具有可调节斜率的基本四边形形状的大功率脉冲的发生器

摘要

本发明涉及一种属于LTD系列的大功率脉冲发生器，所述脉冲发生器包括两个功率模块组，其中一个为标准模块(3s)组以及另一个为变化模块(3m)组，每个模块组包括开关(6s；6m)，所述开关设置有触发电极(9s；9m)，所述触发电极被串联布置在两个电容器(4s；4m)之间，变化模块设置用于产生频率基本为标准模块频率三倍的脉冲，以及触发装置(13)设置用于通过应用于触发电极(9s；9m)的单个触发信号来控制标准开关和变化开关(6s；6m)，其特征在于，触发信号经过触发阻抗(10m；10s)而应用于开关，标准模块的触发阻抗与变化模块的触发阻抗不同，以及产生的脉冲的平台斜率取决于标准阻抗值和变化阻抗值之间的差值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种LTD(“直线型变压器驱动源”)系列的大功率脉冲发 生器，更具体地涉及能够提供四边形形状的脉冲的发生器，其中脉冲上部 的斜率是可调节的。

背景技术

“大脉冲功率”的技术领域所使用的发生器能够提供几百万伏特的电压 和几百万安培的电流强度的极短脉冲。已知的发生器例如马克思发生器， 在马克思发生器中借助于称为开关的受控放电器来使电容器并联充电以及 串联放电。这种开关例如在法国专利申请FR2879842中是已知的，可参考 该专利申请以得到这种开关的更详细的描述。

最近使用由多个模块构成的“直线型变压器驱动源”或LTD型的发生 器，每个模块包括在两个电容器之间串联布置的开关，当开关闭合时，使 电容器并联充电和串联放电，如此产生的电流脉冲与所有其它模块的电流 脉冲和，以形成大功率脉冲。然而，这些脉冲通常具有几乎为正弦曲线的 形状，对于一些应用，需要具有基本四边形或梯形形状的脉冲。

已知由KIM，MAZARAKIS等人发表在2012年4月3号的第15期 Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams杂志中的“Square  pulse linear transformer driver”一文中，LTD型发生器包括两个功率模块组， 其中第一标准模块组包括具有第一电容值的一对电容器，所述电容器适用 于产生第一频率的脉冲，以及第二变化模块组包括具有第二电容值的一对 电容器，所述电容器适用于在开关闭合时产生频率为第一频率三倍的脉冲。 通过应用傅氏定理，这两个脉冲在负载上的组合提供了基本矩形的合成脉 冲，所述脉冲具有上升斜线、平台(plateau)和下降斜线。然而作者建议 这种脉冲的平台具有上升或下降斜率，这种脉冲可最佳适用于例如氢聚变 (轴向缩颈机)、快速射线照相(强X辐射)、又或大功率微波的一些应用。

该文章建议可通过改变变化模块的电感、例如通过改变将电容器与负 载连接的导线的宽度来调节平台斜率。然而，该方法具有以下缺点：导致 模块电感下降的导线宽度的增大由于体积和导线间绝缘的原因而被限制。 此外，导线宽度的减小降低了最大容许功率，以及由于电感增大而增大了 脉冲宽度，因此破坏了发生器的性能。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种LTD型发生器，所述发生器适用于传 送四边形形状的大功率脉冲，其中脉冲的平台斜率可被调节而不具有现有 技术的缺点。

本发明的目的在于提供的这种发生器能够保持最佳输出性能，更具体 地保持最佳输出功率。

本发明的目的还在于在提供的这种发生器中，可无改动地、更具体地 不增加发生器的电感而实施脉冲形状的调节。

本发明的目的还在于在提供的这种发生器中，可容易地实施脉冲的平 台斜率调节而无需加工或改变发生器零件。

本发明的目的还在于这种发生器的调节可在制造结束时执行，同时保 留最多的标准零件。

为此，本发明涉及一种大功率脉冲发生器，其包括：

-第一功率模块组，即标准模块组，每个标准模块包括开关，即标准 开关，所述标准开关设置有触发电极并且与具有第一电容值的至少一个电 容器串联布置，所述标准模块适用于在开关闭合时产生具有第一频率的脉 冲，

-第二功率模块组，即变化模块组，每个变化模块包括开关，即变化 开关，所述变化开关设置有触发电极并且与具有第二电容值的至少一个电 容器串联布置，所述变化模块适用于在开关闭合时产生具有第二频率的脉 冲，所述第二频率基本为第一频率的三倍，

