本發(fā)明涉及脈沖高電壓，具體是輕小型重頻高電壓脈沖發(fā)生器。

背景技術：

1、高壓脈沖發(fā)生器通常具有高阻抗特性，以產生峰值數十至數百千伏特、脈寬亞納秒至微秒級為特征，用于驅動高阻抗負載，比如作為高電壓氣體開關的觸發(fā)源、超寬譜輻射源驅動器、脈沖x射線機驅動源等。觸發(fā)源輸出的電壓通常為數十千伏特，常采用脈沖電器器直接放電產生高電壓脈沖，或者利用脈沖變壓器產生高電壓再經銳化電容產生快前沿脈沖。當涉及超寬譜驅動源時，則需要產生納秒或亞納秒脈沖前沿的高電壓脈沖，通常前級脈沖形成單元產生高電壓后經過高壓氫氣開關銳化輸出脈沖前沿。百千伏級脈沖x射線機驅動源通常采用marx發(fā)生器或脈沖變壓器等技術，通過緊湊化設計，實現輕小型化以滿足移動使用等場景需求。

2、現有的輕小型高壓脈沖發(fā)生器通常采用陶瓷電容儲能，一個陶瓷電容或多個陶瓷電容并聯作為marx發(fā)生器的一級，所有氣體開關排成一排，依靠前級開關導通產生的紫外光預電離下一級氣體開關，從而加快marx電壓的建立過程。其電路特點是各級陶瓷電容依次通過相同大小的1組電感或電阻并聯充電、隔離放電，結構上各級陶瓷電容和開關沿軸向依次排列。如2014年公開報道的快前沿緊湊型x光機，采用15級單極性同軸結構的marx發(fā)生器技術路線，marx每級為1個額定電壓40kv、容量7.5nf的陶瓷電容器，以1mω固體電阻作為隔離元件，在75ω負載上輸出電壓達到360kv、脈沖前沿10ns、脈寬40ns(快前沿緊湊型x光機研制，強激光與離子束，2014)。

3、同軸結構的marx發(fā)生器采用相同參數隔離元件依次隔離，前級開關導通后，后續(xù)各級開關電壓幾乎平均分配，且過電壓系數較低，導致marx電壓建立時間較長、高壓脈沖輸出時間抖動大，甚至可能出現工作不穩(wěn)定的現象，嚴重影響高壓脈沖發(fā)生器的正常使用；其次，現有的marx發(fā)生的各級電容器和開關依次沿軸向排列，使得發(fā)生器軸向結構較長，導致使用場景受限；此外，現有的marx發(fā)生的裝置尺寸和重量均有較大優(yōu)化空間。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于提供輕小型重頻高電壓脈沖發(fā)生器，能夠避免高電壓脈沖發(fā)生器存在開關過電壓系數低、軸向結構較長、輕小型化程度有限的問題，能夠滿足便攜式、高可靠的應用需求。

2、為實現上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

3、一種輕小型重頻高電壓脈沖發(fā)生器，包括絕緣支架、聯排開關、獨立開關、儲能單元、隔離電感和外殼結構，所述絕緣支架內壁兩側對稱地安裝多個開關電極頭，形成多個自擊穿開關組成的聯排開關；絕緣支架由絕緣材質制成，能夠作為高電壓脈沖發(fā)生器的骨架結構，有利于維持高電壓脈沖發(fā)生器物理結構的穩(wěn)定性和可靠性；

4、所述獨立開關的絕緣殼內部兩側對稱地安裝兩個開關電極頭，形成獨立的自擊穿開關；

5、所述儲能單元與所述聯排開關、所述獨立開關及所述隔離電感連接，形成充電回路和放電回路，所述儲能單元用于存儲外部電源提供的電能，并在開關導通時快速釋放存儲的電能；

6、所述隔離電感連接于所述儲能單元之間，所述隔離電感用于隔離儲能單元，所述儲能單元與所述所述聯排開關、獨立開關形成折疊結構的marx主放電回路，marx主放電回路包括多級放電單元，每級放電單元均由一個儲能單元(電容)和一個開關構成，所有儲能單元通過隔離電感并聯充電，相互隔離放電，各級放電單元依次連接，形成串聯放電電路，產生脈沖高電壓。通過部分隔離電感跨級隔離儲能單元，提高開關的過壓系數，有利于marx主放電回路快速導通，使高電壓脈沖發(fā)生器的輸出更加穩(wěn)定。

7、所述絕緣支架卡接于外殼結構的內壁上，所述外殼結構的內部充入有氣體，通過采用氣體絕緣，能夠實現輸出數百千伏特的電壓，有利于高電壓脈沖發(fā)生器的輕小型化。

8、作為本發(fā)明進一步的方案：所述絕緣支架為對稱的扁平狀支架，絕緣支架的側面貫穿開設有若干個穿口，且相鄰的穿口之間形成有多個垂直穿口排布方向的側翼，若干個穿口能夠作為絕緣支架的散熱通道，能夠加強絕緣支架的內部的氣體流通，且穿口能夠為開關結構與絕緣支架之間的連接提供安裝空間，有利于保證開關結構的正常啟用。

9、作為本發(fā)明進一步的方案：所述絕緣支架的每個穿口內壁上下兩側通過電極頭連接件對稱地安裝兩個開關電極頭，所有穿口內安裝開關電極頭后形成與絕緣支架一體化集成的聯排開關。

