阅读说明：本技术 一种组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线 (Combined insulation type winding ribbon pulse forming line ) 是由 李嵩 刘啸 高景明 杨汉武 张自成 闵亚飞 刘照华 晏龙波 蔡浩 陈冬群 钱宝良 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线,目的是提高脉冲形成线耐压等级及能量密度峰值。本发明由金属带和绝缘介质带组成,金属带由上金属带,中金属带和下金属带构成,绝缘介质带由上储能介质带,下储能介质带和隔离介质带构成；上储能介质带和下储能介质带均由n2层聚酰亚胺膜和n1层聚丙烯膜叠加而成；隔离介质带由n3层聚丙烯膜沿垂直于上金属带方向叠加而成；金属带和绝缘介质带按照上金属带-上储能介质带-中金属带-下储能介质带-下金属带-隔离介质带的顺序依次叠加,并卷绕成阿基米德螺旋线状。本发明通过组合绝缘方式优化高压电极边缘电场分布,提高了高功率脉冲形成线耐压等级及能量密度峰值。(The invention discloses a combined insulated winding ribbon pulse forming line, and aims to improve the withstand voltage grade and the energy density peak value of the pulse forming line. The invention comprises a metal belt and an insulating medium belt, wherein the metal belt comprises an upper metal belt, a middle metal belt and a lower metal belt, and the insulating medium belt comprises an upper energy storage medium belt, a lower energy storage medium belt and an isolation medium belt; the upper energy storage medium belt and the lower energy storage medium belt are formed by overlapping n2 layers of polyimide films and n1 layers of polypropylene films; the isolation medium belt is formed by stacking n3 polypropylene films along the direction vertical to the upper metal belt; the metal belt and the insulating medium belt are sequentially overlapped according to the sequence of the upper metal belt, the upper energy storage medium belt, the middle metal belt, the lower energy storage medium belt, the lower metal belt and the isolating medium belt, and are wound into an Archimedes spiral line shape. According to the invention, the distribution of the electric field at the edge of the high-voltage electrode is optimized in a combined insulation mode, and the voltage withstand level and the energy density peak value of a high-power pulse forming line are improved.)

一种组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线

技术领域

本发明涉及高功率脉冲驱动源技术领域的卷绕带状脉冲形成线，尤其是一种组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线。

