基于主动层和被动层异种材料的螺旋发生器

本发明涉及高功率脉冲驱动源的高压纳秒脉冲发生器，尤其涉及一种主动层采用相对介电常数较小的绝缘薄膜，被动层采用相对介电常数较大的绝缘薄膜的新型螺旋发生器。

背景技术：

1、高压纳秒脉冲发生器在脉冲功率领域得到了广泛研究和应用，如用于制作开关触发器、便携式x射线设备、rf振荡器、爆炸发生器等，高幅值、快上升时间、体积重量小、全固态是其重要发展方向。常用的高压纳秒脉冲发生器有marx发生器、脉冲变压器、螺旋发生器等。相较于marx发生器和脉冲变压器等高压纳秒脉冲发生器，螺旋发生器具有单开关操作、储能升压为一体、结构紧凑等优点。螺旋发生器的结构示意图如图1所示，螺旋发生器组件距离圆心o由近至远依次为内金属带1-1、被动层1-2、外金属带1-3、主动层1-4。被动层1-2和主动层1-4采用厚度相同、宽度相同、相对介电常数也相同的绝缘材料制成。内金属带1-1和外金属带1-3采用厚度相同、宽度相同的金属带制成。螺旋发生器按照内金属带1-1、被动层1-2、外金属带1-3、主动层1-4的顺序由下至上依次铺设，并围绕着一个半径为r的塑料内筒卷绕成阿基米德螺旋形状，然后内金属带1-1相较于外金属带1-3往外再多绕制了弧线mn(即从m点到n点连成的圆弧)这一圈，最终卷绕完成。卷绕完成后螺旋发生器的内半径为r(r＝r)，匝数为n，长度为l，其中匝数n为主动层1-4的圈数，l等于主动层1-4的长度。直流电源3通过充电电阻4对螺旋发生器充电至电压uc，然后闭合输入开关6，螺旋发生器将在负载7上产生第一峰值为u0、上升时间为tr、升压效率为α、升压比为β、电压变化率为η的输出电压波形，其中升压效率α＝u0/2nuc，升压比β＝u0/uc，上升时间tr＝2l/v，v为主动层1-4中波的传播速度，电压变化率η＝u0/tr。在工程应用中，螺旋发生器还存在一些问题，一是输出电压波形高升压比和快上升时间较难兼得；二是为了实现螺旋发生器系统的全固态化，需要采用固态开关作为螺旋发生器的输入开关。但在数千伏的充电电压下，螺旋发生器输入开关的峰值电流及电流上升率较大，且螺旋发生器输入开关的电感和通态阻抗也会很大程度影响螺旋发生器的输出性能，因此满足螺旋发生器输入开关要求的固态开关在国内较难获得。

2、为了得到高升压比的输出电压波形，螺旋发生器往往需要增加匝数或增加金属带的宽度或增加其内半径，但这既会增加螺旋发生器输出电压波形的上升时间，还会增加螺旋发生器的尺寸，故不利于系统实现小型化和紧凑化；如果同时增加螺旋发生器主动层和被动层的相对介电常数，虽然可以一定程度上提高螺旋发生器的升压比，但其输出电压波形上升时间会变长且输入开关的峰值电流会变大。虽然工程上可以采取在螺旋发生器的输出端加上锐化火花开关等方法来缩短上升时间，但加入锐化火花开关后系统抖动增加且重频性能受限。故目前需要研究一种螺旋发生器，能在既不增加尺寸又不使用锐化火花开关的情况下，得到高升压比、快上升时间的输出电压波形且不增加输入开关的峰值电流。

