一種基于螺旋結(jié)構(gòu)的同軸固態(tài)脈沖形成線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本實(shí)用新型涉及高功率脈沖調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域的固態(tài)脈沖形成線，尤其是一種可用于增加輸出電脈沖寬度的基于螺旋結(jié)構(gòu)同軸固態(tài)脈沖形成線。
【背景技術(shù)】
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[0002]高功率脈沖調(diào)制技術(shù)是一種把“慢”存儲(chǔ)起來(lái)的具有較高密度的電場(chǎng)或磁場(chǎng)能量，在時(shí)間尺度上進(jìn)行壓縮，然后在極短時(shí)間內(nèi)(20-100ns)釋放給負(fù)載的電物理技術(shù)。脈沖形成線是產(chǎn)生百納秒準(zhǔn)方波長(zhǎng)脈沖的主要方法，是高功率脈沖調(diào)制裝置的關(guān)鍵部件之一。高功率脈沖調(diào)制裝置在民用和國(guó)防領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值，是進(jìn)行高功率微波、電子束泵浦高功率激光、X射線、離子源、廢氣廢水處理、殺菌以及食品保鮮、醫(yī)療等研宄的重要試驗(yàn)平臺(tái)。而這些應(yīng)用對(duì)脈沖功率調(diào)制器提出了小型化、長(zhǎng)脈沖和長(zhǎng)使用壽命的要求。
[0003]目前，脈沖形成線主要采用液態(tài)儲(chǔ)能介質(zhì)，例如變壓器油、去離子水等。但是，變壓器油介電常數(shù)較低(相對(duì)介電常數(shù)\一般在2?3之間)，根據(jù)儲(chǔ)能密度公式U =1/2 ε 0 ε rE2 ( ε ^為真空介電常數(shù)，E為介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng))可以看出，低的介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致低的儲(chǔ)能密度，所以變壓器油單位體積儲(chǔ)能密度不高，導(dǎo)致形成線儲(chǔ)能部分體積較大。此外，液態(tài)介質(zhì)可靠性不高，易發(fā)生故障，導(dǎo)致裝置的實(shí)用化難度加大；環(huán)境適應(yīng)能力不強(qiáng)，如在高溫或低溫等惡劣環(huán)境下，液體介質(zhì)性質(zhì)易發(fā)生改變，導(dǎo)致裝置無(wú)法正常工作。并且某些液體儲(chǔ)能介質(zhì)需要配備附屬設(shè)備，如去離子水介質(zhì)(相對(duì)介電常數(shù)\=81)雖然擁有相對(duì)較高儲(chǔ)能密度，但是其需要附屬設(shè)備以維持其高電阻率，導(dǎo)致整個(gè)脈沖功率裝置體積龐大。
[0004]與液態(tài)介質(zhì)相比，固體儲(chǔ)能介質(zhì)由于具有高介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)(即具有高儲(chǔ)能密度)，同時(shí)兼具低介電損耗和高電阻率等優(yōu)點(diǎn)，基于固體儲(chǔ)能介質(zhì)傳輸線的脈沖功率源裝置本身具有小型化，長(zhǎng)壽命和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。脈沖形成線的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)有同軸結(jié)構(gòu)和平板結(jié)構(gòu)兩種。固態(tài)脈沖形成線一般采用平板結(jié)構(gòu)，如中國(guó)工程物理研宄院流體物理研宄所研制的固態(tài)脈沖功率裝置【湛怡，夏連勝，王衛(wèi)，等.“基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)和平板線的固態(tài)脈沖功率技術(shù)”，《太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)》，2014，Vol.12，N0.1，pp:32-36]中所設(shè)計(jì)的平板脈沖形成線。該裝置使用平板結(jié)構(gòu)的脈沖形成線，選擇CaO-T12-Al2O3為原料，通過(guò)固相燒結(jié)法制得，其相對(duì)介電常數(shù)ε ^約23，陶瓷介質(zhì)幾何尺寸為170_X 15_X 1_，銀電極尺寸150mmX4mm，其輸出電脈沖的寬度為11.3ns。為了防止平板結(jié)構(gòu)脈沖形成線上下電極間發(fā)生沿面閃絡(luò)(一種高電壓擊穿現(xiàn)象)，該固態(tài)脈沖功率裝置將平板結(jié)構(gòu)脈沖形成線中的介質(zhì)板做得很寬(介質(zhì)板寬15_，銀電極寬4mm)，減小了儲(chǔ)能材料實(shí)際應(yīng)用體積，影響了整個(gè)脈沖功率裝置的小型化指標(biāo)。此外，在需要拓展該固態(tài)脈沖功率裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，該裝置輸出電脈沖的寬度也是不夠的。
