脈衝功率源

在相對論電子注器件中，是用脈衝功率源提供強流相對論電子注的，脈衝功率源起了相當於傳統微波管中電子槍的作用。

基本介紹

• 中文名：脈衝功率源
• 作用：用於能量壓縮並釋放能量

脈衝功率技術的概念

脈衝功率技術指的是將低功率（電壓、電流）能量儲存在電場或磁場中，通過脈衝形成線和開關技術將其在時間尺度上壓縮，而將電壓、電流提高，以獲得極短脈衝的高峰值功率電磁能量並釋放到負載上去的一種能量壓縮技術。由此可見，脈衝功率裝置應該主要包括3大基本部分：低功率下的儲能部分——初級能源；脈衝產生系統，即由低功率獲得高功率的變換部分——脈衝形成及壓縮系統；高功率負載——二極體系統。

脈衝功率裝置是相對論電子注器件不可分割的組成部分，它的性能直接影響著器件的輸出參數。

馬克斯發生器——脈衝形成線——二極體組合是一種最典型、使用最廣泛的脈衝功率裝置；採用直線脈衝變壓器或Tesla變壓器都可以替代馬克斯發生器產生初級高壓脈衝對脈衝形成線充電。直線脈衝變壓器的特點是電容器組的充電和放電過程都是並聯的，利用變壓比為1:1的脈衝變壓器使次級電壓因感應電壓疊加原理而與初級線圈電壓成N倍（N為初級線圈的個數）增長；Telsa變壓器簡單可靠，特別是它與同軸形成線在結構上一體化，十分緊湊，它還適合於重複頻率運行，但它難以獲得數兆伏電壓和大的儲能，因此適合中、小功率套用。

爆炸磁壓縮脈衝功率系統也是高功率微波中得到重要套用的一種高功率脈衝源，它可以在us量級的時間內輸出MJ量級的能量。其最主要的缺點是只能一次性使用。

脈衝線加速器

脈衝線型電子加速器是套用十分廣泛的一種脈衝功率裝置，圖1-1給出了脈衝線加速器的結構示意圖，它主要包括直流電源、馬克斯發生器、脈衝形成線、開關和真空二極體等部分。

圖1-1 脈衝線型電子加速器原理示意圖

馬克斯發生器

馬克斯發生器是一種降多個電容器並聯經直流電源充電後，通過一些開關使電容器串聯的放電的系統，得到的放電電壓可以是充電電壓與電容器個數的乘積。圖1-2是一個4級馬克斯發生器的電路示意圖，首先，直流電源多4個並聯電容器充電到電壓，然後觸發火花隙開關S，4個並聯電容被串聯，從而產生4的輸出電壓。氣體火花隙開關是利用絕緣電極之間充入大壓縮氣體（一般為空氣、氮氣、六氟化硫等）在高壓下被擊穿形成電漿傳導通道而接通電路的一種器件，它是馬克斯發生器的重要部件。馬克斯發生器一般浸沒在變壓器油中以保證足夠的絕緣。

圖1-2 4級馬克斯發生器電路原理

脈衝形成線

一般由馬克斯發生器獲得的脈衝的持續時間在us量級，如果直接連線負載，則不可能得到高功率，而且與負載往往也不匹配。因此，必須對初級脈衝發生器產生的輸出脈衝進行整形和壓縮，其方法是在初級脈衝發生器後接電容型或電感型脈衝儲能器，再通過閉合型或斷路型開關驅動負載，這就是脈衝形成線的功能。

脈衝形成線利用電壓波在一定長度和一定波阻抗的傳輸線上的往來反射成一定脈寬的電壓脈衝，由於脈衝形成線的長度總是有限的，再長也不會超過幾十米，而電壓波線上上的傳播速度通常與光速同一數量級，因此通過多次反射形成的電壓波形很窄，一般脈寬僅幾十到上百納秒；與此同時，初級脈衝十分不規則的波形在此過程中被整形或形成更接近矩形形狀的脈衝，這就是脈衝形成線的工作原理。

脈衝形成線可以有多種結構，目前套用最多的是布魯姆萊茵傳輸線，它由3個同軸圓筒組成（參見圖1-1），筒間充油或水作為絕緣介質，充油稱為油線，充水則稱為水線。中筒與馬克思發生器相連充電，內筒通過電感與接地的外筒連線。布魯姆萊茵傳輸線可以看做是雙同軸脈衝形成的，對於相同的幾何尺寸，水線阻抗約為油線的1/6，電容約為油線的34倍，因此更適合低阻抗脈衝功率裝置，而其儲能密度則在常用液體絕緣介質中的是最高的。

當脈衝形成線被充電到額定電壓時，位於形成線終端的開關接通，脈衝形成線通過二極體的負載放電，放電過程也就是作用於二極體上的脈衝電壓的形成過程。高壓脈衝加到二極體的陰、陽極之間，陰極產生強烈的爆炸式場致發射，產生電子束，該電子束在陰、陽極之間的高電場下被加速，形成相對論電子注器件所需要的強流相對論電子束。

二極體

二極體就是脈衝功率技術中的負載，它是利用脈衝功率裝置獲得強脈衝帶電粒子束、射線、X射線和高功率微波、強雷射等最關鍵的部分。二極體有軸向絕緣和徑向絕緣兩種基本類型（圖1-3），軸向絕緣型二極體比較適合於與高阻抗傳輸線如油線配合使用，而徑向絕緣型二極體則較適合於與低阻抗的水線配用。