背景技术

脉冲功率技术(Pulsed power technology)是一种以较低的功率储存能量，将能量以高得多的功率变换为脉冲电磁能量并释放到特定负载中去的电物理技术，用于产生高功率电脉冲的装置被称为高功率脉冲驱动源。20世纪60年代以来，随着核物理、电子束调制器物理、激光和等离子体物理研究的发展，脉冲功率技术作为一门高技术新兴学科迅速发展起来，是当前国际上非常活跃的前沿高科技之一，在军事领域和民用领域都有广泛的应用前景。脉冲形成装置是高功率脉冲驱动源的核心部分之一，主要用于调制脉冲波形。卷绕带状脉冲形成线作为脉冲形成装置的一种，一般使用固体绝缘膜作为储能介质，将微波工程中广泛使用的带状线放大，并进行卷绕制作而成，即指利用平板导体与绝缘介质按照一定的比例和顺序进行铺设，并卷绕成阿基米德螺旋线状，用来形成方波脉冲的一类器件。李嵩,钱宝良,杨汉武,等人在学术论文《An improved rolled strip pulse forming line》【Song Li,Baoliang Qian,Hanwu Yang,et al.“An improved pulse forming line(李嵩,钱宝良,杨汉武,一种改进型卷绕型带状脉冲形成线,科学仪器评论,84卷,064704,页码1-6)”,Review of Scientific Instruments,Vol.84,064704,pp:1-6】报道了一种基于固体绝缘薄膜(DMD膜)的卷绕带状脉冲形成线，该脉冲形成线的结构如图1所示，主要由金属带1和DMD膜2组成。其中金属带1由上金属带1-3，中金属带1-4和下金属带1-5构成。图2为该脉冲形成线展开结构三视图，图2(a)是卷绕带状脉冲形成线正视图；图2(b)是卷绕带状脉冲形成线侧视图；图2(c)是卷绕带状脉冲形成线俯视图；上金属带1-3由铜带制成，长度L4为22000mm、宽度D3为80mm、厚度a7为0.15mm。中金属带1-4是由铜带制成，长度＝L4、宽度＝D3、厚度a9为0.15mm。下金属带1-5由铜带制成，长度＝L4、宽度＝D3、厚度a11为0.15mm。DMD膜2由上DMD膜2-6，中DMD膜2-7和下DMD膜2-8构成。其中上DMD膜2-6由聚酯薄膜聚酯纤维纸复合材料制成，长度L1为23000mm、宽度D1为250mm、厚度a2为1.2mm(考虑到脉冲形成线本征阻抗和绝缘设计等要求，使用六张DMD膜叠放构成上DMD膜2-6，每张厚度0.2mm)。中DMD膜2-7材料与上DMD膜2-6相同，由聚酯薄膜聚酯纤维纸复合材料制成，长度＝L1、宽度＝D1、厚度a4为1.2mm(考虑到脉冲形成线本征阻抗和绝缘设计等要求，使用六张DMD膜叠放构成中DMD膜2-7，每张厚度0.2mm)。下DMD膜2-8材料与上DMD膜2-6相同，由聚酯薄膜聚酯纤维纸复合材料制成，长度＝L、宽度＝D1、厚度a6为0.4mm(考虑到脉冲形成线本征阻抗和绝缘设计等要求，使用两张DMD膜叠放，每张厚度0.2mm)。金属带1和DMD膜2共同按照阿基米德螺旋线卷绕。卷绕完成的高功率脉冲形成线总体呈圆筒形状，由内到外的顺序依次为下DMD膜2-8-下金属带1-5-中DMD膜2-7-中金属带1-4-上DMD膜2-6-上金属带1-3，卷绕后圆筒内半径R1为55mm，轴向长度L2为250mm，卷绕后圆筒外半径由内径和金属带的长度决定，长度越长绕的圈数越大，外半径越大。

该高功率脉冲形成线工作状态下，中金属带1-4处于高电位，上金属带1-3和下金属带1-5处于地电位，场增强效应易导致中金属带1-4边缘绝缘介质膜击穿，因此中金属带充电电压峰值受到限制，无法满足更高耐压等级(>100kV)的应用需求，且该高功率脉冲形成线的能量密度峰值只能达到1.8552×10⁵J/m³，有待提升空间。目前关于卷绕带状脉冲形成线的研究主要集中于高功率脉冲驱动源输出特性的改进，未发现专门针对卷绕带状脉冲形成线能量密度峰值提高研究的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有卷绕带状脉冲形成线使用单一材料作为储能介质无法满足更高耐压等级的应用需求且能量密度峰值不高等缺点，提供一种组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线，通过组合绝缘方式优化高压电极边缘电场分布，降低场增强效应对电极边缘电场影响，提高高功率脉冲形成线耐压等级及能量密度峰值。

本发明的技术方案是：

本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线由金属带和绝缘介质带组成。其中金属带由上金属带，中金属带和下金属带构成，绝缘介质带由上储能介质带，下储能介质带和隔离介质带构成。

上金属带，中金属带和下金属带长度均为L4，L4＝22000mm，上金属带，中金属带和下金属带宽度均为D3，D3＝34mm，上金属带厚度为a7、中金属带厚度为a9，下金属带厚度为a11，满足a7＝a9＝a11＝0.2mm，均使用铜带制成。上储能介质带和下储能介质带长度均为L3，L3＝23000mm。上储能介质带宽度和下储能介质带宽度均为D4，D4＝50mm。上储能介质带厚度为a8，下储能介质带厚度为a10，满足a8＝a10。上储能介质带和下储能介质带均由n2层聚酰亚胺膜和n1层聚丙烯膜叠加而成，起储存电场能作用，其中单层聚酰亚胺膜的厚度h2为0.025mm，相对介电常数为3.5，击穿场强为275kV/mm；单层聚丙烯膜的厚度h1为0.01mm，相对介电常数为2.5，击穿场强为375kV/mm。

