一级Marx压缩的高稳定纳秒脉冲电源的设计

针对目前缺乏标准纳秒高压脉冲电源的现状,开展高稳定性纳秒高压脉冲电源回路分析、结构设计及性能测试研究。通过建立纳秒脉冲发生器等效电路模型,仿真计算获得5级初级脉冲发生电路参数,以及一级压缩陡化间隙对纳秒脉冲特性的影响规律。通过纳秒高压脉冲电源结构设计及低抖动电晕稳定开关特性研究,建立高稳定输出的纳秒脉冲电源系统。研制纳秒电阻分压器,建立基于ns及μs量级传递校准测试相结合的刻度因数标定方法,准确获得纳秒电阻分压器的刻度因数。脉冲电源输出特性测试结果表明：纳秒脉冲电源系统可以输出上升时间2.3 ns±0.5 ns、幅值范围10～60 kV的指数纳秒脉冲;输出脉冲电压在全幅值范围内的相对标准偏差不大于±1.5%。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100 kV,峰值功率250 MW,重复频率1~100 Hz,输出脉冲宽度约4 ns,前沿约1 ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500 ns降低至150 ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。     

一种用于多狭缝条纹相机的快门脉冲产生器

研制了一种用于多狭缝条纹相机的条纹变像管快门脉冲产生器.以绝缘栅场效应管作为开关,采用截波法实现,克服了以雪崩晶体管为开关的储能电缆放电方法的缺点,具有体积小,脉宽连续可调,电源利用率高等优点.在10 pF负载下,获得矩形负脉冲,脉冲下降沿16 ns,上升沿20 ns,触发延时26 ns,脉冲输出幅度800 V,半高全宽最小100 ns.     

基于半导体断路开关的8 MW,10 kHz脉冲发生器

 功率器件半导体断路开关具有高重复频率工作能力。采用高速绝缘栅双极晶体管组件作为初级充电回路的主开关,建立了一台工作频率为10 kHz的脉冲发生器。脉冲发生器采用磁饱和脉冲变压器、磁开关及高压脉冲电容器组等固态器件进行两级脉冲压缩,产生小于100 ns的电流脉冲,对半导体断路开关进行泵浦,半导体断路开关反向截断泵浦电流在负载上产生高压脉冲输出。实验装置在电阻负载上得到了脉冲输出功率约为8.6 MW,脉冲宽度约10 ns,重复频率10 kHz的高压脉冲输出。     

20 kV/20 kHz/100 A高压脉冲源设计

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为开关的高压脉冲电源。采用自匹配传输线结构线路形式,串联多个以光纤信号隔离触发的MOSFET作为高耐压开关,在传输线的外皮产生2个纳秒脉冲,再用传输线变压器对2个纳秒脉冲进行功率合成,在200 Ω负载上输出了幅度20 kV,重复频率20 kHz,脉冲宽度约40 ns的脉冲。分析脉冲源装置结构,对实验装置建立仿真模型,阐述了输出波形畸变的原因,给出了影响输出脉冲波形特性的因素,为下一步优化波形工作提供了理论参考。     

低抖动快前沿高电压重复率触发器

 介绍了一种低抖动、快前沿高电压重复率触发器,输出参数为：重复率可达100 pulse/s,输出时延约225 ns,抖动约1 ns,前沿约26 ns,脉宽约70 ns,高阻负载上电脉冲的峰值可达-40 kV,重复率为50 pulse/s时,峰值可达-51 kV,单次工作时的峰值可达-60 kV。该触发器主要由控制单元、高压供电单元与脉冲形成单元构成,脉冲形成单元采用了低电感电容对负载快放电的结构,建立开关为氢闸流管。实验发现,氢闸流管存在微导通状态,开关的通道电阻及维持的时间与开关极间的电势差有关;电势差越高,通道电阻越小,微导通状态维持的时间越长。此外,氢闸流管的导通性能受灯丝加热电源的影响明显,当加热电压较低时,氢闸流管导通缓慢,延时与抖动较大,当加热电压过高时,氢闸流管易于发生自击穿。     

