一种用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关

摘要

本发明涉及一种用于方波发生器的开关，特别涉及一种用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，解决了现有用于方波发生器的开关不能同时兼顾快前沿和高电压的技术问题。该开关包括开关单元、第一电缆固定结构及第二电缆固定结构；开关单元包括金属外筒、套装在金属外筒内的绝缘筒、动电极单元、绝缘的动电极单元限位套筒、静电极、绝缘的静电极限位套筒及套装在金属外筒外部的驱动线圈单元；绝缘筒内孔包括自左向右排布的动电极单元安装段、中间段及静电极安装段；动电极单元限位套筒、动电极单元自左向右设置在动电极单元安装段内；静电极、静电极限位套筒自左向右设置在静电极安装段内；驱动线圈通电，动电极向静电极方向运动，产生放电。

权利要求

1.一种用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，其特征在于：包括开关单元(2)、第一电缆固定结构(1)以及第二电缆固定结构(3)；

所述开关单元(2)包括金属外筒(12)、绝缘筒(13)、动电极单元、动电极单元限位套筒(4)、静电极(14)、静电极限位套筒(15)以及驱动线圈单元；

所述绝缘筒(13)套装在金属外筒(12)内部；所述绝缘筒(13)的内孔包括自左向右依次设置的动电极单元安装段、中间段以及静电极安装段；所述中间段的径向尺寸小于动电极单元安装段和静电极安装段的径向尺寸；

所述动电极单元包括动电极金属套(9)、动电极(11)、动电极底座(5)以及动电极复位弹簧(10)；

所述动电极金属套(9)为桶状；

所述动电极(11)设置在动电极金属套(9)内部；在所述动电极金属套(9)的桶底设置有过孔，动电极(11)的大端与动电极金属套(9)的桶内壁之间、动电极(11)的小端与所述过孔之间均为滑动摩擦连接；

所述动电极底座(5)为电导体，其与动电极金属套(9)的桶口一端固连且二者间电连接，用于对动电极(11)轴向限位并传导电流；

所述动电极复位弹簧(10)设置在动电极(11)的大端与动电极金属套(9)的桶底之间；

所述动电极单元限位套筒(4)、动电极单元自左向右依次设置在动电极单元安装段内，且动电极金属套(9)桶底一端端面与所述中间段端面重合；所述动电极单元限位套筒(4)为绝缘材料，且其与绝缘筒(13)固连，用于对动电极单元轴向限位；

所述静电极(14)、静电极限位套筒(15)自左向右依次设置在静电极安装段内；所述静电极限位套筒(15)为绝缘材料，且与绝缘筒(13)固连，通过静电极限位套筒(15)及所述中间段对静电极(14)轴向限位；

所述驱动线圈单元包括驱动线圈(8)；所述驱动线圈(8)套装在金属外筒(12)的外部，且位于与动电极(11)相适配的位置；驱动线圈(8)通电后，动电极(11)在电磁力的驱动下向静电极(14)方向运动，产生放电，开关导通；

所述动电极单元限位套筒(4)和静电极限位套筒(15)的内孔尺寸，其中之一与待连接脉冲形成线的电缆芯径向尺寸相适配，另一个与待连接脉冲传输线的电缆芯径向尺寸相适配；

所述第一电缆固定结构(1)用于将待连接脉冲形成线的外金属层与金属外筒(12)固定且电连接；

所述第二电缆固定结构(3)用于将待连接脉冲传输线的外金属层与金属外筒(12)固定且电连接。

2.根据权利要求1所述的用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，其特征在于：所述驱动线圈单元还包括驱动线圈绕轴(7)以及两个驱动线圈限位块(6)；

所述驱动线圈(8)缠绕在驱动线圈绕轴(7)上，通过驱动线圈绕轴(7)套装在金属外筒(12)的外部，驱动线圈绕轴(7)与金属外筒(12)之间间隙配合；

两个所述驱动线圈限位块(6)均套装在金属外筒(12)的外部，在驱动线圈绕轴(7)的两端外侧各分布一个。

3.根据权利要求2所述的用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，其特征在于：所述驱动线圈绕轴(7)的两端设置有驱动线圈限位凸缘。

