[发明专利]一种高功率长脉冲功率源

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种高功率长脉冲功率源。可应用于开展高功率微波技术、电子束流产生与传输技术、X光机等研究，也可在工业、医疗等脉冲功率技术领域发挥作用，是实现脉冲功率源高技术指标、小型化、轻型化、低成本的必然途径。

背景技术

脉冲功率源是指进行脉冲能量压缩、获得高功率、短脉冲的电装置。脉冲功率装置的工作原理为：首先由初始储能技术（电容器储能、电感储能、化学能等）产生所需的初级脉冲波形（毫秒级至微妙级），然后再利用脉冲形成线和开关技术在时间尺度上进行压缩，脉冲宽度便被大大压缩（纳秒量级），从而极大的增加了峰值功率。通常的长脉冲功率源采用Marx发生器+脉冲形成线的技术路线，首先用Marx发生器形成一个微秒量级的初始高压脉冲，然后再利用脉冲形成线对脉冲进行整形，最后在负载系统上得到纳秒量级脉冲高压。这类装置(刘锡三，高功率脉冲技术，国防工业出版社，第424-436页)需要用初级电源、一级脉冲压缩、二级脉冲压缩才能获得需要的方波脉冲，不足之处在于储能系统和脉冲形成系统为独立结构，能量转换效率低、系统庞大、重量重。对于传统的重复频率Marx发生器，优点是体积小，主要用于宽谱脉冲产生，缺点是储能低、脉冲宽度窄、无法产生脉冲方波(张晋琪等，强激光与粒子束，2009，21（4），第637-640页)。

在高功率微波的许多应用中，脉冲功率技术是一个关键，其中最大的挑战就是研究小型化、便携式的长脉冲方波高功率脉冲功率源；另外，脉冲功率源在X光机、工业CT高压电源方面都有强的应用市场。制约脉冲功率源实际应用的主要原因是体积大、成本高，传统的脉冲功率技术方式已经不能满足当前对脉冲功率源小型化、轻型化、低成本的要求。

实现长脉冲功率源小型化的关键是如何缩短脉冲形成线的长度、减少脉冲压缩的级数、提高脉冲功率源的输出效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服了Marx发生器+脉冲形成线现有技术中的缺陷，采用储能与脉冲成形一体化的结构方式，提供了一种新型高功率长脉冲功率源，该系统可实现高功率、高储能、高重频、低抖动、准方波脉冲输出。该系统采用直接驱动技术，将脉冲形成与储能一体化设计，减少了储能转换环节，缩小了系统体积；同时采用双电容结构脉冲成形模块，减少了系统的复杂性，并且利用脉冲电容器的优势，具有可靠性好，寿命长的优势；另外，该系统采用Marx型电压串叠技术，其电路工作原理为并联充电、串联放电，电路结构简单；系统的电路回路采用低电感的设计方法，利用平板传输线互感原理，将脉冲成形模块设计为同端输出结构，实现了电路系统的低回路电感，使得脉冲前沿小、平顶宽。 

本发明采用如下技术方案：一种高功率长脉冲功率源,包括正负充电电源、控制系统、高能触发电源、高压脉冲方波产生系统和负载，所述控制系统与正负充电电源和高能触发电源的控制单元连接，所述高压脉冲方波产生系统的高压输出端连接负载；所述高压脉冲方波产生系统包括N级双电容结构脉冲成形模块依次串联为一体，每一级双电容结构脉冲成形模块包括第一输出电极和第二输出电极，第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极与第一级三电极气体火花间隙开关的第二电极连接，第一级三电极气体火花间隙开关的第一电极连接到地，第N级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极与第N+1级三电极气体火花间隙开关第一电极连接，第N+1级三电极气体火花间隙开关的第二电极连接到负载；从第一级双电容结构脉冲成形模开始每一级双电容结构脉冲成形模块与下一级双电容结构脉冲成形模块之间连接一级三电极气体火花间隙开关，每一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与下一级双电容结构脉冲成形模块对应的输出电极之间连接一个放电隔离元件；第一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与正负充电电源之间通过两个放电隔离元件连接；每一级三电极气体火花间隙开关的触发电极连接处连接一个触发隔离电阻，触发隔离电阻的另一极连接到高能触发电源，其中N为自然数。

在上述技术方案中，所述每一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极之间连接正放电隔离元件，每一级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极之间连接负放电隔离元件。

在上述技术方案中，所述第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极与正负充电电源的正极之间连接一个正放电隔离元件，第一级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极与正负充电电源的负极之间连接一个负放电隔离元件。