本發(fā)明涉及脈沖功率技術領域，特別涉及一種Tesla變壓器初級線圈。

背景技術：

Tesla變壓器是由兩個相互耦合的振蕩回路組成的系統(tǒng)，兩個回路工作在自由振蕩狀態(tài)，它們具有各自的固有頻率。將Tesla變壓器放置于脈沖形成線(Pulse Forming Line,PFL)內，再加上氣體開關、脈沖傳輸線以及負載，便構成了Tesla型脈沖功率源。Tesla型脈沖功率源的顯著特點是結構緊湊、可以運行在1～1000Hz重復頻率范圍。

Tesla型脈沖功率源的核心是Tesla變壓器，Tesla變壓器的關鍵部件之一是Tesla變壓器初級線圈。傳統(tǒng)Tesla變壓器初級線圈是將厚度、面積一定的銅板加工成要求形狀，然后再靠外力緊固于脈沖形成線外導體的內表面。初級線圈正對著形成線的內導體，兩者之間靠液體實現絕緣。如果Tesla變壓器應用在特殊環(huán)境，或者采用其他方式絕緣時，則上述初級線圈會暴露出絕緣強度低的問題。比如，當脈沖源采用真空絕緣方式時，由于電子在真空中容易被加速，并且銅材質易受到電子轟擊，所以傳統(tǒng)初級線圈就會暴露出絕緣強度低的問題；再如，當脈沖源承受劇劇烈振動時，由于純銅材質較軟，所以線圈還會暴露出容易變形的問題。

技術實現要素：

為了解決現有工藝Tesla變壓器初級線圈耐電強度低、易變形的技術問題，本發(fā)明提出了一種銅鈦復合的Tesla變壓器初級線圈。

本發(fā)明的技術解決方案是：

本發(fā)明所提供的銅鈦復合的Tesla變壓器初級線圈，其特殊之處在于：所述初級線圈由銅板和鈦板復合而成，鈦板位于銅板的內側。

以上為本發(fā)明的基本解決方案，基于該基本方案，本發(fā)明還做出以下優(yōu)化限定：

優(yōu)化的，本發(fā)明的銅板材質為紫銅，厚度限定為0.2～0.5mm。這是根據電流通過銅板引起的能量損耗(能損)而確定的。銅板的能損與銅板的導通電阻正相關，而銅板的導通電阻又與銅板的截面積反相關，所以銅板厚度越大，電流流經銅板時引起的能損越低。能損的計算過程復雜，表1僅給出計算結果，從表中看出，當銅材質厚度大于0.2mm時，銅板內的能損將低于0.03％。以此作為判據，如果希望銅板內的能損低于0.03％，則銅板厚度應大于0.2mm。另一方面，如果銅板厚度過大，則不利于卷繞，并且增加了線圈的質量。綜合考慮，選取銅板厚度在0.2～0.5mm范圍，既可以保證較低的能損，又可以保證合適的加工難度。表1銅板厚度與有用能量關系

優(yōu)化的，本發(fā)明的鈦板材質為TA0，厚度為0.2～0.5mm。這是因為，初級線圈表面積一般至少是1mX2m，相應的鈦板面積也需要1mX2m，調研了現有各種鈦合金材料，僅有TA0延展性較好，適合加工成薄板狀。鈦板厚度考慮如下：原有純銅初級線圈厚度在1mm以內，新工藝線圈厚度應不大于該厚度，否則需要對Tesla變壓器的結構重新進行設計，又考慮到銅板厚度為0.2～0.5mm，所以鈦板厚度不能大于0.5mm。對于1mX2m的TA0材料目前，國內能加工到的最小厚度為0.2mm，所以鈦板厚選為0.2～0.5mm。

優(yōu)化的，本發(fā)明的銅板、鈦板采用真空釬焊技術進行復合。除該技術之外，還可以考慮的技術有鈦表面鍍銅技術和銅鈦碾壓技術。但銅鈦真空釬焊技術最為成熟，實現起來成品率也最高，所以綜合考慮選用銅鈦真空釬焊技術來實現兩種薄板的復合。

進一步優(yōu)化的，本發(fā)明釬焊的焊料厚度～0.1mm，均勻鋪滿于銅板和鈦板之間。這個數據是通過實驗得到的，實驗中發(fā)現如果焊料厚度大于0.1mm，則熔化后的焊料容易溢出到線圈表面；如果焊料厚度小于0.1mm，則銅鈦復合初級線圈會出現局部虛焊的情況。

進一步優(yōu)化的，本發(fā)明銅板表面的粗糙度不低于1.6，鈦板表面的粗糙度不低于0.8。這是由于Tesla變壓器初級線圈安裝于脈沖形成線外導體的內表面，兩者之間以0.5mm的介質膜進行絕緣，如果銅板粗糙度過低，則表面毛刺會刺破介質膜，進而影響到初級線圈與形成線外導體之間的絕緣。安裝好的初級線圈內表面正對著脈沖形成線的內導體，鈦板與形成線內導體也需要絕緣。理論上，鈦板的表面粗糙度越高越好，但粗糙度越高，加工難度和加工代價越大，綜合考慮，鈦板的表面粗糙度不低于0.8。

