一种高可靠性前沿高压脉冲发生器

摘要

本发明公开了一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，通过将激光触发气体开关与电容器组紧密连接，并将电容器组中的各电容紧密结合，同时将输出电缆紧贴油箱的侧壁，以设计出极为简化的脉冲发生电路，利于产生快前沿脉冲，同时缩小了整个脉冲发生器的回路面积，保证了极低的回路多电感。同时，采用激光触发气体开关作为输出开关，可以工作于极低的欠压比，提高触发可靠性。

权利要求

1.一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，其特征在于，包括设置在油箱(7)内的激光触发气体开关(1)，所述激光触发气体开关(1)的上方设置有激光引入通道(3)，所述激光触发气体开关(1)和所述激光引入通道(3)密封接触；所述激光引入通道(3)内设置有聚焦透镜2

(5)，以使激光概率密度达到1012W/cm以上，所述激光引入通道(3)的侧壁上设置有开关充气气嘴(4)；所述激光触发气体开关(1)的一侧连接有电容器组(14)，所述电容器组(14)中的各电容器通过第二绝缘隔板(9)隔开，所述电容器组(14)连接输出电缆(6)并接地，所述输出电缆(6)通过第一绝缘隔板(8)与油箱(7)的侧壁连接，远离电容器组(14)的油箱(7)侧壁上设置有气路接口(2)，用于气路在穿过油箱壁时的转接。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，其特征在于，所述激光触发气体开关(1)包括两端开口呈圆筒状的开关绝缘筒，在开关绝缘筒的两端分别通过螺栓固定连接有一个主开关电极，两个主开关电极均向对侧凹陷；

当需要输出正极性脉冲，则所述激光触发气体开关(1)上面的主开关电极为负极，下面的主开关电极为正极；当需要输出负极性脉冲，则所述激光触发气体开关(1)上面的主开关电极为正极，下面的主开关电极为负极性。

3.根据权利要求1所述的一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，其特征在于，所述激光触发气体开关(1)通过电容器电极(10)与电容组(9)连接。

4.根据权利要求1所述的一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，其特征在于，所述电容器组(14)包括两个并联的电容器，两个并联的电容器之间通过第二绝缘隔板(9)上下隔开；其中，一个电容器接地，另一个电容器连接输出电缆(6)。

5.根据权利要求4所述的一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，其特征在于，与输出电缆(6)连接的电容器上设置有金属插座，所述金属插座通过螺钉与电容器电极连接，所有输出电缆末端设有配套的插头，通过配套的插头插座将所述输出电缆(6)和对应的电容器连接。

6.根据权利要求1所述的一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，其特征在于，所述油箱(7)侧壁上设置有两个气路接口(2)，所述气路接口(2)根据气路管道规格确定。

7.根据权利要求1所述的一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，其特征在于，所述油箱(7)的油箱底板(13)上设置有第二绝缘底板(12)，所述第二绝缘底座(12)上设置有第一绝缘底板(11)，所述第一绝缘底板(11)与激光触发气体开关(1)和电容器组(14)底部连接，用于支撑激光触发气体开关(1)和电容器组(14)，并隔离激光触发气体开关(1)、电容器组(14)与油箱(7)侧壁。

说明书

一种高可靠性前沿高压脉冲发生器

技术领域

[0001] 本发明涉及脉冲发生器技术领域，具体涉及一种高可靠性前沿高压脉冲发生器。

背景技术

[0002] 在脉冲功率技术研究领域，开关是最核心的器件，决定了整个脉冲功率装置的主要性能。目前，应用最广泛、功率水平最高的开关是气体火花开关，要使气体火花开关按照
预定的时序精确动作而且保证较高的可靠性，则需要高可靠性、快前沿的高压脉冲发生器
作为触发源。