3、2018年p g pouraimis、a p platis、j m koutsoubis等人在论文《用于触发应用的紧凑型高压纳秒脉冲发生器》【用于触发应用的紧凑型高压纳秒脉冲发生器[a].2018ieee高压工程与应用国际会议,2018:1–4.】中报道了一种基于hostaphan聚酯薄膜的螺旋发生器，该螺旋发生器的被动层1-2和主动层1-4均采用的hostaphan聚酯薄膜作为绝缘材料。卷绕完成后螺旋发生器匝数n为16、长度l为9m。该螺旋发生器输出电压波形的上升时间tr约为100ns、升压比β为6.6、升压效率α为21％。2021年yan jiaqi、susan parker、simon bland等人在论文《利用晶闸管输入开关的高压螺旋发生器的研究》【利用晶闸管输入开关的高压螺旋发生器的研究[j].ieee transactions on power electronics,2021,36(9):10005-10019.】中报道了一种基于mylar薄膜的螺旋发生器，该螺旋发生器的被动层1-2和主动层1-4均采用相对介电常数约为3的mylar薄膜作为绝缘材料。卷绕完成后螺旋发生器的内半径r为10cm，匝数n为24，长度l为9.05m。该螺旋发生器输出电压波形的上升时间tr为105ns、升压比β为10、升压效率α仅为20.8％。为实现螺旋发生器系统的全固态化，yanjiaqi尝试了多种固态开关作为系统的输入开关，结果都不理想。他最终选择了sp205-01开关，但类似的固态开关在国内较难获得。

技术实现思路

1、目前螺旋发生器系统正在朝全固态化、低抖动、小型化方向发展。当用作气体开关触发器时，螺旋发生器的输出电压波形需要满足高幅值、快上升时间的要求，从而提高气体开关的稳定性和准确性。然而现有螺旋发生器存在快上升时间和高升压比的输出性能较难兼得、因输入开关峰值电流较大导致满足螺旋发生器输入开关要求的固态开关较难获得的问题。针对这两个问题，本发明提出了一种基于主动层和被动层异种材料的新型螺旋发生器—主动层采用相对介电常数较小的绝缘薄膜，被动层采用相对介电常数较大的绝缘薄膜。该新型螺旋发生器能在输出端不使用锐化火花开关的情况下，得到快上升时间和高升压比兼得的输出电压波形且输入开关的峰值电流也相对较低。

2、本发明的技术方案是：

3、本发明基于主动层和被动层异种材料的螺旋发生器距离圆心由近至远依次为内金属带、被动层、外金属带、主动层。按照内金属带、被动层、外金属带、主动层的顺序由下至上依次铺设，并围绕一个半径为r(5mm≤r≤100mm)的塑料外筒卷绕成阿基米德螺旋形状，然后内金属带相较于外金属带往外再多绕制了弧线mn(即从m点到n点连成的圆弧)这一圈，弧线mn的长度为l(30mm≤l≤1000mm)，最终卷绕完成。卷绕完成后螺旋发生器的内半径为r(r＝r)、匝数为n(3≤n≤40)、长度为l(0.1m≤l≤30m)，其中匝数n为主动层的圈数。本发明基于主动层和被动层异种材料的螺旋发生器的主动层由宽度为w1(20mm≤w1≤400mm)、厚度为d1(0.1mm≤d1≤2mm)、相对介电常数为ε1(ε1≤2.5)、长度为l1(l1＝l)的绝缘薄膜制成，被动层的宽度为w2(w2＝w1)、厚度为d2(d2＝d1)、相对介电常数为ε2(ε2≥3且ε2>ε1)、长度为l2(l2＝l)的绝缘薄膜制成，内金属带由宽度为w3(10mm≤w3≤100mm)、厚度为d3(0.1mm≤d3≤2mm)、长度为l3(l3＝l+l)的铜带制成，外金属带由宽度为w4(w4＝w3)、厚度为d4(d4＝d3)、长度为l4(l4＝l)的铜带制成。

4、采用本发明可以达到以下技术效果：

5、1.本发明提出一种基于主动层和被动层异种材料的新型螺旋发生器—主动层采用相对介电常数较小的绝缘薄膜，被动层采用相对介电常数较大的绝缘薄膜。该新型螺旋发生器能在输出端不使用锐化火花开关的情况下，得到快上升时间和高升压比兼得的输出电压波形且输入开关的峰值电流也相对较低。

6、2.本发明原理简单，使用方便，应用范围广泛。