4.根据权利要求2所述的用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，其特征在于：所述动电极底座(5)与动电极金属套(9)之间通过螺纹连接。

5.根据权利要求2所述的用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，其特征在于：所述动电极复位弹簧(10)为螺旋弹簧，其套装在动电极(11)的小端上。

说明书

一种用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于方波发生器的开关，特别涉及一种用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关。

背景技术

[0002] 脉冲功率技术正向着更高电压和更陡脉冲的方向发展，在脉冲功率技术领域，常用分压器来测量高压脉冲波形。为了使测量得到的波形准确可信，必须利用方波发生器对分压器进行标定实验。对方波发生器的要求是能够输出上升沿尽可能陡的平顶波，并且幅值尽可能高。

[0003] 参见图1，方波发生器主要由直流高压源、脉冲形成线、开关和脉冲传输线组成，直流高压源向脉冲形成线充电后，开关导通，通过脉冲传输线在匹配负载上产生方波信号。开关段电感是影响方波上升沿的主要因素，实现亚纳秒方波的输出，要求开关段电感非常低，以50Ω负载阻抗为例，上升沿1ns，放电电感不能大于22.7nH。亚纳秒方波发生器一般采用水银开关、高压气体开关或者薄膜开关作为放电开关，水银开关可实现前沿小于1ns，但是其工作电压一般不超过2kV。高压气体开关体积较大，很难做到低电感回路，一般难以实现亚纳秒输出，并且开关需要充高压气体，需配置储气和充气系统，造成设备体积庞大，使用不便。薄膜开关工作电压较高，但是薄膜只能单次使用，每次放电之后都要换膜，操作非常复杂，因此目前并没有成熟产品。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，通过一体化同轴设计，使开关和脉冲形成线在结构上更加紧凑，减小了放电回路电感，从而满足快前沿的要求，以解决现有用于方波发生器的开关不能同时兼顾快前沿和高电压的技术问题。

[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，其特殊之处在于：

[0006] 包括开关单元、第一电缆固定结构以及第二电缆固定结构；

[0007] 所述开关单元包括金属外筒、绝缘筒、动电极单元、动电极单元限位套筒、静电极、静电极限位套筒以及驱动线圈单元；

[0008] 所述绝缘筒套装在金属外筒内部；所述绝缘筒的内孔包括自左向右依次设置的动电极单元安装段、中间段以及静电极安装段；所述中间段的径向尺寸小于动电极单元安装段和静电极安装段的径向尺寸；

[0009] 所述动电极单元包括动电极金属套、动电极、动电极底座以及动电极复位弹簧；

[0010] 所述动电极金属套为桶状；

[0011] 所述动电极设置在动电极金属套内部；在所述动电极金属套的桶底设置有过孔，动电极的大端与动电极金属套的桶内壁之间、动电极的小端与所述过孔之间均为滑动摩擦连接；

[0012] 所述动电极底座为电导体，其与动电极金属套的桶口一端固连且二者间电连接，用于对动电极轴向限位并传导电流；

[0013] 所述动电极复位弹簧设置在动电极的大端与动电极金属套的桶底之间；

[0014] 所述动电极单元限位套筒、动电极单元自左向右依次设置在动电极单元安装段内，且动电极金属套桶底一端端面与所述中间段端面重合；所述动电极单元限位套筒为绝缘材料，且其与绝缘筒固连，用于对动电极单元轴向限位；

[0015] 所述静电极、静电极限位套筒自左向右依次设置在静电极安装段内；所述静电极限位套筒为绝缘材料，且与绝缘筒固连，通过静电极限位套筒及所述中间段对静电极轴向限位；

[0016] 所述驱动线圈单元包括驱动线圈；所述驱动线圈套装在金属外筒的外部，且位于与动电极相适配的位置；驱动线圈通电后，动电极在电磁力的驱动下向静电极方向运动，产生放电，开关导通；