[0003] 目前，用于气体火花开关触发的高压脉冲发生器主要包含两类：一类为基于紧凑型Marx发生器的触发器，另一类为基于多级脉冲放大技术的触发器。但Marx发生器包含的
器件个数较多，每个器件都有发生故障的概率，多级脉冲放大技术技术环节较多，每个环节
都有发生故障的概率，总体而言，二者均无法实现较高的可靠性。另外， Marx发生器电路结
构较为复杂，回路结构紧凑化设计难度较大，要想获得较快的输出脉冲前沿，必须减小储能
电容量，由此导致输出脉冲的脉宽相应减小，不利于触发的应用；多级脉冲放大技术包含多
个放大环节，每个放大环节的放电开关均存在导通时间抖动，要想获得极低的输出时间抖
动(小于3ns)比较困难，不利于多个多级脉冲放大系统同步运行以构建输出路数较多的触
发系统。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是传统的用于气体火花开关触发的 Marx发生器结构复杂，基于多级脉冲放大技术的触发器发生故障概率较大，不利于触发输出路数较多的触发
系统，因此，本发明提供一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，采用简单紧凑的电路结构，实
现较快的输出脉冲前沿，采用激光触发开关作为输出开关，实现极高的可靠性。

[0005] 本发明通过下述技术方案实现：

[0006] 一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，包括设置在油箱内的激光触发气体开关，所述激光触发气体开关的上方设置有激光引入通道，所述激光触发气体开关和所述激光引入
2
通道密封接触；所述激光引入通道内设置有聚焦透镜，以使激光概率密度达到1012W/cm以
上，所述激光引入通道的侧壁上设置有开关充气气嘴；所述激光触发气体开关的一侧连接
有电容器组，所述电容器组中的各电容器通过第二绝缘隔板隔开，所述电容器组连接输出
电缆并接地，所述输出电缆通过第一绝缘隔板与油箱的侧壁连接，远离电容器组的油箱侧
壁上设置有气路接口，用于气路在穿过油箱壁时的转接。

[0007] 进一步地，所述激光触发气体开关包括两端开口呈圆筒状的开关绝缘筒，在开关绝缘筒的两端分别通过螺栓固定连接有一个主开关电极，两个主开关电极均向对侧凹陷；

[0008] 当需要输出正极性脉冲，则所述激光触发气体开关上面的主开关电极为负极，下面的主开关电极为正极；当需要输出负极性脉冲，则所述激光触发气体开关上面的主开关
电极为正极，下面的主开关电极为负极性。

[0009] 进一步地，所述激光触发气体开关通过电容器电极与电容组连接。

[0010] 进一步地，所述电容器组包括两个并联的电容器，两个并联的电容器之间通过第二绝缘隔板上下隔开；其中，一个电容器接地，另一个电容器连接输出电缆。

[0011] 进一步地，与输出电缆连接的电容器上设置有金属插座，所述金属插座通过螺钉与电容器电极连接，所有输出电缆末端设有配套的插头，通过配套的插头插座将所述输出
电缆和对应的电容器连接。

[0012] 进一步地，所述油箱侧壁上设置有两个气路接口，所述气路接口根据气路管道规格确定。

[0013] 进一步地，所述油箱的油箱底板上设置有第二绝缘底板，所述绝缘底板上设置有第一绝缘底板，所述第一绝缘底板与激光触发气体开关和电容器组底部连接，用于支撑激
光触发气体开关和电容器组，并隔离激光触发气体开关、电容器组与油箱侧壁。

[0014] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

[0015] 1.通过将激光触发气体开关与电容器组紧密连接，并将电容器组中的各电容紧密结合，同时将输出电缆紧贴油箱的侧壁，以设计出极为简化的脉冲发生电路，利于产生快前
沿脉冲；同时，由于放电回路的电感： 式中，L为电感，Ф是回路磁通，I是回路
电流， B是磁感应强度，S是回路面积，因此，本发明通过尽可能减小回路面积来减小回路电
感，保证了脉冲发生器可以达到极低的回路多电感。

[0016] 2.仅包括两个电容和一个开关，器件个数少，保证了脉冲发生器具有较高的可靠性；同时，将激光触发气体开关作为输出开关，可以工作于极低的欠压比，也可以获得极高
的可靠性。

[0017] 3.通过在激光触发气体开关上方的激光引入通道内设置聚焦透镜，使得激光可在开关间隙中间位置聚焦，使得开关可靠触发。

附图说明

[0018] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

[0019] 图1为本发明一种高可靠性前沿高压脉冲发生器的结构示意图。

[0020] 图2为本发明一种高可靠性前沿高压脉冲发生器的等效电路图。

[0021] 附图标记：

[0022] 1‑激光触发气体开关；2‑气路接口；3‑激光引入通道；4‑开关充气气嘴；5‑聚焦透镜；6‑输出电缆；7‑油箱；8‑第一绝缘隔板；9‑ 第二绝缘隔板；10‑电容器电极；11‑第一绝缘
底板；12‑第二绝缘底板；13‑油箱底板；14‑电容器组。