[0005]同軸結(jié)構(gòu)的脈沖形成線由于內(nèi)電極包含在外電極之中，屏蔽效果較好，對(duì)周圍的寄生耦合較小，也得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)用新型專利“一種基于玻璃陶瓷介質(zhì)的同軸固態(tài)脈沖形成線”(專利號(hào):CN 203589443 U)，給出了一種基于玻璃陶瓷介質(zhì)的同軸固態(tài)脈沖形成線，包括筒狀玻璃陶瓷介質(zhì)、內(nèi)電極、外電極和半導(dǎo)體涂層，內(nèi)外電極分別燒制在該筒狀玻璃陶瓷介質(zhì)的內(nèi)外壁上，半導(dǎo)體涂層涂敷在內(nèi)外電極以外的玻璃陶瓷介質(zhì)表面；此外，
S.K.Sharma, P.Deb 和 R.Shukla 等人 2011 年在《科學(xué)儀器評(píng)論》(Review of ScientificInstruments)上發(fā)表的論文“一種緊湊型鋇鈦陶瓷脈沖形成線”中的脈沖形成線也采用了同車由結(jié)構(gòu)【S.K.Sharma，P.Deb, R.Shukla, et al.Compact pulse forming line usingbarium titanate ceramic material.Review of Scientific Instruments，2011，82(11)，pp: 115102-115102-3】。這兩篇文獻(xiàn)中提到的固態(tài)同軸脈沖形成線輸出電脈沖的寬度T =2 ( \) 1/2l/c (I為同軸脈沖形成線的軸向長(zhǎng)度，c為真空中光速)，因此如果確定了形成線介質(zhì)材料，只有通過(guò)增加形成線的軸向長(zhǎng)度，才可以增加固態(tài)同軸脈沖形成線的輸出電脈沖的寬度。
[0006]鑒于脈沖功率技術(shù)小型化、長(zhǎng)脈沖和長(zhǎng)使用壽命的要求，目前小型化固態(tài)脈沖形成線面臨輸出電脈沖寬度不夠的困難，而平板結(jié)構(gòu)脈沖形成線又因上下電極間容易發(fā)生表面電閃絡(luò)擊穿限制其電壓提升；同時(shí)，適用于脈沖功率裝置的大體積陶瓷成型制備難度很大，而且固態(tài)介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)隨著介質(zhì)厚度的增加而顯著下降，固態(tài)介質(zhì)難以發(fā)揮其高擊穿場(chǎng)強(qiáng)能力，所以單純?cè)黾庸虘B(tài)脈沖形成線長(zhǎng)度和厚度并不能解決上述問(wèn)題。因此，在固態(tài)介質(zhì)的原有體積尺寸限制下，設(shè)計(jì)一種能夠增加輸出電脈沖寬度的固態(tài)脈沖形成線結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域技術(shù)人員極為關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】:
[0007]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)現(xiàn)有固態(tài)脈沖形成線能夠輸出電脈沖的寬度有限，而且平板結(jié)構(gòu)脈沖形成線上下電極間容易發(fā)生閃絡(luò)限制其高電壓運(yùn)行能力的問(wèn)題，提出一種適用于小型化高功率脈沖功率裝置的螺旋結(jié)構(gòu)同軸固態(tài)脈沖形成線。
[0008]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0009]一種基于螺旋結(jié)構(gòu)的同軸固態(tài)脈沖形成線，由筒狀陶瓷介質(zhì)、筒狀金屬外電極和筒狀金屬內(nèi)電極組成，三者之間為同心排列，由內(nèi)向外依次為筒狀金屬內(nèi)電極、筒狀陶瓷介質(zhì)、筒狀金屬外電極。
[0010]所述筒狀陶瓷介質(zhì)由氧化鋁陶瓷制成，其軸向長(zhǎng)度為Itl，筒內(nèi)外半徑分別為r1、r2，(γ2-Γι)為該筒狀陶瓷介質(zhì)的壁厚，該筒狀陶瓷介質(zhì)的壁厚由脈沖形成線設(shè)計(jì)的耐壓值決定；對(duì)于同軸固態(tài)脈沖形成線，為了保證輸出電脈沖波形質(zhì)量，一般軸向長(zhǎng)度ItlAr2，通常取 lQ/r產(chǎn) 10。
[0011 ] 所述筒狀金屬內(nèi)電極和筒狀金屬外電極分別通過(guò)燒制附著在所述筒狀陶瓷介質(zhì)的內(nèi)壁和外壁，筒狀金屬內(nèi)電極和筒狀金屬外電極的長(zhǎng)度均為I1，為減少筒狀金屬內(nèi)電極和筒狀金屬外電極邊緣發(fā)生沿面擊穿的可能，兩個(gè)電極的兩端距離筒狀陶瓷介質(zhì)的兩端均有一定的距離I2，滿足I2= (I o-li)/2 ^ 1cm，I2為筒狀陶瓷介質(zhì)兩端伸出金屬內(nèi)電極和金屬外電極的長(zhǎng)度，本實(shí)用新型取I2= 1cm。
[0012]所述筒狀金屬外電極上加工有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽的螺距為p，螺旋凹槽的寬度為δ，螺旋凹槽的深度需保證磨去外電極上的原有金屬層。經(jīng)驗(yàn)上，要求(P-S)Mmm，以減少該脈沖形成線放電時(shí)螺旋面的匝間發(fā)生電擊穿；要求δ/(P-δ) >3，防止脈沖形成線的電磁耦合；色散條件要求螺