层叠Blumlein纳秒脉冲形成线设计与实验

研究了一种结构紧凑型的多级层叠Blumlein纳秒脉冲形成线,从理论上分析了放电时回路各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出电压的影响,并利用PSpice模拟验证了各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出结果的影响,发现开关的导通电阻是制约输出电压幅值的主要因素,开关的分布电感对输出波形的影响大于负载分布电感的影响,基于时域有限差分法原理,利用XFDTD软件模拟了两级层叠Blumlein线的电磁耦合效应。开展了多级层叠Blumlein脉冲形成线实验,结果表明,基于陶瓷固态传输线和GaAs光导开关的层叠Blumlein脉冲形成线能够实现输出电压叠加,可用于产生ns量级脉宽的脉冲高压。     

层叠Blumlein线脉冲叠加特性

利用传输线等效放电模型对层叠Blumlein线的脉冲叠加特性进行了分析。结果表明:外部短路阻抗是降低层叠Blumlein线脉冲叠加效率的主要因素,其中,短路电感产生输出波形平顶的衰减,相对衰减量取决于叠加级数以及短路等效电感与传输线电感之比,短路电容产生输出波形前沿的慢化,前沿慢化的相对值取决于叠加级数以及短路等效电容与传输线等效电容之比;由于各级开关导通时间分散性的存在,输出波形的前沿及后沿皆呈阶段状,相当于产生了时间量等于开关导通分散性时间的前沿及后沿慢化现象。增加传输线外部的短路阻抗、减小多开关的导通分散性是提高层叠Blumlein线的脉冲叠加效率、改善输出波形的有效途径。     

单开关调制的PFN型层叠Blumlein线发生器

采用平板线加载的陶瓷电容型脉冲形成网络（PFN）构成了单开关调制的层叠Blumlein线发生器。采用传输线理论对短路寄生传输线的短路特性进行了理论分析,结果表明,短路寄生传输线的阻抗可以等效为耦合电感在主传输线的放电频率下产生的感抗。Pspice软件模拟表明,层叠线Blumlein线的电压叠加效率随耦合电感增加而增加。提出了一种磁环增感方法,在4级层叠Blumlein线上实现了3.1倍的脉冲电压叠加。     

基于光导开关及层叠Blumlein线的纳秒脉冲源

设计了一台层叠Blumlein线型脉冲功率源。该脉冲源以平板型Blumlein线为储能器件,使用4个GaAs光导开关作为脉冲形成开关,通过4级Blumlein线层叠结构以获得更高输出电压。分别使用10 mm及3 mm间隙光导开关进行实验,比较了PSpice电路仿真与实验结果。实验测试显示,10 mm开关充电23.5 kV时上升沿较大,可能的原因是偏置电场较低时开关导通时间较长。测试了不同工作电压下功率源的输出电压,结果显示:在10 mm间隙开关条件下,充电23.5 kV时,负载上得到了53 kV的高压脉冲输出;3 mm开关充电13.9 kV时输出电压39.4 kV,输出效率70%。实验结果表明, 随着工作场强的提高,电压输出效率呈现先下降后上升最终趋于饱和的趋势。     

便携式脉冲形成线设计与实验研究

采用聚酯薄膜为绝缘材料,设计了一种小型化便携式层绕Blumlein线,其主要特点是采用S型层绕的方法对薄膜介质平板Blumlein线进行绕制,使形成线的体积小,结构紧凑,有利于脉冲功率源小型化、实用化的发展。其集成了薄膜电容器易卷绕、耐高压、储能强的优势,同时具备了传输线的特点。采用气体火花间隙开关,对S型薄膜介质脉冲形成线的耐压特性及负载输出波形进行了实验研究。结果表明:开关的导通特性对脉冲形成线的负载输出波形有很大的影响,开关电感及开关抖动等因素会影响脉冲波形的前后沿,使输出脉冲方波波形质量变差。采用PSpice软件对实验等效电路进行了模拟,得到了与实验一致的结果。设计的Blumlein线体积为50 cm18 cm12 cm,承载电压50 kV,负载输出脉冲上升沿50 ns,平顶宽度120 ns。     

双脉冲电子束源实验

2MeV直线感应加速器注入器系统由电子束产生器和脉冲功率系统组成。电子束产生器包括由感应腔组成的阴极电压叠加器、阳极电压叠加器和真空二极管及束输运系统。脉冲功率系统则包含初级功率源Marx、次级功率源Blumlein线和触发系统，其作用是为感应腔提供一个具有数十纳秒平顶宽度的高压脉冲，激发感应腔在感应腔间隙上获得一个加速电场。在2MeV注入器功率系统中，4个Blumlein线的充气开关是由发散装置的输出触发信号进行导通控制的。通过控制发散输出触发信号到达Blumlein线开关的时间，即可以实现Blumlein线开关在不同时间内触发导通，使Blumlein线依据所设定的时间顺序输出激励脉冲，从而在真空二极管上获得高压脉冲串。由于功率系统采用的是182C结构，即一根Blumlein线驱动两个感应腔，因此最多可以实现四脉冲串列。     

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

 提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体（含磁体）、螺旋型中筒和外导体（含磁体）构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。     

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体（含磁体）、螺旋型中筒和外导体（含磁体）构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。     

高效层叠平行板Blumlein脉冲产生器性能分析

采用时空图和矩量法对单和多平行板Blumlein脉冲产生器的输出特性作了详细分析.数值计算表明, 为了获得良好的系统输出,开关的导通电阻必须尽可能小；为了获得最大的能量输出或最大的电压输出,所需采用的匹配负载电阻不同；多Blumlein层叠结构的电压匹配负载电阻可以通过单Blumlein的电压匹配负载来估计,而能量匹配负载电阻不能直接根据单Blumlein的能量匹配负载电阻来估算；Blumlein传输线的板间距与板宽之比决定了系统的电压匹配负载和能量匹配负载的大小,并显著影响匹配条件下的电压倍增因子和能量输出效率.     