[0017] 所述动电极单元限位套筒和静电极限位套筒的内孔尺寸，其中之一与待连接脉冲形成线的电缆芯径向尺寸相适配，另一个与待连接脉冲传输线的电缆芯径向尺寸相适配；

[0018] 所述第一电缆固定结构用于将待连接脉冲形成线的外金属层与金属外筒固定且电连接；

[0019] 所述第二电缆固定结构用于将待连接脉冲传输线的外金属层与金属外筒固定且电连接。

[0020] 进一步地，所述驱动线圈单元还包括驱动线圈绕轴以及两个驱动线圈限位块；

[0021] 所述驱动线圈缠绕在驱动线圈绕轴上，通过驱动线圈绕轴套装在金属外筒的外部，驱动线圈绕轴与金属外筒之间间隙配合；

[0022] 两个所述驱动线圈限位块均套装在金属外筒的外部，在驱动线圈绕轴的两端外侧各分布一个。

[0023] 进一步地，所述驱动线圈绕轴的两端设置有驱动线圈限位凸缘。

[0024] 进一步地，所述动电极底座与动电极金属套之间通过螺纹连接。

[0025] 进一步地，所述动电极复位弹簧为螺旋弹簧，其套装在动电极的小端上。

[0026] 进一步地，所述第一电缆固定结构包括第一法兰和第一锁紧件；

[0027] 所述第一法兰包括第一法兰盘和垂直固定设置在第一法兰盘上的第一凸台；所述第一凸台与第一法兰盘连接一端为圆柱，其另一端为锥台；所述第一凸台上设置有与自身同轴的第一通孔，所述第一通孔的径向尺寸与待连接脉冲形成线的外金属层的径向尺寸相适配；在所述第一凸台的圆柱端设置有外螺纹，在其锥台端的锥面上沿母线方向设有开槽；

[0028] 所述第一锁紧件上设有与第一凸台锥台端相配合的第一锥台孔，和与第一凸台圆柱端外螺纹相配合的第一螺纹孔；

[0029] 所述第一电缆固定结构通过第一法兰与金属外筒连接。

[0030] 进一步地，所述第二电缆固定结构包括第二法兰和第二锁紧件；

[0031] 所述第二法兰包括第二法兰盘和垂直固定设置在第二法兰盘上的第二凸台；所述第二凸台与第二法兰盘连接一端为圆柱，其另一端为锥台；所述第二凸台上设置有与自身同轴的第二通孔，所述第二通孔的径向尺寸与待连接脉冲传输线的外金属层的径向尺寸相适配；在所述第二凸台的圆柱端设置有外螺纹，在其锥台端的锥面上沿母线方向设有开槽；

[0032] 所述第二锁紧件上设有与第二凸台锥台端相配合的第二锥台孔，和与第二凸台圆柱端外螺纹相配合的第二螺纹孔；

[0033] 所述第二电缆固定结构通过第二法兰与金属外筒连接。

[0034] 本发明的有益效果是：

[0035] (1)本发明通过将脉冲形成线、开关单元以及脉冲传输线一体化结构设计，将驱动线圈外置在同轴线外侧，通过电磁力驱动动电极，这种设计有效减小了开关段尺寸，具有结构紧凑，可最大限度的减小回路电感，实现了方波发生器快前沿输出的功能，而且其工作电压高，其最快上升沿可达到0.3ns，幅值可达到20kV，且可重复使用；因此，解决了现有用于方波发生器的开关不能同时兼顾快前沿和高电压的技术问题。

[0036] (2)本发明通过合理的绝缘设计，使脉冲传输线与脉冲形成线之间类似一个同轴电缆，解决了开关沿面闪络问题，有效提高了方波发生器输出电压。

[0037] (3)本发明驱动线圈绕轴和金属外筒之间间隙配合，这样可方便调整驱动线圈相对于动电极的轴向位置，进而调整驱动线圈通电后对动电极电磁力的大小。

[0038] (4)本发明第一电缆固定结构包括第一法兰和第一锁紧件，通过第一锁紧件将脉冲形成线的外金属层与第一法兰中的第一凸台同轴锁紧，然后通过第一法兰与金属外筒固定且电连接；第二电缆固定结构包括第二法兰和第二锁紧件，通过第二锁紧件将脉冲传输线的外金属层与第二法兰中的第二凸台同轴锁紧，然后通过第二法兰与金属外筒固定且电连接；这样同轴性更好，更易实现快前沿输出的功能。