具体实施方式

[0023] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。

[0024] 实施例

[0025] 如图1所示，本发明提供一种高可靠性前沿高压脉冲发生器，其对应的等效电路图如图2所示。具体地，该高可靠性前沿高压脉冲发生器包括设置在油箱7内的激光触发气体
开关1，激光触发气体开关1 的上方设置有激光引入通道3，激光触发气体开关1和激光引入
通道3 需密封接触，确保开关内气体不泄露，保证开关内气体压力。

[0026] 具体地，激光触发气体开关1包括两端开口呈圆筒状的开关绝缘筒，在开关绝缘筒的两端分别通过螺栓固定连接有一个主开关电极，两个主开关电极均向对侧凹陷。当需要
输出正极性脉冲，则激光触发气体开关1上面的主开关电极为负极，下面的主开关电极为正
极；当需要输出负极性脉冲，则激光触发气体开关1上面的主开关电极为正极，下面的主开
关电极为负极性。一般情况下需要输出负极性脉冲，即上面的主开关电极为正极性充电，下
面主开关电极为负极性充电。

[0027] 由于开关导通时间的抖动在几个ns，因此，本实施例中的激光引入通道3内设置有2
聚焦透镜5，以使激光概率密度达到1012W/cm 以上，保证气体快速击穿。同时，激光引入通
道3的侧壁上设置有开关充气气嘴4，为激光触发气体开关1充气。

[0028] 激光触发气体开关1的一侧连接有电容器组14，电容器组14中的各电容器通过第二绝缘隔板9隔开，电容器组14连接输出电缆6并接地，输出电缆6通过第一绝缘隔板8与油
箱7的侧壁连接，以使输出电缆紧靠油箱7的侧壁，极大压缩放电回路面积。本实施例将绝缘
隔板8的厚度设置为5mm，使得回路的整体电感小于300nH，输出脉冲前沿小于 30ns，符合触
发要求。

[0029] 另外，本实施例在远离电容器组14的油箱7侧壁上设置有气路接口2，用于气路在穿过油箱壁时的转接。

[0030] 进一步地，激光触发气体开关1通过电容器电极10与电容组9连接。

[0031] 进一步地，电容器组14包括两个并联的电容器，两个并联的电容器之间通过第二绝缘隔板9上下隔开；其中，一个电容器接地，另一个电容器连接输出电缆6，通过将两个电
容器紧密贴合可以缩小脉冲发生器的体积。

[0032] 进一步地，与输出电缆6连接的电容器上设置有金属插座，金属插座通过螺钉与电容器电极连接，所有输出电缆末端设有配套的插头，通过配套的插头插座将输出电缆6和对
应的电容器连接。

[0033] 进一步地，油箱7侧壁上设置有两个气路接口2，气路接口2根据气路管道规格确定。

[0034] 进一步地，油箱7的油箱底板13上设置有第二绝缘底座12，第二绝缘底座12上设置有第一绝缘底座11，第一绝缘底座11与激光触发气体开关1和电容器组14底部连接，用于支
撑激光触发气体开关1和电容器组14，并隔离激光触发气体开关1、电容器组14与油箱7侧
壁。

[0035] 具体地，激光触发气体开关1的两个电极之间采用气体(如空气、 N2、SF6等常用绝缘气体)作为绝缘介质，用外部触发的方法使得气体击穿实现开关导通。其中，外部触发的
过程具体为：使用紫外脉冲激光通过激光引入通道3中的聚焦透镜5聚焦在激光触发气体开
关1的电极间隙中，使得此处的气体很快电离实现激光触发气体开关1的导通。

[0036] 激光触发气体开关1工作时，其正负电极间施加的电压和其自身自击穿电压的比值称为工作系数，如表1所示，为一种典型的气体开关自放电概率与工作系数的关系。

[0037]

[0038] 表1

[0039] 通过表1可见，工作系数越小，自发的概率越低(可靠性越高)，激光触发气体开关的优势在于，使用激光触发，可以使开关工作中极低的工作系数(小于50％)，同时保证开关
极小的导通时间抖动，即同时实现脉冲发生器极高的可靠性和极小的导通时间抖动。

[0040] 以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范
围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。