一种快Marx发生器型感应电压叠加器

技术领域

本发明涉及一种感应电压叠加器(Induction voltage adder,IVA)，具体涉及一种快Marx发生器型感应电压叠加器，应用于感应电压叠加原理的脉冲功率装置中，特别是IVA型高能脉冲X射线装置的研制中。

背景技术

感应电压叠加器是一种典型的高电压、大电流产生技术，其基本工作原理为原边多匝串联、复边单匝输出的脉冲变压器。前级驱动源所产生的电压脉冲(又称馈入电压)按特定时间顺序馈入至感应腔，再通过感应腔耦合至次级，并在次级上近似线性叠加，进而实现高电压、大电流的输出。

目前，国际上已建设完成一批具有代表性的IVA型脉冲功率装置，如 Hermes-III、Sygnus、RITS-3、Mercury、剑光一号等，并正在研制的数台同类型装置，如HRF、RITS-12等。对于IVA型脉冲功率装置而言，其核心技术难点在于馈入感应腔电压脉冲的时序控制和脉冲成形两个方面，据此，至今主要提出两种类型感应电压叠加器，分别为中储型和形成线型：

第一、中储型感应电压叠加器，以Hermes-III装置为典型代表，详见《Performanceof the Hermes-III Gamma Ray Simulator》(7th IEEE International Pulsed PowerConference,Monterey,California,1989,pp.26-31.)。中储型感应电压叠加器的时序控制和脉冲成形分别由两组单元部件完成，基本原理如图1所示。时序控制由激光触发主开关实现，脉冲成形由形成线、形成开关和峰化开关实现，整体采用三级脉冲压缩成形，其优点在于时序控制精度高、波形质量好、技术相对成熟；但也存在众多不足，主要有：①脉冲压缩环节多，总体功率耦合效率偏低；②大通流兆伏级主开关寿命较低，运行维护困难；③触发系统采用激光触发方式，系统复杂；④装置体积庞大、造价偏高。

第二、形成线型感应电压叠加器，以URSA装置为典型代表，《Induction VoltageAdder Architectures and Electrical Characteristics》(14th IEEE InternationalPulsed Power Conference,Dallas,Texas,2003,pp.371-378.)。形成线型感应电压叠加器的时序控制和脉冲成形功能集中于形成开关单一组件中，整体采用两级脉冲压缩成形，如图2所示。较之中储型感应电压叠加器，形成线型感应电压叠加器波形质量较高，压缩环节少、总体功率耦合效率高，装置结构紧凑、造价低。但仍然存在众多不足，主要包括：①形成开关技术难度大(低电感、低抖动和高可靠)，最高工作电压受限；②形成开关绝缘限于直径方向，明显增大脉冲压缩成形线空间需求；③兆伏级开关触发控制多、触发系统复杂；④脉冲顺序控制精度差，对前级Marx工作状态非常敏感。

综上所述，虽然针对感应电压叠加器提出了两种总体技术方案，并已获得具体工程实践，但现有方案均存在着明显的不足，尚不能完全满足大型感应电压叠加器研制需求。

发明内容

本发明提供一种快Marx发生器型感应电压叠加器，解决现有中储型和形成线型感应电压叠加器存在兆伏级触发开关多、触发系统复杂、运行维护难度大等方面的问题。本发明快Marx发生器型感应电压叠加器同时兼具中储型和形成线型感应电压叠加器在时序控制精度高、波形质量好、功率耦合效率高、结构简单紧凑等方面的优点，为基于感应电压叠加器原理的大型脉冲功率装置总体方案设计提供一种全新的参考。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种快Marx发生器型感应电压叠加器，包括快Marx发生器、混波网络和脉冲压缩成形线；所述脉冲压缩成形线包括依次设置的形成线、形成开关、传输线、峰化开关和输出线；所述快Marx发生器、混波网络和脉冲压缩成形线依次连接，多台快Marx发生器的输出端电连接至混波网络，混波网络将多台快Marx发生器的输出电脉冲混合后再并联输出至一条或多条脉冲压缩成形线，使得快Marx发生器通过混波网络直接对形成线充电；其中，快Marx发生器、混波网络用于控制感应腔馈入电压脉冲的时间顺序，形成线、形成开关和峰化开关用于控制脉冲成形。

进一步地，所述混波网络为整面导电板或镂空网络导电板，包括导电板、第一导电柱和第二导电柱；多个第一导电柱设置在导电板的一侧，且沿导电板的中心对称布置，多个第二导电柱设置在导电板的另一侧，且沿导电板的中心对称布置。

进一步地，所述快Marx发生器采用S形结构布局或直列式结构布局，采用 S形结构布局时，触发级数不少于发生器总级数的1/5，且选用级联触发方式；采用直列式结构布局时，触发级数不少于发生器总级数的1/4。