圖1-3 二極體的兩種基本結構類型

脈衝功率裝置中常用的陰極是爆炸發射式陰極，當場強超過100kV/cm的脈衝高壓加到陰極表面時，陰極表面上的微小凸起尖端（稱為金屬晶須）上的電場可以增強幾十倍甚至數百倍，足以產生場致發射。金屬須被發射電流迅速加熱並在數納秒內引起汽化爆炸，並形成電漿。由於在陰極表面分布有大量晶須，所以表面的局部電漿由於膨脹而會互相連線，從而在5ns~20ns的時間內形成一個覆蓋整個陰極表面的電漿鞘層，從這個鞘層中可以提取超過數kA/的電子束電流。在這個過程中，儘管在微觀上存在大量局部燒蝕現象，但在巨觀上陰極表面並沒有損傷，晶鬚髮射尖端不斷被燒蝕又在汽化爆炸過程中不斷形成新的晶須，因此爆炸式陰極可反覆使用。典型的陰極材料有鋁、石墨、不鏽鋼等，它們的特點是電流密度高，表面粗糙，可以低真空使用且壽命長。

天鵝絨也是脈衝功率裝置中常用的一種陰極，它也是一種場致發射陰極，電流密度可以達到每平方厘米數百安至數千安，其優點是表面電場強度閾值低於爆炸式陰極的閾值，因此可以避免電漿影響。其缺點就是電流密度較低，壽命也有限。

直線變壓器型加速器

在直線變壓器型加速器中，以一種特殊的1:1變壓比的變壓器來產生初級高壓脈衝，代替馬克斯發生器對脈衝形成線充電。

這種脈衝變壓器是由N個並聯的單匝初級線圈和一個單匝次級線圈組成，當各個初級迴路同時放電時，就可以在次級線圈上獲得等於初級線圈放電電壓N被的電壓輸出。

直線型變壓器的基本結構如圖1-4所示，整個變壓器實際上是一同軸線，多個磁芯套在同軸傳輸線的內導體上，每個磁芯上繞一匝初級線圈，可以多路同時激勵（並聯激勵），內導體本身就是單匝的次級線圈。內導體外表面纏繞數百層用甘油浸漬的有機薄膜作為初級和次級線圈間的絕緣，有機薄膜外的其餘空間灌滿甘油。每個初級線圈外接儲能電容器和開關，電容器和開關可以直接放在同軸線外面大氣中而無需浸在變壓器油中。這樣，當儲能電容器通過開關向所有初級線圈同時放電時，若放電電壓為U，在次級線圈上激勵起的電壓就將為NU。

圖1-4 直線脈衝變壓器的原理性結構

直線型變壓器要求數百個初級線圈的開關同步觸發，這是它的主要不便之處。

其中，1為儲能電容器；2為觸髮型氣體火花開關；3為自擊穿型氣體火花開關；4為磁芯；5為電流測量線圈；6為次級繞組（單匝）；7為次級輸出端高壓絕緣子；8為水（油）介質傳輸線外筒；9為去磁電感；10為水（油）介質傳輸線高壓電極；11為初級繞組（單匝）；12為絕緣液體（甘油）；13為初級、次級甘油浸漬有機薄膜絕緣子。

Tesla的變壓器型加速器

Tesla變壓器又叫空氣芯脈衝變壓器，用於代替馬克斯發生器對脈衝形成線充電，其最大優點是適合重複頻率運行，並已形成了專門稱之為Sinu的脈衝功率裝置系列產品，這種裝置的原理 在圖1-5中給出。

圖1-5 Tesla變壓器原理示意圖

其中，1為脈衝形成線；2為磁芯；3為初級線圈；4為錐形次級線圈；5為支承絕緣體。

Telsa變壓器的特點是：它與同軸脈衝形成線構成一體化結構，變壓器的單匝初級線圈安裝在同軸脈衝形成線外筒的內表面上，次級線圈安裝在同軸脈衝形成線內外筒之間的絕緣材料製成的錐形筒上，內外筒之間充滿變壓器油，高壓輸出端與形成線內筒相連線。這樣的結構使整個脈衝功率裝置十分緊湊；同時，在變壓器中採用了開路磁芯，緊貼在同軸傳輸線外筒內表面和內筒外表面上，克服了完全不用磁芯引起漏磁大的缺點，提高了變壓器的耦合係數。

爆磁壓縮脈衝功率裝置

爆炸磁通量壓縮發生器是目前體積最小、重量最輕的緊湊型脈衝功率裝置，它利用炸藥爆炸產生的能量進行脈衝寬度的壓縮。由於炸藥存儲的能量密度極高（大於8kJ/或5MJ/kg）,該儲能能力比現在的電容器大幾個數量級，即使磁通壓縮技術的轉換效率只有1%，在很小的封閉體積里，也可以在幾個us的時間內提供幾MJ的能量，產生數百GW量級的脈衝功率。

爆炸磁通量壓縮器的原理示意圖如圖1-6所示。圓筒狀的通關形成一個電樞，其中填充高能炸藥，而用銅繞製成的螺旋狀定子線圈套在電樞外面，並與電樞保持一定間距。在炸藥爆炸前，線圈中接入一定起動電流以產生初始磁場[圖1-6（a）],當起動電流達到峰值時，炸藥開始爆炸，金屬電樞筒膨脹並成理想錐體狀向前推進，使電樞依次不斷擴展到定子線圈的整個直徑，從而依次與線圈接觸，形成閉合迴路，中斷了起動電流[圖1-6（b）]。電樞的膨脹縮小了線圈圍繞的有效面積，壓縮了磁通，並使線圈內電流迅速上升，同時減少了定子線圈的電感，隨著電樞膨脹的持續推進，線圈電流不斷上升，並在裝置最終破碎之前，電流脈衝達到最大值。

圖1-6 爆磁壓縮裝置原理示意圖