-包括磁核的心核，所述磁核包括至少一个铁磁环，所述至少一个铁 磁环适用于在与所述铁磁环同心的负载中实施由标准模块和变化模块产生 的脉冲的和，并且得到包括上升斜线、平台和下降斜线的基本四边形的合 成脉冲，

-适用于通过应用于触发电极的触发信号来控制标准开关和变化开关 的触发装置，

其特征在于，所述触发信号通过与开关的触发电极连接的触发阻抗被 应用至开关，变化开关的触发阻抗、即变化阻抗与标准开关的触发阻抗、 即标准阻抗不同，以及脉冲的平台斜率取决于标准阻抗值和变化阻抗值之 间的差值。

为了试图解决所有其它问题，在开关触发的时间快进(gigot)的情况 下，发明人意外观察到变化开关的触发脉冲的变化对脉冲的平台斜率存在 影响。发明人还观察到影响参数为变化开关与标准开关之间的触发阻抗值 的差值。由于该意外的技术影响，现在可实施能够提供平台斜率可调节的 大功率四边形脉冲的脉冲发生器而无需改变功率模块的结构。脉冲的简单 改变还能够根据所考虑的用途来使脉冲发生器适用，例如对于轴向缩颈机 采用上升平台脉冲发生器。

有利地根据本发明，标准开关和变化开关的触发阻抗中的每个都包括 至少一个触发电阻，即分别为标准电阻和变化电阻。而且，(标准和变化) 模块的触发阻抗基本由纯电阻构成，但是还可包括串联的电感，对于相同 或不同的电感值，标准电阻和变化电阻具有不同阻值，反之亦然。然而实 际上，触发阻抗为电阻。

有利地根据本发明，大于确定阈值的标准电阻和变化电阻之间的差值 确定了脉冲平台的增大斜率。阈值取决于多个参数，例如发生器的结构(变 化模块的数量/标准模块的数量)、使用的开关的类型和尺寸以及流经开关 的电流。在该情况下，流经变化模块开关的电流(由于电容器的容量较小 而)小于流经标准开关的电流。标准电阻和变化电阻之间的差值的阈值由 能够得到基本水平的脉冲平台的差值来确定。此外，小于在标准电阻和变 化电阻之间的确定阈值的差值确定了脉冲平台的减小的斜率。

标准模块和变化模块还可使用不同的开关。通过使用可适用于流经每 个模块的电流的开关，确定阈值通常为零，并且小于标准电阻的变化电阻 能够得到脉冲平台的增大的斜率。

而且，在用于两个变化模块的包括例如六个标准模块的现有技术的脉 冲发生器中，两个电阻的改变足以确定输出脉冲的形状。

有利地根据本发明，触发电阻由粘合的碳棒形成。通过使用粘合碳式 固体电阻，可得到低成本的具有精确阻值的电阻。可以理解，该类型发生 器中还可使用其它类型的电阻，如填充有电解质溶液的管道形成的液体电 阻，所述电解质例如溴化钾或硫酸铜，又或由装填有碳颗粒的弹性材料圆 柱体形成的电阻。这些电阻为液体或弹性的，材料的长度、截面和电阻率 确定电阻值。

有利地根据本发明，脉冲的平台斜率还取决于在标准开关和变化开关 的闭合时刻，所述标准开关和变化开关的输入寄生电容的差值。还观察到 触发电极的寄生电容、即触发电容和地线之间的电容可对脉冲的平台斜率 产生较小程度的影响。事实上，为了闭合开关，触发信号需为该电容充电， 直到达到触发电极和其中一个开关电极之间的击穿电压。该充电通过触发 电阻到达该电容值，如触发电阻的阻值，该充电确定了应用触发信号与开 关闭合之间的延迟。

有利地根据本发明，标准开关和变化开关的输入电容取决于所述标准 开关和变化开关的直径。事实上注意到，开关输入电容在相同伺服电压上 随直径增加。因此可通过改变标准开关或变化开关的直径来影响所产生脉 冲的平台斜率。

有利地根据本发明，脉冲的平台斜率取决于在标准模块和变化模块之 间，触发信号和开关接线柱之间建立脉冲电流之间的延迟。为此，可从触 发装置的输出端完全改变标准模块和/或变化模块的触发阻抗，以向每个模 块组分配具有标准模块和变化模块之间的时间差的触发信号。

