[發明專利]鐵電體爆電換能脈沖發生器、閃光X射線產生裝置及方法

在審

• 申請號: 201810323728.6
• 申請日: 2018-04-12
• 公開（公告）號: CN108322982A
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 任青毅
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: H05G1/24
• 分類號: H05G1/24
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 徐靜

1.鐵電體爆電換能脈沖發生器，其特征在于：它包括PZT鐵電陶瓷、正電極、負電極和平面沖擊裝置，正電極和負電極設置在PZT鐵電陶瓷的兩端，負電極下方設置平面沖擊裝置。

2.根據權利要求1所述的鐵電體爆電換能脈沖發生器，其特征在于：所述的平面沖擊裝置包括炸藥和雷管，負電極下方設置炸藥，炸藥與雷管相連。

3.根據權利要求1所述的鐵電體爆電換能脈沖發生器，其特征在于：所述的平面沖擊裝置包括金屬片、空包子彈、火藥和底火，底火與火藥連接，火藥上設置空包子彈，空包子彈上設置金屬片，金屬片位于負電極和空包子彈之間。

4.根據權利要求1所述的鐵電體爆電換能脈沖發生器，其特征在于：PZT鐵電陶瓷、正電極、負電極和平面沖擊裝置設置在支撐件內，正電極和平面沖擊裝置設置在支撐件的兩端。

5.基于鐵電體爆電換能脈沖發生器的閃光X射線產生裝置，其特征在于：包括鐵電體爆電換能脈沖發生器、螺旋帶脈沖發生器和X射線二極管；

鐵電體爆電換能脈沖發生器包括PZT鐵電陶瓷、正電極、負電極和平面沖擊裝置，正電極和負電極設置在PZT鐵電陶瓷的兩端，負電極下方設置平面沖擊裝置；

螺旋帶脈沖發生器包括導電薄膜和絕緣薄膜，導電薄膜和絕緣薄膜交叉疊放后卷成圓筒，形成一個開放式帶狀傳輸線，圓的橫切面呈螺旋線條狀；

螺旋帶脈沖發生器驅動X射線二極管產生閃光X射線。

6.根據權利要求5所述的閃光X射線產生裝置，其特征在于：PZT鐵電陶瓷為PZT 95/5鐵電陶瓷；陶瓷中的電疇沿所加電場的方向定向排列，形成剩余極化強度值約為32uC/cm²。

7.根據權利要求5所述的閃光X射線產生裝置，其特征在于：負電極、螺旋帶外層導電薄膜、X射線二極管的陰極三者相連并接地；

正電極接螺旋帶內層導電薄膜，導電薄膜接X射線二極管的陽極；

外層導電薄膜接地，并接火花隙開關的一端，火花隙開關的另一端接正電極和內層導電薄膜。

8.基于鐵電體爆電換能脈沖發生器的閃光X射線產生方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟一：設置鐵電體爆電換能脈沖發生器；

步驟二：設置螺旋帶脈沖發生器；

步驟三：用鐵電陶瓷爆電脈沖源作為螺旋帶脈沖發生器的初級供電電源。

9.根據權利要求8所述的閃光X射線產生方法，其特征在于：步驟一中，鐵電陶瓷為極化了的PZT 95/5鐵電陶瓷，陶瓷中的電疇沿所加電場的方向定向排列，形成剩余極化強度約32μC/cm2，當遇到短時高強度沖擊壓力作用時，在壓強滿足去極化條件值時，陶瓷中沖擊波經過的部分，剩余極化強度就消失，釋放出被束縛的電荷，電荷流經外電路，形成電流；沖擊波傳播方向垂直于剩余極化強度方向工作模式下的PZT95/5陶瓷沖擊放電，流經外電路負載的電流I₀為：

式中：P_r—PZT95/5陶瓷的剩余極化強度；

D—沖擊波的傳播速度，約為4.1km/s；

y₀、z₀—是陶瓷電極面尺寸，其中z₀是沖擊波沿陶瓷傳播的距離；

τ＝z₀/D—沖擊波在陶瓷中的傳播時間；

t—輸出脈沖電流寬度；

式(1)表示沖擊波加載下的PZT-95/5陶瓷是一個脈沖恒流源，則在負載上得到脈沖電壓U₀＝I₀R，當負載是電容時，則U₀＝I₀t/C；在PZT95/5陶瓷中產生一個平面的沖擊波；設計的沖擊波壓強滿足導致PZT95/5陶瓷去極化放電的條件，就會使使陶瓷充分釋放出束縛的電荷。

10.根據權利要求8所述的閃光X射線產生方法，其特征在于：步驟二中，螺旋帶脈沖發生器實現高壓納秒脈沖，螺旋帶脈沖發生器輸出的脈沖寬度和幅度均可以調節，用來產生高壓ns脈沖，其儲能單元可以低至1V的電壓存儲電荷，并能以高于存儲電壓的脈沖峰值放電；螺旋帶脈沖發生器包含兩片矩形導電薄膜和兩片絕緣薄膜，絕緣薄膜和導電薄膜交叉疊放后卷成圓筒，形成一個開放式帶狀傳輸線，卷繞圓筒的橫切面呈并列兩條螺旋線條狀；兩根并列螺旋線最外一圈開始的兩線間并接上直流恒充電電源和一個火花隙開關S，螺旋線里面一圈終端的外線為高壓脈沖輸出端，內線空置；

工作時，直流恒流電源向螺旋線形成傳輸線電容器C充電至電壓U＝It/C(I充電電流、t充電時間)，然后關閉火花隙開關S，則放電產生一個源自開關S的電磁波，沿著傳輸線傳播，隨著波的傳播，將靜電場轉換成電磁場，電磁波在傳輸線末端反射沿路返回時，又將電磁場轉換回靜電場，如此來回；充電時間為t時，傳輸線充電電壓為U，輸出的高壓脈沖為：

U_t＝n(1/τ)U 0≤t≤2；

式中:τ—電壓波從開關處傳到終端所需時間；

ε_r—相對介電常數；

D—螺旋形傳輸線的直徑；

n—矢量對數或螺旋發生器圈數；

當t＝2τ時，電壓脈沖達到最大值U_Omax＝2nU，上升時間等于2τ輸出脈沖，出現在螺旋帶脈沖發生器的輸出端。