聚酰亚胺膜层数n2、聚丙烯膜层数n1、单层聚酰亚胺膜厚度h2和单层聚丙烯膜厚度h1满足a8＝a10＝n1×h1+n2×h2,0.8mm≤a8≤1.5mm。在垂直于上金属带表面方向上，上储能介质带中聚酰亚胺膜与聚丙烯膜呈“三明治”结构分布，即该方向上储能介质带由第一上聚酰亚胺膜、第一中聚丙烯膜、第一下聚酰亚胺膜叠加构成，其中第一中聚丙烯膜总厚度为a＝n1×h1，与上金属带距离为h，即第一上聚酰亚胺膜厚度为h，0mm<h≤0.05mm。下储能介质带由第二上聚酰亚胺膜、第二中聚丙烯膜、第二下聚酰亚胺膜叠加构成，下储能介质带中第二中聚丙烯膜厚度b＝a，第二下聚酰亚胺膜厚度c＝h，即下储能介质带与上储能介质带在垂直于上金属带表面方向上关于中金属带对称。

隔离介质带长度＝L3，宽度＝D4，厚度为a12，a12＝0.5mm，由n3(n3为正整数，优选为50)层聚丙烯膜沿垂直于上金属带方向叠加而成，单层聚丙烯膜厚度h1＝0.01mm。金属带和绝缘介质带按照上金属带-上储能介质带-中金属带-下储能介质带-下金属带-隔离介质带的顺序依次叠加，并卷绕成阿基米德螺旋线状，其中阿基米德螺旋线的内半径R1为80mm。

本发明的组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线充电完成时，上金属带与下金属带处于低电位，中金属带处于高电位。场增强效应使处于高电位的中金属带边缘电场强度远大于脉冲形成线其他部位，使中金属带边缘击穿概率显著增加。

隔离介质带、上储能介质带和下储能介质带的结构和材料对脉冲形成线的电场分布产生影响，隔离介质带两侧表面分别与脉冲形成线卷绕完成后的相邻周期上金属带与下金属带接触，不承担储存能量作用，理论上不影响脉冲形成线的储能能力，因此本发明不对隔离介质带展开研究。本发明通过改变上储能介质带和下储能介质带中聚酰亚胺膜和聚丙烯膜的分布，优化中金属带边缘场强分布，从而提高了高功率脉冲形成线的能量密度峰值。

通过有限元模拟软件仿真，本发明的组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线的上储能介质带厚度a8优选为1mm，即a8＝a10＝n1×h1+n2×h2＝1mm，第一中聚丙烯膜厚度a优选为0.4mm，上储能介质带的第一上聚酰亚胺膜厚度h优选为0.025mm，第一下聚酰亚胺膜厚度优选为a8-a-h＝1mm-0.4mm-0.025mm＝0.575mm。即“三明治”式上储能介质带在垂直于上金属带方向上(由上金属带指向中金属带)的组成为:第一上聚酰亚胺膜(厚度0.025mm)，第一中聚丙烯膜(厚度0.4mm)，第一下聚酰亚胺膜(厚度0.575mm)。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明通过组合绝缘方式优化高压电极边缘电场分布，降低了场增强效应对电极边缘电场影响，提高了高功率脉冲形成线耐压等级及能量密度峰值。

2.本发明原理简单，使用方便，应用范围广泛。

附图说明

图1为背景技术李嵩,钱宝良,杨汉武等人在学术论文《An improved rolledstrip pulse forming line》【Song Li,Baoliang Qian,Hanwu Yang,et al.“An improvedpulse forming line”,(一种改进型卷绕型带状脉冲形成线),Review of ScientificInstruments,Vol.84,064704,pp:1-6】报道的一种基于固体绝缘薄膜(DMD膜)的卷绕带状脉冲形成线结构图；

图2为图1所示一种基于固体绝缘薄膜(DMD膜)的卷绕带状脉冲形成线展开三视图；图2(a)是卷绕带状脉冲形成线正视图；图2(b)是卷绕带状脉冲形成线侧视图；

图2(c)是卷绕带状脉冲形成线俯视图；

图3为本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线结构图；

图4为图3所示本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线展开结构三视图；图4(a)是本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线正视图；图4(b)是本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线侧视图；图4(c)是本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线俯视图；

