[实用新型]一种基于螺旋结构的同轴固态脉冲形成线

说明书

技术领域：

本实用新型涉及高功率脉冲调制技术领域的固态脉冲形成线，尤其是一种可用于增加输出电脉冲宽度的基于螺旋结构同轴固态脉冲形成线。

背景技术：

高功率脉冲调制技术是一种把“慢”存储起来的具有较高密度的电场或磁场能量，在时间尺度上进行压缩，然后在极短时间内(20-100ns)释放给负载的电物理技术。脉冲形成线是产生百纳秒准方波长脉冲的主要方法，是高功率脉冲调制装置的关键部件之一。高功率脉冲调制装置在民用和国防领域有着重要的应用价值，是进行高功率微波、电子束泵浦高功率激光、X射线、离子源、废气废水处理、杀菌以及食品保鲜、医疗等研究的重要试验平台。而这些应用对脉冲功率调制器提出了小型化、长脉冲和长使用寿命的要求。

目前，脉冲形成线主要采用液态储能介质，例如变压器油、去离子水等。但是，变压器油介电常数较低(相对介电常数ε_r一般在2～3之间)，根据储能密度公式U＝1/2ε₀ε_rE²(ε₀为真空介电常数，E为介质击穿场强)可以看出，低的介电常数和击穿场强会导致低的储能密度，所以变压器油单位体积储能密度不高，导致形成线储能部分体积较大。此外，液态介质可靠性不高，易发生故障，导致装置的实用化难度加大；环境适应能力不强，如在高温或低温等恶劣环境下，液体介质性质易发生改变，导致装置无法正常工作。并且某些液体储能介质需要配备附属设备，如去离子水介质(相对介电常数ε_r＝81)虽然拥有相对较高储能密度，但是其需要附属设备以维持其高电阻率，导致整个脉冲功率装置体积庞大。

与液态介质相比，固体储能介质由于具有高介电常数和击穿场强(即具有高储能密度)，同时兼具低介电损耗和高电阻率等优点，基于固体储能介质传输线的脉冲功率源装置本身具有小型化，长寿命和性能稳定等优点。脉冲形成线的常见结构有同轴结构和平板结构两种。固态脉冲形成线一般采用平板结构，如中国工程物理研究院流体物理研究所研制的固态脉冲功率装置【谌怡，夏连胜，王卫，等.“基于光导开关和平板线的固态脉冲功率技术”，《太赫兹科学与电子信息学报》，2014，Vol.12，No.1，pp:32-36】中所设计的平板脉冲形成线。该装置使用平板结构的脉冲形成线，选择CaO-TiO₂-Al₂O₃为原料，通过固相烧结法制得，其相对介电常数ε_r约23，陶瓷介质几何尺寸为170mm×15mm×1mm，银电极尺寸150mm×4mm，其输出电脉冲的宽度为11.3ns。为了防止平板结构脉冲形成线上下电极间发生沿面闪络(一种高电压击穿现象)，该固态脉冲功率装置将平板结构脉冲形成线中的介质板做得很宽(介质板宽15mm，银电极宽4mm)，减小了储能材料实际应用体积，影响了整个脉冲功率装置的小型化指标。此外，在需要拓展该固态脉冲功率装置的应用领域，该装置输出电脉冲的宽度也是不够的。

同轴结构的脉冲形成线由于内电极包含在外电极之中，屏蔽效果较好，对周围的寄生耦合较小，也得到广泛的应用。实用新型专利“一种基于玻璃陶瓷介质的同轴固态脉冲形成线” (专利号：CN 203589443 U)，给出了一种基于玻璃陶瓷介质的同轴固态脉冲形成线，包括筒状玻璃陶瓷介质、内电极、外电极和半导体涂层，内外电极分别烧制在该筒状玻璃陶瓷介质的内外壁上，半导体涂层涂敷在内外电极以外的玻璃陶瓷介质表面；此外，S.K.Sharma，P.Deb和R.Shukla等人2011年在《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments)上发表的论文“一种紧凑型钡钛陶瓷脉冲形成线”中的脉冲形成线也采用了同轴结构【S.K.Sharma，P.Deb，R.Shukla，et al.Compact pulse forming line using barium titanate ceramic material.Review of Scientific Instruments，2011，82(11)，pp:115102-115102-3】。这两篇文献中提到的固态同轴脉冲形成线输出电脉冲的宽度T＝2(ε_r)^1/2l/c(l为同轴脉冲形成线的轴向长度，c为真空中光速)，因此如果确定了形成线介质材料，只有通过增加形成线的轴向长度，才可以增加固态同轴脉冲形成线的输出电脉冲的宽度。