进一步地，所述快Marx发生器与混波网络的电连接、脉冲压缩成形线与混波网络的电连接均呈对称，以确保快Marx发生器对形成线充电的一致性。

进一步地，所述脉冲压缩成形线还包括截断开关，所述截断开关与峰化开关并联设置。

进一步地，所述形成开关、截断开关和峰化开关为水介质自击穿开关，呈棒-板结构或环-板结构。

进一步地，所述形成开关的自击穿时间抖动为快Marx发生器对形成线充电峰值时间的1％～2％。

进一步地，所述快Marx发生器、混波网络和脉冲压缩成形线位于同一绝缘介质环境中或位于不同绝缘介质环境，位于不同绝缘介质时，采用绝缘隔板将不同绝缘介质进行物理隔离。

进一步地，所述混波网络将多台快Marx发生器的宏观放电时间抖动降低至单台快Marx发生器的放电时间抖动的n

进一步地，所述形成线的时间长度为输出脉冲时间宽度指标的1/2。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

本发明快Marx发生器型感应电压叠加器有效兼顾了现有中储型和形成线型感应电压叠加器的特点，具有脉冲时序控制精度高、脉冲波形质量高、脉冲压缩环节少、功率耦合效率高、装置结构紧凑、工程造价低等优点，同时避免了二者方案中兆伏级触发开关的使用，大幅简化了触发系统结构，提高了装置整体运行效率，进而降低装置工程建设难度和长期运行维护成本。

附图说明

图1为现有中储型感应电压叠加器的原理图；

图2为现有形成线型感应电压叠加器的原理图；

图3为本发明快Marx发生器型感应电压叠加器的原理图；

图4为本发明混波网络的结构示意图。

附图标记：1-导电板，2-第一导电柱，3-第二导电柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明快Marx发生器型感应电压叠加器原理如图3所示，与现有中储型和形成线型感应电压叠加器相比，本发明感应电压叠加器的快Marx发生器直接能够产生峰值数兆伏、前沿数百纳秒的脉冲电压，避免了中储型方案中中储和兆伏级主开关(电触发或激光触发)的使用，同时，为了实现多台快Marx 发生器并联输出宏观抖动指标，本发明增加了混波网络，将多台快Marx发生器的输出先并联而后再分配至多条脉冲压缩成形线，理论上并联后的多台快 Marx发生器宏观抖动可降低至单台快Marx发生器放电时间抖动的n

基于上述原理，本发明快Marx发生器型感应电压叠加器的具体结构如下：

该快Marx发生器型感应电压叠加器包括快Marx发生器、混波网络和脉冲压缩成形线；脉冲压缩成形线包括依次设置的形成线、形成开关、传输线、峰化开关、输出线、以及与峰化开关并联的截断开关；上述快Marx发生器、混波网络和脉冲压缩成形线依次连接，多台快Marx发生器的输出端电连接至混波网络，混波网络将多台快Marx发生器的输出电脉冲混合后再并联输出至一条或多条脉冲压缩成形线，使得快Marx发生器通过混波网络直接对形成线充电；其中，快Marx发生器、混波网络主要用于控制感应腔馈入电压脉冲的时间顺序(简称“时序”)，形成线、形成开关和峰化开关主要用于控制脉冲成形。

本发明快Marx发生器型感应电压叠加器中，将快Marx发生器、混波网络和脉冲压缩成形线与外部设备之间进行绝缘处理。具体的，快Marx发生器、混波网络和脉冲压缩成形线可位于同一绝缘介质环境中，亦可位于不同绝缘介质环境，当位于不同绝缘介质时需要采用绝缘隔板将不同绝缘介质进行物理隔离。

本发明快Marx发生器采用“S”形结构布局或直列式结构布局。为降低发生器建立时间抖动，采用“S”形结构布局时，触发级数不少于发生器总级数的1/5，且尽量选用级联触发方式；采用直列式结构布局时，触发级数不少于发生器总级数的1/4。快Marx回路放电峰值时间要求取决于下游脉冲压缩成形线中的形成开关放电时间延迟抖动指标，通常要求其放电峰值时间小于为数百纳秒。

如图4所示，本发明混波网络具体包括导电板1、与快Marx发生器相连接第一导电柱2、与形成线相连接的第二导电柱3；多个第一导电柱2设置在导电板1的一侧，且沿导电板1的中心对称布置，第二导电柱3设置在导电板1的另一侧，且沿导电板1的中心对称布置，同时，快Marx发生器与混波网络的电连接、脉冲压缩成形线与混波网络的电连接均呈对称布局，以确保放电回路的高度一致性。混波网络具体可为整面导电板或镂空网络导电板，图4所示为一典型混波网络结构，能够有效降低快Marx发生器的宏观放电时间抖动，理想条件下，混波网络输出的宏观放电时间抖动是单台快Marx发生器放电时间抖动的n