基于氢闸流管感应叠加技术的电磁脉冲源实验

介绍了一种基于感应叠加技术的重复频率脉冲源,分析了同轴屏蔽输出结构磁场的分布。实验时,充电电源工作电压为25 kV,脉冲输出重复频率为20 Hz,2个氢闸流管器件参数相差较大,栅极触发时钟存在约5 ns延时。实验结果表明:氢闸流管触发稳定可靠,输出的脉冲前沿及稳定性仍然不受影响,输出脉冲幅值约为50 kV,证明了感应叠加技术应用于气体开关的可行性。     

基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源

针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络（PFN）储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5?上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶（90%～90%） 74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84?负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。     

低预脉冲水介质多通道自击穿开关实验研究

 在“闪光Ⅱ”上进行了水介质多针自击穿开关实验研究。开关由2个或4个开关间隙、预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。介绍了开关结构及其集中参数等效电路模型，并给出了部分参数计算方法。开关间隙在约60 ns时间内被近似线性地充电至约1 MV，开关的放电电流、输入和输出电压分别用罗果夫斯基线圈和硫酸铜水电阻分压器测试。进行了2个间隙结构和4个间隙结构开关实验，开关的放电电流200～550 kA，平均击穿场强600～900 kV/cm。开关间隙抖动小于4 ns，开关间隙的击穿迟滞时间约为60 ns，2个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于3 ns，4个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于5 ns。预脉冲被有效地压缩，输出电压的预脉冲幅值约为输入电压预脉冲幅值的50%，从180 kV压缩至约90 kV，作用时间由600 ns压缩至60 ns。     

强激光能源系统的Marx触发器

针对强激光能源系统对Marx触发器的输出性能和可靠性要求,介绍了一种六级的Marx触发器。通过采用多级低电感脉冲形成电路获得了高幅值、陡前沿的输出脉冲,运用实验与概率分析相结合的方法,确定了它的工作参数。实验研究结果表明:这种Marx触发器的误触发率和触发气体开关成功率均符合两参数的威布尔概率分布;当欠压比为65%、工作电压为13.5 kV、工作气压（绝压）为0.35 MPa时,能输出幅值120 kV、前沿20 ns的电压脉冲;该触发器能同时满足误触发率低于0.000 1%,正常触发成功率高于99.999 9%的技术要求。经过长时间现场运行测试,Marx触发器工作良好,无异常现象。     

基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源测控系统

为了监测脉冲电源的放电特性、控制脉冲电源的可靠工作,采用现代测试技术、虚拟仪器技术和数据库技术,设计了基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源测控系统,硬件系统由计算机、单片机、数据采集卡、驱动电路板和电压电流传感器等组成,软件系统采用LabVIEW来进行设计.在脉冲电源的测量算法中,采用基于EEMD的消噪算法,消除了噪声,采用基于最小二乘法的数据拟合算法,准确的测量出脉冲电源电流的峰值、脉宽等参数.实验结果表明,该系统可以实时监测和控制脉冲电源的工作过程,实现了电参数的在线测量和整体系统的闭环控制.     

高光束质量、高功率稳定性激光器的设计及实验研究

高光束质量、高功率稳定性激光器在激光加工、激光测量等领域具有广泛的用途.为了实现激光器腔内光斑聚焦同时减少色散和体积,人们常常将曲面反射镜用在激光谐振腔中,但光束倾斜入射到曲面反射镜往往会引起像散,从而导致光斑质量恶化,并降低激光器的性能.另一方面,在高功率激光器或超短脉冲激光器中,激光增益介质热透镜焦距的起伏,是导致激光输出功率波动的主要原因之一.针对激光器的像散和功率波动这两个问题,本文提出了一套简单高效的解决方案,在考虑像散补偿和热透镜效应的基础上,基于传播变换圆理论,首次提出一种可实现高光束质量、高功率稳定性激光器谐振腔的设计方法,并对采用该方法所设计出的超短脉冲激光器进行理论与实验研究.研究结果表明,利用该方法设计的激光谐振腔,两端臂像散能够完全被补偿,实验上实现了基模高斯光束输出;当激光晶体热透镜焦距改变时,该方法所设计出的激光谐振腔内各关键位置光斑半径的变化,显著地小于普通谐振腔,在相同外界条件下,其输出激光功率稳定性明显优于普通激光器.     