图5为图4(b)中Q处圆圈部分放大图；

图6为本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线中金属带1-4边缘电场强度随参数a、h变化曲线图，其中a为聚丙烯膜厚度，h为聚丙烯膜与上金属带1-3距离；

图7为h＝0.025mm时，本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线单位长度等效电容C与中金属带1-4电位随a变化曲线图；

图8为h＝0.025mm时，本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线单位长度能量密度峰值随a变化曲线图。

具体实施方式

图3为本发明的组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线示意图，组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线由金属带1和绝缘介质带3组成。其中金属带1由上金属带1-3，中金属带1-4和下金属带1-5构成，绝缘介质带3由上储能介质带3-6，下储能介质带3-7和隔离介质带3-8构成。

图4为本发明的组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线展开三视图，图4(a)是本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线正视图；图4(b)是本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线侧视图；图4(c)是本发明组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线俯视图。上金属带1-3，中金属带1-4和下金属带1-5长度均为L4，L4＝22000mm，上金属带1-3，中金属带1-4和下金属带1-5宽度均为D3，D3＝34mm，上金属带1-3厚度为a7、中金属带1-4厚度为a9，下金属带1-5厚度为a11，满足a7＝a9＝a11＝0.2mm，均使用铜带制成。上储能介质带3-6和下储能介质带3-7长度均为L3，L3＝23000mm。上储能介质带3-6宽度和下储能介质带3-7宽度均为D4，D4＝50mm。上储能介质带3-6厚度为a8，下储能介质带3-7厚度为a10，满足a8＝a10，上储能介质带3-6和下储能介质带3-7均由n2层聚酰亚胺膜和n1层聚丙烯膜叠加而成，起储存电场能作用，其中单层聚酰亚胺膜的厚度h2为0.025mm，相对介电常数为3.5，击穿场强为275kV/mm；单层聚丙烯膜的厚度h1为0.01mm，相对介电常数为2.5，击穿场强为375kV/mm。

图5为图4(b)Q处圆圈部分放大图，聚酰亚胺膜层数n2、聚丙烯膜层数n1、单层聚酰亚胺膜厚度h2和单层聚丙烯膜厚度h1满足a8＝a10＝n1×h1+n2×h2。在垂直于上金属带1-3表面方向上，上储能介质带3-6中聚酰亚胺膜与聚丙烯膜呈“三明治”结构分布，即该方向上储能介质带3-6由第一上聚酰亚胺膜3-6-1、第一中聚丙烯膜3-6-2、第一下聚酰亚胺膜3-6-3叠加构成，其中第一中聚丙烯膜3-6-2总厚度为a＝n1×h1，与上金属带1-3距离为h，即第一上聚酰亚胺膜3-6-1厚度为h。下储能介质带3-7由第二上聚酰亚胺膜3-7-1、第二中聚丙烯膜3-7-2、第二下聚酰亚胺膜3-7-3叠加构成，下储能介质带3-7中第二中聚丙烯膜3-7-2厚度b＝a＝n1×h1，第二下聚酰亚胺膜3-7-3厚度c＝h，即下储能介质带3-7与上储能介质带3-6在垂直于上金属带1-3表面方向上关于中金属带1-4对称。

如图4所示，隔离介质带3-8长度＝L3，宽度＝D4，厚度为a12，a12＝0.5mm，由n3(为50)层聚丙烯膜沿垂直于上金属带1-3方向叠加而成，单层聚丙烯膜厚度h1＝0.01mm。金属带1和绝缘介质带3按照上金属带1-3-上储能介质带3-6-中金属带1-4-下储能介质带3-7-下金属带1-5-隔离介质带3-8的顺序依次叠加，并卷绕成阿基米德螺旋线状。卷绕后的圆筒内半径R1为80mm，轴向长度L2为250mm。

本发明的组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线充电完成时，上金属带1-3与下金属带1-5处于低电位，中金属带1-4处于高电位。场增强效应使处于高电位的中金属带1-4边缘电场强度远大于脉冲形成线其他部位，使中金属带1-4边缘即图5-M处圆圈部分击穿概率显著增加。