本發(fā)明與現有技術相比，有益效果是：

本發(fā)明的銅鈦復合Tesla變壓器初級線圈相比傳統(tǒng)銅板初級線圈，具有以下優(yōu)勢：

1、耐電強度、機械強度高。本發(fā)明結合了銅板的優(yōu)良的導電性、鈦板優(yōu)良的絕緣強度及硬度，克服了現有純銅板線圈耐電強度低、易變形的缺陷。

2、質量小。由于鈦密度低于筒的密度，所以，本發(fā)明的線圈與現有純銅線圈相比，具有質量小的優(yōu)點。

3、易保型、便于安裝。本發(fā)明的銅板與鈦板之間的復合采用真空釬焊，銅板及鈦板在高溫環(huán)境中經歷了退火工藝，所以銅鈦復合初級線圈還具有易于保型的特點，由于該特點，銅鈦復合初級線圈還便于安裝。

附圖說明

圖1為典型Tesla型脈沖功率源的結構示意圖；

圖2為銅鈦復合Tesla變壓器初級線圈示意圖；

圖3為安裝在脈沖形成線內的銅鈦復合Tesla變壓器初級線圈。

其中附圖標記為：

1-內置于脈沖形成線內的Tesla變壓器；2-氣體開關；3-脈沖傳輸線；4-負載；5-銅板；6-鈦板；7-前向絕緣支撐；8-脈沖形成線外導體；9-脈沖形成線內導體；10-銅鈦復合Tesla變壓器初級線圈；11-Tesla變壓器次級線圈；12-后向絕緣支撐。

具體實施方式

現結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

如圖2所示，本發(fā)明相比較僅由銅板卷繞傳統(tǒng)Tesla變壓器初級線圈，銅鈦復合的Tesla變壓器初級線圈在保持線圈厚度不增加的前提下，在原有銅板內表面復合了一層鈦板，線圈由銅板5和鈦板6復合而成，銅板5位于線圈外側，起到導電作用，鈦板6位于線圈內側，起到增加線圈電氣及機械強度的作用。銅板5的材質為紫銅，厚度在0.2～0.5mm；鈦板6的材質為TA0，厚度在0.2～0.5mm。銅、鈦薄板采用真空釬焊的復合方式，焊料厚度～0.1mm，加工時，焊料均勻鋪滿于銅、鈦薄板之間；利用內外模具將銅板、焊料、鈦板三者夾緊，并在真空環(huán)境中高溫加熱復合成型。成型后的Tesla變壓器初級線圈，要求銅表面不能有鈦露出，鈦表面不能有銅露出，銅表面粗糙度不低于1.6，鈦表面粗糙度不低于0.8，線圈整體無毛刺，并且邊緣無開縫。

由于鈦合金具有較高的機械強度(以TA0為例，其抗拉強度～400MPa，近似為紫銅的2倍)和較低的密度(～4.4g/cm³，約為紫銅密度的一半)，所以銅鈦復合初級線圈的機械強度高于單純銅板初級線圈，質量也低于后者。

除以上兩個特點外，銅鈦復合初級線圈還有一個突出的優(yōu)點，即絕緣強度高。由于鈦元素的電子逸出功為6.6eV，而銅的逸出功4.4eV，所以金屬鈦的電子發(fā)射能力遠低于金屬銅。同時，實驗結果表明，2cm真空平行平板電極下，鈦電極的擊穿強度大于200kV/cm，而銅電極的擊穿強度不到180kV/cm，并且相同電壓下鈦電極的耐受脈沖數遠高于銅電極。所以，當Tesla變壓器中的銅鈦復合初級線圈與同軸線的高壓內導體組成電極時，其耐電強度及壽命會高于銅板初級線圈對應的壽命。這一特點決定了銅鈦復合Tesla變壓器初級線圈適合用于以真空/氣體為絕緣介質的環(huán)境當中。

圖3是一臺尺寸一定的內置于脈沖形成線內的Tesla變壓器，其中脈沖形成線外導體內徑591mm，內導體外徑284mm，形成線長度1428mm；銅鈦復合Tesla變壓器初級線圈緊貼于形成線外導體的內壁，長1000mm，外導體與初級線圈之間用寬度1040mm、厚0.5mm的聚酰亞胺薄膜進行絕緣，初級線圈總厚度0.7mm，其中銅層材質為TU1，厚度0.2mm，起到傳導電流的作用；鈦層材質為TA0，厚度0.4mm，起到絕緣及增強機械強度的作用，銅、鈦之間為0.1mm的焊料，銅板、焊料、鈦板三者高溫復合成型。該線圈表面無毛刺、邊緣無開縫；銅表面粗糙度為1.6，鈦表面粗糙度為0.8。當Tesla變壓器采用SF₆作為絕緣介質時，可承受1MV的充電電壓。