[0039] (5)本发明通过合理设计开关段内外直径，调整开关段阻抗，可实现脉冲形成线和开关段阻抗匹配，在阻抗匹配的情况下，不容易引起波形畸变。

[0040] (6)本发明采用电磁驱动的机械开关作为放电开关，具有触发方便、快捷、可靠的优点。驱动线圈与主回路开关没有物理连接，不参与主回路放电，有效降低了主回路开关尺寸，降低放电电感，从而更容易实现快前沿输出。

附图说明

[0041] 图1是方波发生器的原理图；

[0042] 图2是本发明实施例的整体结构示意图；

[0043] 图3是本发明实施例中开关单元的结构示意图。

[0044] 图中各标号的说明如下：

[0045] 1-第一电缆固定结构，2-开关单元，3-第二电缆固定结构，4-动电极单元限位套筒，5-动电极底座，6-驱动线圈限位块，7-驱动线圈绕轴，8-驱动线圈，9-动电极金属套，10-动电极复位弹簧，11-动电极，12-金属外筒，13-绝缘筒，14-静电极，15-静电极限位套筒。

具体实施方式

[0046] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0047] 参见图2，本发明一种用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，其结构包括开关单元2、第一电缆固定结构1以及第二电缆固定结构3。

[0048] 参见图3，开关单元2包括金属外筒12、绝缘筒13、动电极单元、动电极单元限位套筒4、静电极14、静电极限位套筒15以及驱动线圈单元。

[0049] 绝缘筒13套装在金属外筒12内部；绝缘筒13的内孔包括自左向右依次设置的动电极单元安装段、中间段以及静电极安装段；中间段的径向尺寸小于动电极单元安装段和静电极安装段的径向尺寸。

[0050] 上述动电极单元包括动电极金属套9、动电极11、动电极底座5以及动电极复位弹簧10；动电极金属套9为桶状；动电极11设置在动电极金属套9内部；在动电极金属套9的桶底设置有过孔，动电极11的大端与动电极金属套9的桶内壁之间、动电极11的小端与上述过孔之间均为滑动摩擦连接；动电极底座5为电导体，其与动电极金属套9的桶口一端固连且二者间电连接，用于对动电极11轴向限位并传导电流；在本实施例中，动电极底座5与动电极金属套9之间通过螺纹连接。动电极复位弹簧10设置在动电极11的大端与动电极金属套9的桶底之间，用于动电极11的复位，在本实施例中，动电极复位弹簧10为螺旋弹簧，其套装在动电极11的小端上。

[0051] 动电极单元限位套筒4、动电极单元自左向右依次设置在动电极单元安装段内，且动电极金属套9桶底一端端面与上述中间段端面重合；动电极单元限位套筒4为绝缘材料，且其与绝缘筒13固连，用于对动电极单元轴向限位。静电极14、静电极限位套筒15自左向右依次设置在上述静电极安装段内；静电极限位套筒15为绝缘材料，且与绝缘筒13固连，通过静电极限位套筒15及上述中间段对静电极14轴向限位。

[0052] 上述驱动线圈单元包括驱动线圈8、驱动线圈绕轴7以及两个驱动线圈限位块6；驱动线圈8缠绕在驱动线圈绕轴7上，为了方便对驱动线圈8缠绕时的限位，在驱动线圈绕轴7的两端设置有驱动线圈限位凸缘；驱动线圈8通过驱动线圈绕轴7套装在金属外筒12的外部，并位于与动电极11相适配的位置；为了方便调整驱动线圈8相对于动电极11的位置，进而调整其通电后，对于动电极11电磁力的大小，驱动线圈绕轴7与金属外筒12之间间隙配合，调整好位置后，通过上述两个驱动线圈限位块6对驱动线圈绕轴7进行轴向限位，两个上述驱动线圈限位块6均套装在金属外筒12的外部，在驱动线圈绕轴7的两端外侧各分布一个。驱动线圈8通电后，动电极11在电磁力的驱动下向静电极14方向运动，产生放电，开关导通。

