[发明专利]一种具有高的电压叠加效率的次级内筒

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够高效耦合、叠加和传输功率脉冲的次级内筒，应用于具有多级串联特点的大型脉冲功率装置中(如磁绝缘感应电压叠加器、直线型变压器驱动源等驱动源)脉冲功率的汇聚与传输。

背景技术

磁绝缘感应电压叠加器(MIVAs)已广泛应用于高功率粒子束(电子束、离子束)产生和辐射环境模拟(x射线、γ射线)。通常情况下，不同数目感应腔模块通过一磁绝缘传输线(MITL)串联以产生不同类型负载驱动需求的功率脉冲参数，如Hermes-III、RITS、Sygnus、剑光一号等装置。而MITL电长度一般大于传输功率脉冲时间宽度或者与其相当，其沿线阻抗变换形式对多级感应腔脉冲叠加效率具有显著影响，因此探索最佳MITL阻抗(运行阻抗)变换形式具有较高的学术意义和工程应用价值。

工程实际中，感应电压叠加器的MITL由一次级内筒和串联感应腔内壁组成，由于感应腔内壁尺寸受单元模块的限制，在感应腔确定的条件下其结构尺寸随之固化，因此，MITL阻抗变换只能通过调整其次级内筒结构实现。目前，国际上提出两种次级内筒结构，即锥形结构和阶梯形结构。锥形结构是次级内筒直径从第一级感应腔始端至最后一级感应腔始端呈线性减小过程，如图1所示，次级内筒过渡段整体呈一圆锥状结构，例如：在J.J.Ramirez,D.E.Hasti,J.P.Corley等学者的《The four stage HELIA experiment》(6^th IEEE International Pulsed Power Conference,Arlington,Virginia,1987,pp.146-143.)中介绍了一四级感应腔串联阻抗由8Ω变换至28Ω的MITL，次级内筒首次采用了典型的锥形结构。该结构特点在于内筒表面过渡较为光滑，有利于磁绝缘状态下场致电子的均匀发射，从而减小沿线真空电子流份额；但对于各感应腔而言，其较之阶梯形内筒具有较高的平均阻抗，且存在非均匀阻抗导致的感应腔馈入电压波形畸变问题，因此电压叠加效率比较低。阶梯形结构是次级内筒直径从第一级感应腔末端至最后一级感应腔始端呈阶梯状减小，如图2所示，且每级感应腔对应长度的次级内筒直径保持不变，各感应腔相邻单元之间MITL阻抗变换量值相同，例如，在V.L.Bailly,D.L.Johnson,P.Corcoran等学者的《Design of a high impedance MITL for RITS-3》(14^th IEEE International Pulsed Power Conference,Dallas,Texas,2003,pp.399-402.)中介绍了两条三级感应腔串联阻抗分别由8Ω变换至24Ω和14.3Ω变换至42.9Ω的MITL，其次级内筒均采用阶梯状结构，且每条MITL各级阻抗变换分别为8Ω和14.3Ω。该结构特点在于各感应腔向MITL系统馈入电压、电流完全一致(即，功率流相同)，且能够较好地保持PFL馈入波形，因此具有较高的电压叠加效率；但由于其阶梯过渡结构的存在，相对锥形过渡存在或多或少的局部凸起，使其在磁绝缘工作状态下场致发射空间电子相对较多，进而增大了真空电子流比例，减小了负载有效工作电流。

发明内容

为克服现有锥形和阶梯形次级内筒分别存在电压叠加效率偏低和引入大量真空电子流方面的不足，本发明提供了一种磁绝缘传输线阻抗变换段的运行阻抗呈标准指数变换的次级内筒结构，该结构能够在有效避免大量场致电子发射的条件下，进一步提高MIVAs的电压叠加效率，即兼具锥形和阶梯形次级结构的主要优势。

本发明的技术解决方案：

一种具有高的电压叠加效率的次级内筒，其特殊之处在于：

所述次级内筒4的阻抗变换段表面呈现光滑过渡结构，且次级内筒与感应腔单元内壁构成的磁绝缘传输线的阻抗变换段的运行阻抗呈广义指数形变换形式，如式(1)所示：