。
开路 ， 螺旋 中筒非 均 匀绕 制解 决 了均匀 绕 制线 时输 出平 顶 的阶梯 振荡 问题 ， 输 出平顶 明显 改善 口 ］ ， 但是 螺 旋筒
的非 均匀 绕 制带 来工 艺 和绝 缘 等 问题 ； 具 有 双路输 出结 构 的螺旋 Ｆ Ｌ， 内筒开路 端 的螺旋 中筒 连接 主开 关 电极 ， 并 与外筒 形 成 主脉 冲输 出 ， 螺 旋 中筒 开路 端 的 内外 筒形 成 副 路输 出 ， 输 出脉 冲平 顶 较 好 ， 但 双 路 输 出 限制 了应
变压 器 的开 路 同轴 内 、 外 磁 芯 分 别 以螺旋 Ｆ Ｌ 的
内导 体 和外 屏蔽 为基 筒 ， 实现 了一体 化 。磁 芯 由
大量 具有 导 磁 性 能 的数 十 ｍ 厚 的硅 钢 薄 片绝
缘粘 接 固化 而成 ， 变 压器 充 电过程 要求 磁 芯 结构
Ｆｉ ｇ ．１ ＦＬ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｐ ｉ ｒ ａ ｌ ｌ ｉ ｎｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｂｕ ｉ ｌ ｄ — ｉ ｎ Ｔｅ ｓ ｌ ａ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｛ ｏ ｒ ｍｅ ｒ
螺 旋形 成 线 （ Ｆ Ｌ ） 是 产生 高 电压 长脉 冲 的一种 常用 方法 ， 大 大缩 短 了传 统 的 同轴 Ｆ Ｌ的轴 向长 度 ， 绝 缘 可靠 安 全 。与感 应 电压 叠加 （ Ｉ ＶＡ） ， Ｍａ ｒ ｘ发生 器等 通 过 串联 输 出结 构 相 比 ， 脉 冲变 压 器直 接 产 生 高 电压 的方 式 技 术难 度 相对 较小 。螺 旋 Ｆ Ｌ与脉 冲变 压器 结合 的高压发 生器 保持 了绝 缘 的高可 靠性 和系 统 的高 重复 频率 运 行 能力， 整 体 结构 简单 ｌ ＿ １ ］ 。提高 脉 冲波 形 的品质 （ 前 沿快 、 平顶 振 荡 小 ） 是 长脉 冲产 生 的一个 重 要 研究 方 向 ， 螺 旋 Ｆ Ｉ 要 同时 解 决结 构 紧凑 和 波形 质 量 问题 。多倍 脉 宽输 出的螺 旋 重入 脉 冲形成 线 ， 重 入结 构与 原有 内置 Ｔ ｅ ｓ ｌ ａ 变压 器 的储 能外 线实 现 了一 体化 的紧凑 结构 ， 通过 增加 放 电过程 脉 冲往返 次数 拓展 输 出脉宽 ］ ， 但 同时输 出脉
第 ２ ９ 卷 第 ２期
２ ０ １ ７年 ２月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳ ＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ １ ． ２ ９ ，ＮＯ ． ２
Ｆｅ ｂ．，２ ０１ ７
基 于 螺 旋 线 的 紧ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 型 高压 纳秒 脉 冲发 生器