[发明专利]作为多路同步磁开关的高电压可饱和脉冲变压器

说明书

技术领域

本发明涉及高功率脉冲调制技术领域的可饱和脉冲变压器，尤其是一种采用多路线绕式绕组分组并联结构的、作为多路同步磁开关的高电压可饱和脉冲变压器。

背景技术

脉冲功率调制技术是一种把“慢”存储起来的具有较高密度的电场或磁场能量进行快速压缩、转换或直接释放给负载的电物理技术，其中的电压变换和开关技术是关键。近年来，脉冲功率调制技术在高功率微波、高功率脉冲激光、冲击波发生器、介质阻挡放电、材料表面处理、工业废气废水处理、食品杀菌消毒以及生物医学等众多领域获得了良好的应用，而这些应用对脉冲功率调制器提出了高功率、高重复运行频率、固态化和长使用寿命的要求。脉冲功率调制器中，常用的两种升压技术包括脉冲变压器技术和Marx发生器技术，二者分别属于电感储能型和电容储能型技术，就技术优势而言二者各有千秋，是高功率脉冲调制器系统中两类并列的重要升压技术。脉冲功率调制器中，常用的开关技术包括气体开关技术、液体开关技术和固体开关技术。

目前，脉冲功率开关技术的一项重要应用，就是应用于同步控制多路高电压脉冲输出。多路开关同步技术包括多路开关并联同步技术、多路开关串联同步技术。多路开关并联同步技术中，不但要求各路开关导通同步，还要求各路开关及其控制的电路支路始终为并联关系。多路开关串联同步技术中，不但要求各路开关导通同步，还要求各路开关在导通后保持串联关系，如Marx发生器中的多级同步开关。

关于多路开关并联同步技术的典型应用就是Z箍缩等离子体(Z-pinch)的研究。国内外正在开展多台并联的大型脉冲功率装置应用于Z箍缩等离子体(Z-pinch)的研究，其最终目标是实现受控核聚变，解决人类的能源问题。相关研究报道包括R.C.Hazelton等人2003年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《等离子体科学汇刊》(IEEE Transactionson Plasma Science)上发表的论文《双鹰系统Z-pinch负载向心聚爆阶段的干涉成像测量》【R.C.Hazelton,E.J.Yadlowsky，J.J.Moschella,et al,“Interferometric Measurement of PhysicalPhenomena During the Implosion Phase of a Puff-On-Puff Z-Pinch Load on Double-EAGLE,”IEEE Transactions on Plasma Science,2003,Vol.31,No.6,pp:1355-1362】，以及上世纪80年代美国和前苏联建造的一批大型Z箍缩装置。此类装置采用多路高电压触发系统对多路并联加速器的气体开关进行同步触发，单个气体开关的抖动可以控制在1.5ns左右，多路气体开关同步触发导通的抖动可控制在15ns以内。然而此类装置中每一路高电压触发系统本身就是一台结构复杂的高电压脉冲功率装置，多路高电压触发系统同步控制的精度难以降低到几ns量级，并且造价昂贵。因此，研究人员摒弃了传统的多路高电压脉冲触发的技术方案，采用多路激光同步触发多路气体开关，以获得更低的气体开关抖动时间和更高的开关同步时间精度。采用多路激光同步触发多路气体开关的相关研究报道包括何安、任济、丰树平等人2012年在《强激光与粒子束》上发表的论文《Z箍缩初级实验平台的激光触发系统》【何安，任济，丰树平，等，“Z箍缩初级实验平台的激光触发系统，”强激光与粒子束，2012，Vol.24，No.4，pp:839-842】，下文简称背景技术一。背景技术一所述为中国工程物理研究院正在研制的国内最大的Z箍缩装置(PTS装置)，PTS装置包括一台延时控制系统、两台12路精密延时同步机delay generator 1和delay generator 2、12台激光器laser1-laser 12、12路半反半透分光镜S-B-M、12路全反射镜RM、24路激光触发气体开关L-S、24路中间储能电容I-S-C、24路Marx发生器、24路脉冲形成线forming line。在延时控制系统控制下，12路精密延时同步机delay generator 1同步控制12台激光器的氙灯，12路精密延时同步机delay generator 2同步触发12台激光器的Q开关，每台延时同步机的12路信号之间的同步时间误差小于1ns。具有抗电磁干扰能力的12台激光器同步输出12路激光，每一路激光均经过一路半反半透分光镜S-B-M将激光等分成两束，其中一束激光直接经该路半反半透分光镜S-B-M反射，用于触发一路激光触发气体开关L-S，而另一束分束激光经1路全反射镜RM反射，并用于触发另一路激光触发气体开关L-S；12台激光器同步输出的12路激光被12路半反半透分光镜S-B-M分束成相同的24束激光，经12路半反半透分光镜S-B-M和12路全反射镜RM反射后，同步触发24路激光触发气体开关L-S。系统中每一台中间储能电容I-S-C、Marx发生器、激光触发气体开关L-S和脉冲形成线forming line组合构成一台电子加速器，系统中共有24台相同的电子加速器。24路激光触发气体开关L-S导通后，24台相同的电子加速器同步工作，同步输出24路大电流脉冲。24路激光触发气体开关L-S的抖动极差小于5ns。背景技术一成功实现了24路激光触发气体开关的并联同步触发，但是每一路激光器输出的激光分束后，两路分束激光之间的光程差势必将影响两路激光触发气体开关的导通同步时间精度，并且系统子部件众多、附属设备和防护设备繁杂，各子部件的控制非常复杂；多路气体开关之间必然存在击穿导通的时间抖动，很难控制在ns量级甚至更低水平。