本发明脉冲压缩成形线主要由形成线、形成开关、传输线、峰化开关、截断开关和输出线组成，形成开关为自击穿开关，无需外围的触发控制单元；为减小形成开关自击穿时间抖动，快Marx发生器对形成线的充电时间需要足够小，通常情况下，形成开关自击穿时间抖动为快Marx发生器对形成线充电峰值时间的1％～2％。

基于上述结构描述，本发明感应腔馈入电压脉冲时序主要由快Marx发生器和混波网络控制，脉冲成形主要由形成线、形成开关和峰化开关实现；快 Marx发生器放电脉冲峰值时间仅约数百纳秒，且多台快Marx发生器通过混波网络并联混合后再输出；同时，脉冲压缩成形线中无需中储电容，快Marx发生器通过混波网络直接对形成线充电；形成开关采用自击穿开关，无需外围触发系统控制，自击穿放电时间延迟抖动可低至数纳秒。

本发明快Marx发生器型感应电压叠加器中，仅快Marx发生器需要提供1 路小于300kV的外触发信号，无其它兆伏级开关激光触发或者电触发需求，大幅简化了触发系统结构；同时用混波网络取代了数米结构尺寸的中储和主开关，避免了主开关部件存在的寿命低(小于150发次)、维护频繁问题，大幅降低了装置工程建设难度和后期运行维护成本。同时，本发明用快Marx发生器和混波网络取代了中储型总体技术方案中的大储能慢Marx发生器、中间储能电容和激光触发主开关的功能。快Marx发生器可采用紧凑型结构设计以减小Marx等效电感L，单台Marx发生器等效为对单条脉冲压缩成形线充电，以减小Marx等效容量C，进而减小Marx回路放电时间π·(L·C)

本发明以9MV/360kA感应电压叠加器总体方案为例，详细介绍本发明各特征之间的关系。方案整体由快Marx发生器、混波网络、脉冲压缩成形线、感应腔、次级和负载组成。

快Marx发生器呈直列式结构，由15级放电单元组成，其中触发级数为5 级，自击穿级数为10级；每级放电单元由1只±100kV高功率气体开关和4只 100kV/80nF双端引出塑壳电容器组成，4只电容器在电气上呈两并两串连接；每台Marx发生器输出端均设置两个电连接触头，用于与下游混波网络的电连接。

混波网络为一中间镂空的矩形环板结构，每8台Marx发生器分为一组，通过其输出端的触头电连接至混波网络一侧；混波网络另一侧与8条水介质脉冲压缩成形线连接；8台Marx发生器和8条水线在混波网络两侧均呈对称分布，以确保Marx发生器对形成线充电的一致性。

脉冲压缩成形线为同轴形水介质绝缘线(以下简称“水线”)，包括形成线、形成开关、传输线、峰化开关、截断开关和输出线；形成线长度取决于输出电压脉冲脉宽需求，其时间长度为输出脉冲时间宽度指标的1/2；形成开关、峰化开关和截断开关均为水介质自击穿开关，呈棒-板结构或环-板结构；截断开关在实现脉冲宽度调整功能的同时，还具有一定的预脉冲抑制功能；水介质传输线各段阻抗均为5Ω。

单台Marx发生器对形成线充电峰值电压最高可达2.8MV、充电峰值时间约235ns；水介质脉冲压缩成形线输出电压最高可达1.3MV、脉冲宽度约40ns。

感应腔呈圆环体结构，等效阻抗约4.8Ω；每台感应腔由两条水介质脉冲压缩成形线驱动，其电压耦合效率约为90％；每4台感应腔集成为一组，与上游8条水线对称连接；次级为悬臂支撑的直径呈阶梯状减小的圆筒结构，其中心轴线与感应腔内壁圆环同轴线，采用磁绝缘工作机制，每级感应腔对应的次级运行阻抗为3.0Ω。

方案整体由12级感应腔串联组成，每4级感应腔分为一组，每组感应腔馈入脉冲时间相同，每组之间相差一个理想时序，即4级感应腔沿轴线的真空电长度；次级首端运行阻抗为3.0Ω，逐级递增，每级增加3.0Ω，输出端阻抗达 36.0Ω，最终驱动负载；负载依据辐射场技术指标要求，可以是多种类型的，包括伽马二极管、照相二极管、Z箍缩负载、三极管等，但其等效阻抗需小于 36.0Ω，同时需考虑负载产物对感应腔的污染问题；以负载等效阻抗30.0Ω为例，感应腔馈入电压峰值约1.0MV条件下，负载电压峰值约10.8MV、电流约360kA，能够较好地满足方案总体设计目标。