以其它方式，例如根据触发延迟在标准模块和变化模块中对开关的分 类和配对能够实现适用于提供具有预定平台斜率的脉冲的发生器。而且， 无论哪种触发延迟原因，如果变化模块的开关比标准模块的开关更灵敏， 脉冲的平台斜率增加，反之亦然。

本发明还涉及具有由前面或后面提及的全部或部分特征的组合的大功 率脉冲发生器。

附图说明

通过阅读以下详细说明和附图，本发明的其它目的、特征和优点将更 加清楚，在附图中：

-图1示意性示出了根据本发明的发生器去除盖体后的俯视图，

-图2为根据本发明的发生器的功率模块的剖视图，

-图3为根据本发明的发生器的触发装置的电路图，

-图4为示出了通过根据本发明的发生器可能得到的不同形状的脉冲 的示意图，以及

-图5为属于根据本发明的发生器的开关的功能解释示意图。

具体实施方式

描绘于图1中的发生器1包括腔体2，在所述腔体内部对称且均匀地配 置有两个功率模块组。发生器1包括具有六个功率模块的第一组，即标准 模块组，每个标准模块都由附图标记3s来标记，以及包括第二功率模块组， 即变化模块组，每个变化模块都由附图标记3m标记。

在本文中，通过带第一标号s和第二标号m的附图标记来区分标准模 块元件和变化模块元件。而且，标准功率模块标记为3s以及变化功率模块 标记为3m。当模块或元件的附图标记未由标号s或m指明时，该附图标记 无区别地应用于标准模块或变化模块。而且，考虑到全文的简化，属于变 化模块的元件可称为“变化元件”，与属于标准模块的称为标准元件的对应 元件的不同。

在图1的视图中，功率模块围绕心核成星形布置，变化模块3m占据 了十二点和六点位置，以及标准模块3s分布在变化模块的两侧且彼此成45° 角。

图2中描绘了沿图1的发生器的径向平面截取的每个模块的剖面，剖 面图的上部描绘了变化模块3m以及下部描绘了标准模块3s，每个模块都 包括开关6(分别为变化模块开关6m和标准模块开关6s)。每个开关都包 括增压绝缘腔室、在腔室的每个端部的放电电极和多个中间电极，所述中 间电极其中一个为触发电极9(分别为用于变化模块开关的9m和用于标准 模块开关的9s)。每个模块包括串联布置在开关6两侧且通过其中一个电极 与开关所对应的放电电极连接的两个电容器4(分别为变化电容器4m和标 准电容器4s)。在所描绘的示例中，标准模块3包括由绝缘盘15分隔的在 100千伏伺服电压下的具有8纳法电容的两个电容器4s(其中只有一个在 图2的下部示出)。同样，变化模块3m包括两个电容器4m，每个所述电 容器都由50千伏伺服电压下的值为1.7纳法的两个串联电容器构成。每个 电容器4s(或4m)面对开关与基本矩形的金属板形状的电容器5s(或5m) 连接，所述金属板贴靠在绝缘盘15上并且在腔体2的中心方向上延伸。导 线5穿过由铁磁材料制成的多个环构成的心核7并且形成与负载8的分界 面，所述负载由电解质溶液、例如溴化钾溶液填充的环构成。

绝缘盘15的外周包括导电环，即触发环11，所述触发环能够分布来自 触发装置13的触发信号，所述触发装置通过触发线路12与触发环11连接。

分别通过触发阻抗10m和10s将变化模块3m的触发电极9m和标准模 块3s的触发电极9s与触发环11连接。这些触发阻抗由至少一个电阻18 构成，所述电阻优选地为必要时与电感联接的粘合碳式固体电阻。在此处 描述的发生器的具体情况下，触发阻抗由纯电阻构成，所述纯电阻为用于 标准模块的标准电阻18s和用于变化模块的变化电阻18m。

标准模块、变化模块以及这两者的触发电阻容置在与绝缘板15材料相 同的两个半壳体14中并且浸在绝缘油中。

根据本发明的发生器的其中一个模块的功能之后将参照图3详细描述。

通过+100千伏电压对一个电容器4并联充电，以及-100千伏电压对另 一个电容器4并联充电，这在开关6的接线柱间产生200千伏的电势差。 由触发装置13发送的触发信号通过触发环11传送至触发电阻10和触发电 极9。通常为几十千伏的脉冲形式的触发信号引起开关6内部电势分布的改 变并且导致所述开关的闭合。一旦开关6闭合，电流流经开关并且存储于 电容器4内的能量能够产生循环于负载8中的电流。