[0053] 上述动电极单元限位套筒4和静电极限位套筒15的内孔尺寸，其中之一与待连接脉冲形成线的电缆芯径向尺寸相适配，另一个与待连接脉冲传输线的电缆芯径向尺寸相适配；上述第一电缆固定结构1用于将待连接脉冲形成线的外金属层与金属外筒12固定且电连接；上述第二电缆固定结构3用于将待连接脉冲传输线的外金属层与金属外筒12固定且电连接。使用时，脉冲形成线(一般为同轴电缆)和脉冲传输线(一般为同轴电缆)一端剥掉外皮金属层后分别从两端插入开关单元2，分别由第一电缆固定结构1和第二电缆固定结构3固定；同轴电缆芯分别与动电极底座5和静电极14电连接，同轴电缆外金属层分别通过第一电缆固定结构1和第二电缆固定结构3与金属外筒12电连接。

[0054] 在本实施例中，为了使脉冲形成线和脉冲传输线的同轴度更好，第一电缆固定结构1包括第一法兰和第一锁紧件；第一法兰包括第一法兰盘和垂直固定设置在第一法兰盘上的第一凸台；第一凸台与第一法兰盘连接一端为圆柱，其另一端为锥台；第一凸台上设置有与自身同轴的第一通孔，第一通孔的径向尺寸与待连接脉冲形成线的外金属层的径向尺寸相适配；在第一凸台的圆柱端设置有外螺纹，在其锥台端的锥面上沿母线方向设有开槽；第一锁紧件上设有与第一凸台锥台端相配合的第一锥台孔，和与第一凸台圆柱端外螺纹相配合的第一螺纹孔；第一电缆固定结构1通过第一法兰与金属外筒12连接。第二电缆固定结构3包括第二法兰和第二锁紧件；第二法兰包括第二法兰盘和垂直固定设置在第二法兰盘上的第二凸台；第二凸台与第二法兰盘连接一端为圆柱，其另一端为锥台；第二凸台上设置有与自身同轴的第二通孔，第二通孔的径向尺寸与待连接脉冲传输线的外金属层的径向尺寸相适配；在第二凸台的圆柱端设置有外螺纹，在其锥台端的锥面上沿母线方向设有开槽；
第二锁紧件上设有与第二凸台锥台端相配合的第二锥台孔，和与第二凸台圆柱端外螺纹相配合的第二螺纹孔；第二电缆固定结构3通过第二法兰与金属外筒12连接。这样，通过将第一凸台锥台端和第一锥台孔之间、第二凸台锥台端和第二锥台孔之间设置成不同的锥度，实现锁紧。

[0055] 本发明的工作过程为：驱动线圈8通电，动电极11在电磁力的驱动下从左向右运动，其在向静电极14接近的过程中产生放电；当驱动线圈8断电时，动电极11在动电极复位弹簧10的弹力作用下复位，完成一次放电。

[0056] 本发明结构的特点在于开关单元2与脉冲形成线一体化设计，动电极11、静电极14与金属外筒12形成同轴结构，该结构阻抗设计值与脉冲形成线尽可能相近，在阻抗匹配的情况下，不容易引起波形畸变。另外，本发明将驱动线圈8外置在同轴线外侧，通过电磁力驱动动电极11，这种设计有效减小了开关段尺寸，放电回路电感可以最小化，通过这种设计，最快上升沿可达到0.3ns，幅值可达到20kV。

[0057] 本发明的用于亚纳秒方波发生器的一体化电磁驱动开关，可广泛应用于对分压器进行标定实验的方波发生器中。