10、作為本發(fā)明進一步的方案：共有2n級儲能單元，且儲能單元為陶瓷電容器，所有陶瓷電容器分為兩組，第1級、第4級、第5級、第8級、第9級…為第一組，位于絕緣支架的頂部；第2級、第3級、第6級、第7級、第10級…為第二組，位于絕緣支架的底部，第1級至第2n級陶瓷電容器串聯放電時呈現為沿絕緣支架上下往返的n層折疊形放電路徑。

11、作為本發(fā)明進一步的方案：所述獨立開關的絕緣殼內部兩側通過電極頭連接件對稱地連接兩個開關電極頭，形成獨立的自擊穿開關，所述第一組陶瓷電容器上端和第二組陶瓷電容器下端分別連接有開關連接片，兩個級數相鄰的陶瓷電容器之間通過開關連接片連接一個獨立開關。

12、作為本發(fā)明進一步的方案：所述隔離電感包括a組電感、b組電感、c組電感和d組電感，所述a組電感、b組電感、c組電感和d組電感對稱地分布在所述陶瓷電容器的兩側，a組電感、b組電感、c組電感和d組電感均包括若干個電感，每組電感均由多個長電感和短電感交替連接組成，長電感隔離級數差3級的儲能單元，短電感隔離級數相鄰的儲能單元；長電感與短電感均為高壓隔離電感，長電感與短電感的接觸部連接有電感連接片，所述電感連接片分為兩組，一組電感連接片壓接在陶瓷電容器和聯排開關電極頭連接件之間，另一組電感連接片連接在陶瓷電容器與獨立開關的開關連接片之間。

13、作為本發(fā)明進一步的方案：所述高電壓脈沖發(fā)生器還包括觸發(fā)連接片、輸出連接片和輸出電極，觸發(fā)連接片貫穿連接在第1級陶瓷電容器的高壓端，輸出連接片貫穿連接在最后一級陶瓷電容器的接地端，用于將輸出電壓引導至高電壓脈沖發(fā)生器的軸心；輸出電極通過螺帽安裝在高電壓脈沖發(fā)生器輸出端絕緣蓋板的中心，與輸出連接片下端相對并保留一定大小的間距作為輸出銳化開關間隙。

14、作為本發(fā)明進一步的方案：所述外殼結構包括導軌、金屬外筒、蓋板和絕緣蓋板，所述導軌對稱地焊接在金屬外筒內壁的兩側上，絕緣支架通過導軌進入金屬外筒并與其固定的方式，能夠滿足安裝便捷、固定可靠的應用需求；蓋板與絕緣蓋板固定在金屬外筒的兩端開口上，蓋板的一側固定有限位板，限位板用于對絕緣支架進行限位，金屬外筒與蓋板以及絕緣蓋板連接形成封閉的空腔。

15、作為本發(fā)明進一步的方案：所述a組電感的一端連接有第一根充電電纜，該充電電纜另一端穿過第一個絕緣座；b組電感的一端連接第二根充電電纜，第二根充電電纜另一端穿過第二個絕緣座；c組電感的一端通過導線連接接地電感；d組電感的一段通過彈簧與蓋板進行電連接。

16、作為本發(fā)明進一步的方案：所述蓋板的一側貫穿連接有若干個氣嘴，蓋板的另一側連接彈簧，蓋板內貫穿安裝有觸發(fā)組件，觸發(fā)組件距離觸發(fā)連接片一定大小的間距，形成觸發(fā)開關間隙。

17、與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

18、1、本發(fā)明中，通過設置一種與氣體開關結構一體化集成的扁平狀多翼結構的絕緣支架，并固定連接儲能單元與隔離電感，能夠避免高電壓脈沖發(fā)生器存在開關過電壓系數低、軸向結構較長、輕小型化程度有限的問題，通過采用導軌進入金屬外筒的絕緣支架固定方式，能夠滿足安裝便捷、固定可靠的應用需求。

19、2、本發(fā)明中，通過將所有陶瓷電容器分成2組，并采用2種規(guī)格的電感進行跨級隔離，滿足陶瓷電容器并聯充電、跨級隔離放電的使用需求，能夠有效提高第一級開關觸發(fā)導通后其余開關的過電壓系數，實現高壓脈沖發(fā)生器重頻運行的可靠性和穩(wěn)定性。

20、3、本發(fā)明中，通過采用多翼結構的絕緣支架，使半數的開關與絕緣支架一體化集成，其余開關上下分布，同時兩組陶瓷電容器分別布局在絕緣支架的上下方，marx主放電回路形成折疊結構marx發(fā)生器電路的形式，既減小了軸向長度，也省掉了絕緣內筒，大幅提高裝置輕小型化程度。

21、4、本發(fā)明中，高壓脈沖發(fā)生器內部采用氣體絕緣相對氣壓為1個大氣壓，滿足尺寸小、重量輕的結構要求，同時，使用維護方便、工作穩(wěn)定可靠，能夠作為便攜式脈沖x射線機脈沖驅動源，同時滿足脈沖高電壓和輕小型化等使用需求。

22、5、本發(fā)明中，高壓脈沖發(fā)生器電路及結構設計巧妙、輕小型化程度高，電容級數等電路參數拓展性強，可用于多種用途的輕小型高壓脈沖驅動源研制。