然而观察到，在触发信号和在开关中产生电流之间存在延迟，不论在 标准模块中还是在变化模块中。另外，在该延迟的持续时间内容许几纳秒 的随机变化(快进)。在研究对于该现象的解决方法时，通过对变化模块使 用不同的触发电阻值，发明人发现由发生器提供的合成脉冲具有可变化的 脉冲平台斜率。

对该现象的经验分析得出以下解释：开关6的性能如在触发电极9和 地线之间存在触发“寄生”电容7。可以理解，在图3和5中示出的电容器 17仅为了便于表示，实际的寄生电容分布在触发电极与开关6的两个接线 柱之间、以及分布在开关6的两个接线柱和地线之间。触发电阻组件10和 电容17产生时间常数，所述时间常数引起应用触发信号与开关6有效闭合 之间延迟。

而且，当该延迟在与标准开关6s相同方向上(延迟或提前)影响变化 开关6m时，由变化开关产生的脉冲具有相对于由标准开关产生的脉冲的 相位差。如图4所示，该相移差造成脉冲的平台斜率。在该图中，以实线 描绘了由字母A标记的通过发生器得到的脉冲形状，其中标准模块的触发 延迟等于变化模块的触发延迟。可观察到该脉冲的(两条垂直标记线之间 的)平台为基本水平的。以虚线描绘了由字母B标记的当标准模块的触发 延迟大于变化模块的触发延迟时得到的脉冲形状(上升斜率)，以及以混合 线描绘了由字母C标记的当变化模块的触发延迟大于标准模块的触发延迟 时得到的脉冲形状。

图5中示意性示出的根据本发明的发生器能够最佳体现发生器功能。 在该图中，以3m标记的变化模块表示发生器变化模块的和，以及以3s标 记的标准模块表示发生器标准模块的和。

当触发信号被发送至标准模块3s时，触发电阻18s和模块的输入寄生 电容器17s形成RC电路，所述RC电路适用于引起开关6s的闭合延迟， 该延迟取决于触发电阻值和输入寄生电容值的乘积。当开关6s闭合时，电 容器4s经过负载8中的开关而进行放电，形成了取决于电容器4s值的具 有第一频率的第一脉冲。

变化模块3m的功能相同。开关6m的延迟闭合取决于触发电阻18m 和寄生电容17m，并且引起了取决于电容器4m值的具有第二频率的第二 脉冲的产生。第二频率设置为第一频率的三倍。

两个脉冲在负载8中组合，以产生四边形合成脉冲。变化模块和标准 模块的闭合延迟的差值引起了这些脉冲彼此的相位差，通过应用傅氏定理 来决定合成脉冲的平台斜率。

然而注意到，电容17m和17s的值很小，为15皮法，较难进行改变， 只能改变开关直径。因此可通过使用标准模块和变化模块之间的不同直径 的开关来改变这些电容值。然而，该改变被体积约束所限制，开关直径的 增大引起发生器直径的整体增大，以保持开关之间的分隔距离。

因此优选地改变触发电阻值以得到脉冲平台的期望斜率。作为示例， 对于直径为140毫米的标准开关6s和直径为78毫米的变化开关6m，以及 对于500欧姆的标准模块触发电阻18s，330欧姆的变化模块触发电阻18m 的使用引起了脉冲平台的增大的斜率，540欧姆的触发电阻18m提供了基 本水平的斜率，以及1000欧姆的触发电阻18m提供了减小的斜率。通过 使用与直径为140毫米的标准开关6s相同的变化开关6m，540欧姆的标 准触发电阻和330欧姆的变化触发电阻导致了基本水平的斜率。

可以理解，与特定的LTD发生器相关的本发明的以上详细描述仅作为 示意性举例给出，本领域技术人员可在不超出本发明的范围的情况下作出 多种改变，例如将本发明应用于不同几何形状的发生器，所述发生器包括 多个不同的腔体模块(例如腔体模块40)，或具有变化模块和标准模块的不 同数量比，又或由多个串联的腔体构成发生器。而且，功率模块可为双极 性的(例如所示的示例中为+100千伏并且开关串联在电容器之间)，或为 单极性的并且单个电容器与开关串联，通过一个或多个不同电压(50千伏) 供电，等等。可通过例如所描绘的示例中的油池、或通过例如增压干燥空 气的气体又或其它方式来使模块绝缘。