[发明专利]一种PFN模块及模块化PFN-Marx发生器

说明书

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种PFN模块及模块化PFN‑Marx发生器，包括PFN模块单元、PFN与开关电极的连接方式和气体开关的一体化，以实现PFN‑Marx发生器在不拆卸主体结构的前提下完成PFN模块的更换，从而达到PFN‑Marx发生器参数可调、维护维修方便的目的。本发明所述的PFN‑Marx发生器设计方案既提高了发生器维修检测的便利性，同时也真正实现了发生器输出参数可调的目的，从而在保证发生器整体结构不变得前提下，大幅度地提升PFN‑Marx发生器的拓展能力。

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种PFN模块及模块化PFN-Marx发生器。

背景技术

脉冲功率技术历经几十年的发展，在加速器、高功率微波(High powermicrowaves,HPM)、 高能激光和环境保护等方面发挥着重要的作用。产生高功率、高波形质量电脉冲的脉冲功率 源主要有脉冲形成线(Pulse forming line,PFL)和脉冲形成网络(Pulse forming network，PFN) 两种基本形式。其中，基于脉冲形成网络的PFN-Marx发生器兼具PFN的脉冲整形和Marx 的脉冲升压双重作用，在系统紧凑化、小型化等方面具有更大的优势，在近年来受到越来越 多的关注。

PFN-Marx发生器其工作原理可以简单概括为：采用若干电容器通过并联的方式组成一个 PFN模块，若干个PFN模块通过并联充电后再以串联方式放电产生高压电脉冲。由于PFN 可以等效为集中参数式PFL，因此PFN可以输出具备准方波特性的电脉冲。PFN网络拓扑结 构形式多样，其中，Type-E型网络采用等电容和等电感参数，即网络中所用的电容器和电感 均可采用一样的元器件，这有利于脉冲功率源的模块化设计与装配，在脉冲功率系统中得到 广泛应用。图1所示为目前脉冲功率系统中应用最为广泛的Type-E型PFN-Marx发生器电路 拓扑示意图，其共有n个PFN模块单元，且每个PFN模块参数均一致，在实际装配时，各 个PFN模块参数和结构均可保持一致，从而利于实现模块化设计。从图1中可以看出，相邻 的两个PFN模块之间串联一个开关，以PFN₁和PFN₂为例，PFN₁和PFN₂之间串联一个开关S₁。对于传统的PFN-Marx发生器，PFN模块与开关的接线电极采用焊接的硬连接方式，因 此当一个PFN模块出现故障需要维护时，需对发生器进行全系统整体拆卸(包括每一个PFN 模块和开关)，不利于PFN-Marx发生器的模块化功能实现，因此实现PFN-Marx发生器的模 块化设计，需考虑PFN模块与开关接线电极的连接方式，从而实现PFN模块可单独拆卸的 目的，这对于提升PFN-Marx发生器的维护便利性具有重要意义。

PFN-Marx发生器的模块化实现的另一个重要意义是PFN-Marx发生器输出参数可调。这 里PFN-Marx发生器的参数可调是指可以通过改变PFN模块中的高压脉冲电容器、节电感参 数，实现PFN-Marx发生器的输出阻抗和脉冲特性的调整。但传统的PFN-Marx发生器在装 配完成后，发生器的整体结构已经固定，其各项输出参数(包括阻抗、脉宽、平顶波纹度、 上升沿、下降沿等)均已相对固化，难以实现输出参数调整。因此，设计一种新型的模块化 PFN和模块化PFN-Marx发生器，对于提升PFN-Marx发生器维护便利性、实现输出参数调整、提升PFN-Marx发生器在脉冲功率领域中的拓展能力具有广阔的工程应用前景和重要的科研价值。

发明内容

本发明要解决的技术难题是：通过合理设计PFN模块结构以及PFN与开关电极连接方 式，实现PFN-Marx发生器模块化设计，解决PFN-Marx维护困难以及输出波形调整难度大的问题。本发明以PFN模块作为PFN-Marx发生器模块化设计的基础，即每个PFN模块均可 以轻松实现单独拆卸和更换，通过改变单个或多个PFN模块的参数，从而实现PFN-Marx发 生器中的网络参数调整，达到阻抗、脉宽、平顶波纹度、下降沿等输出参数调整的目的。此 外，通过简单的增加或减少PFN模块的数量、改变电容器参数也可以实现输出阻抗、脉宽等 参数的调整。