隔离介质带3-8、上储能介质带3-6和下储能介质带3-7的结构和材料对脉冲形成线的电场分布产生影响，隔离介质带3-8两侧表面分别与脉冲形成线卷绕完成后的相邻周期上金属带1-3与下金属带1-5接触，不承担储存能量作用，理论上不影响脉冲形成线的储能能力，因此本发明不对隔离介质带3-8展开研究。本发明通过改变上储能介质带3-6和下储能介质带3-7中聚酰亚胺膜和聚丙烯膜的分布，优化中金属带1-4边缘场强分布，从而提高了高功率脉冲形成线的能量密度峰值。

卷绕带状脉冲形成线的能量密度峰值由脉冲形成线的等效电容值与高低电位电极间电压共同决定，单位长度卷绕带状脉冲形成线的能量密度峰值为C为单位长度脉冲形成线上金属带1-3与中金属带1-4构成的等效电容，U为中金属带1-4的峰值电位数值。等效电容其中C₂为脉冲形成线单位长度聚酰亚胺膜总电容，C₁为脉冲形成线单位长度聚丙烯膜总电容。保持中金属带1-4的电位为60kV，改变聚丙烯膜的厚度与位置，通过有限元模拟软件仿真得到中金属带1-4边缘场强大小如图6所示。曲线A表示当a＝0时，即上储能介质带3-6仅由聚酰亚胺膜构成时，中金属带1-4边缘场强大小为138.8kV/mm。曲线D～J依次表示a＝0.1mm～0.7mm时，中金属带1-4边缘场强大小随h变化的结果。当上储能介质带3-6的中聚丙烯膜3-6-2总厚度a不变时，中金属带1-4边缘位置场强随上储能介质带3-6的第一聚酰亚胺膜厚度3-6-1厚度h的增大而增大。当h固定不变且数值比较小(h<0.05mm)时，中金属带1-4边缘位置场强随上储能介质带3-6的中聚丙烯膜总厚度a的增加而减小。因此，本发明的组合绝缘型带状卷绕脉冲形成线取h＝h2×1＝0.025mm，即上储能介质带3-6的第一中聚丙烯膜3-6-2与上金属带1-3之间仅有1层厚度h2为0.025mm的聚酰亚胺膜。固定h＝h2×1＝0.025mm，逐渐提高中金属带1-4的电位，使中金属带1-4边缘位置场强达到聚酰亚胺膜耐压强度峰值(耐压强度峰值由材料决定，聚酰亚胺膜的耐压强度峰值典型值为275kV)，得到脉冲形成线的单位长度等效电容C与中金属带1-4电位U随a变化曲线如图7所示。L为等效电容C随a变化曲线图，由曲线L可知，随着上储能介质带3-6的中聚丙烯膜3-6-2厚度a的增大，等效电容C减小；K为中金属带1-4电位随a变化曲线图，由曲线K可知，中金属1-4电位U随上储能介质带3-6的中聚丙烯膜3-6-2厚度a的增大而升高。h＝h2×1＝0.025mm时，组合绝缘带状脉冲形成线的单位长度能量密度峰值随a的变化曲线如图8所示，仿真结果表示当a＝0.4mm时，单位长度的能量最大为15.963J，换算可得该情况下单位体积能量密度峰值为2.3485×10⁵J/m³，相比背景技术的能量密度1.8552×10⁵J/m³，改进效果明显。因此本发明的组合绝缘型卷绕带状脉冲形成线的上储能介质带3-6的厚度a8优选为1mm，第一中聚丙烯膜3-6-2厚度a优选为0.4mm，上储能介质带3-6的第一上聚酰亚胺膜3-6-1厚度h优选为0.025mm，第一下聚酰亚胺膜3-6-3厚度优选为a8-a-h＝1mm-0.4mm-0.025mm＝0.575mm。即“三明治”式上储能介质带3-6在垂直于上金属带1-3方向上(由上金属带1-3指向中金属带1-4)的组成为:第一上聚酰亚胺膜3-6-1(厚度0.025mm)，第一中聚丙烯膜3-6-2(厚度0.4mm)，第一下聚酰亚胺膜3-6-3(厚度0.575mm)。