基于TTL数字电路控制的高压脉冲源

给出了一种基于TTL数字电路作为高压脉冲源触发控制单元的设计原理和方法。介绍了高压脉冲源的工作原理,设计了一台脉冲输出幅度5 kV、脉冲宽度大于200 s及脉冲前沿小于30 ns的高压脉冲源。将触发控制单元和前级开关金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）组合成一体,控制后级气体高压开关管放电输出高压脉冲信号。实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了单次触发情况下的实验结果。     

Blumlein双极脉冲形成线

 为了提高超宽带系统的辐射因子,对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究,介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论,通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线,在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究,分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,Blumlein双极脉冲形成线可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍,辐射因子为4.54 MV。     

磁开关磁芯动态参数测试及分析

磁开关是磁脉冲压缩系统的关键部分,磁开关的磁芯性能参数直接影响到磁脉冲压缩系统的总体性能。针对磁脉冲压缩系统中磁开关磁芯应用特性,设计了回路振荡法对磁芯动态磁特性进行测量。通过测量磁开关工作电压和电流参数,计算磁芯的动态磁滞回线,确定饱和磁感应强度、矫顽力等动态参数。基于实验测量参数建立了包含动态磁滞回线的磁脉冲压缩电路模型,研究了磁开关动态特性对电压传递的影响。根据研究结果可得,在磁脉冲压缩系统设计中选择矫顽力较小的磁芯,可降低磁开关的能量损耗,从而保证系统具有较高的电压传递效率。     

小型超宽谱高功率微波辐射系统

小型超宽谱高功率微波辐射系统由Tesla型100 kV级ns脉冲源、Peaking-Chopping型亚纳秒气体开关及TEM喇叭天线构成。系统重复运行频率100 Hz,辐射因子rEp值75 kV,主轴辐射场中心频率520 MHz,-3 dB频谱范围230~810 MHz。系统集成于一便携箱内,体积为80 cm50 cm26 cm,质量约45 kg。该系统结构紧凑,能够快速展开和撤收,可方便用于超宽谱高功率微波应用技术研究。     

可调间隙亚纳秒气体开关的研制

 设计了一种高工作电压、高重复频率的亚纳秒气体开关,该开关由Peaking间隙和Chopping间隙组成,可以将纳秒信号转化为亚纳秒脉冲。开关腔外有两组调节旋钮,分别用来调节Peaking间隙和Chopping间隙,使输入脉冲的前后沿能同时得到锐化。对设计的开关进行的实验研究结果表明：在系统重频5 Hz运行时,开关能稳定输出电压278 kV、脉宽620 ps的脉冲;在系统重频100 Hz运行时,开关能稳定输出电压270 kV、脉宽700 ps的脉冲。     

基于磁开关的全固态、高功率、长脉冲发生器的初步研究

大多数电容储能型脉冲功率装置的共同特点是采用了气体开关, 由于气体绝缘恢复的限制和电极的烧蚀, 使得其重复频率都不太高, 而且寿命有限. 而目前广泛研究的磁脉冲压缩技术在脉冲功率系统的长寿命、高平均功率和高重复频率运行方面具有很大的应用前景. 通过对BOOST电路、LC谐振电路和磁脉冲压缩电路详细的理论分析和计算机模拟, 设计了由BOOST电路, LC谐振电路, 脉冲变压器, 磁压缩系统, 负载五大部分组成的脉冲发生器电路系统模型, 使用Pspice软件对系统进行了模拟、优化, 得到了电压幅值为55kV, 脉宽为500ns的输出脉冲.     

非匹配传输线产生宽谱脉冲实验研究

介绍了基于短路开关-锐化开关组合的非匹配传输线的工作原理,通过数值模拟分析了开关的导通时间、导通延时以及形成线的长度对输出宽谱振荡脉冲的影响。设计了非匹配传输线的实验装置并在500kV Marx发生器上开展了实验研究。在短路开关间距为4mm、腔体内充入SF6气体的压力为1.15MPa,锐化开关间距为2.5mm、腔体内SF6气体的压力为1.0MPa的条件下,在50Ω传输线上测得的峰值功率为3.3GW,振荡脉冲的中心频率为169MHz,百分比带宽为22.9%。