陶瓷储能平行平板层叠Blumlein线

采用一种具有高储能密度的玻璃陶瓷板介质作为平行平板层叠Blumlein线(SBL)的储能介质,设计了一种平行平板SBL。针对该SBL的特点,设计了一种层叠轨道间隙触发开关。在实现多通道时,模拟与实验研究结果均表明该开关的上升时间小于10 ns。为验证这种设计理念,制造了一台2级平行平板SBL样机,实验结果表明,该结构适合于实现脉冲功率系统的模块化设计。     

基于光导开关的重复频率闪光X光机北大核心CSCD

采用砷化镓光导开关和Blumlein型脉冲形成网络以级联的拓扑形式构建平顶输出功率源,驱动工业X光二极管产生X射线。提出了一种轮辐状金属-陶瓷沿面阴极,并与普通金属阴极工业X光二极管重复频率实验结果进行比较。研究表明:受限于阴极重复频率下的电流发射能力,普通金属阴极工业X光二极管难以实现1kHz重复频率,采用新型阴极二极管实现了1kHz重复频率2猝发脉冲X光输出,这两个脉冲的二极管功率、X射线信号基本一致。     

驱动X光二极管的级联Blumlein型脉冲网络过电压脉冲分析

为了提高装置容许的运行电压以提高辐射剂量产额,开展了放电过程中影响脉冲形成网络过电压幅值因素的研究。在引入开关导通不同步性和导通电阻条件下,建立了适用于任意电阻性负载的级联Blumlein型脉冲形成网络电压波过程理论模型,基于波过程模型进一步分析了影响脉冲形成网络过电压幅值的因素。研究表明开关不同步是产生过电压的主要因素,过电压峰值出现在开关闭合后的3倍形成网络电长度时刻。随着网络级联级数的增加,二极管阻抗与源阻抗匹配情况下最大过电压可达到-2倍充电电压,而二极管阻抗下降使得过电压幅值得以加强,阻抗过早崩溃可使过电压幅值接近充电电压的-3倍。     

High-power, repetitive-stacked Blumlein pulsers commutated by asingle switching element

The stacked Blumlein pulse generators developed at the University of Texas at Dallas consist of several triaxial Blumleins stacked in series at one end. The lines are charged in parallel and synchronously commutated with a single switching element at the other end, In this may, relatively low charging voltages are multiplied to give a higher desired voltage across an arbitrary load. Extensive characterization of the stacked Blumlein pulsers indicates that these devices are capable of producing high-power pulses with rise times and repetition rates in the range of 0.3-50 ns and 1-300 Hz, respectively, using a conventional thyratron, spark gap, or photoconductive switch. This paper presents the progress in the development and use of these novel pulsers. Recent adaptation of the design has enabled the stacked Blumlein to produce 50-70 MW nanosecond pulses with risetimes on the order of 200-300 ps into nominally matched loads. The device has a compact line geometry and is commutated by a single photoconductive switch triggered by a low power laser diode     

固态高压脉冲形成线研究

 为了实现高压脉冲形成线小型化,开展了平板固态脉冲形成线研究。实验研究了两种作为储能介质的固态材料的高压体击穿特性、沿面闪络特性和频率响应特性,一种是特种复合材料,其相对介电常数在50～250之间,另一种是功能陶瓷,其相对介电常数在200～1 000之间。在此基础上,研制了两种平板固态脉冲形成线。特种复合介质固态脉冲形成线试验电压为3 kV左右,输出电压脉冲半高全宽（FWHM）可以达到58 ns;功能陶瓷介质固态脉冲形成线的试验充电电压超过120 kV,输出电压脉冲半高全宽为92 ns。     

气体开关对多级脉冲形成线输出波形的影响

为了提高脉冲形成线的输出耐压,采用组叠的方式将多个单级脉冲形成线进行串叠,可实现脉冲功率系统的小型化设计。基于多级薄膜介质线脉冲形成叠加技术,研究了气体火花间隙开关对多级脉冲形成线输出波形的影响。介绍了开关的设计原则,分析了开关抖动、开关电感、开关电阻对多级脉冲形成线输出特性的影响,并且从实验上研究了开关的导通特性对脉冲形成线输出波形的影响。实验结果表明:开关抖动会引起脉冲输出波形平顶时间减小,并且开关触发抖动会引起绝缘介质上的过电压条件,从而影响系统的绝缘设计;开关电感会使脉冲前沿变缓,平顶宽度变窄,后沿存在扭曲变形,存在拖尾现象;开关电阻的存在会降低输出效率。     

基于磁开关技术的长脉冲驱动源初步研究

基于磁开关技术提出了一种高功率长脉冲驱动源方案,主要包括脉冲变压器、磁脉冲压缩、低阻抗脉冲形成网络、磁开关类型主开关,以及感应电压叠加器等关键子系统;研制了各关键子系统并开展了单独的实验调试,基于跑道型磁芯制作了闭环磁芯脉冲变压器,采用硬连接绕组方式制作了方便调节的两级磁压缩系统,利用陶瓷电容器制作了圆周对称的Blumlein型低阻抗脉冲形成网络,配合低阻抗脉冲形成网络研制了磁开关类型主开关,基于单端口馈电和角向传输线技术建立了四级IVA实验装置;在上述关键子系统调试基础上,开展了全系统的初步联合实验,验证了技术方案。     

用光电导开关产生稳幅ps量级时间晃动超快电脉冲的研究

报道了用半绝缘GaAs光电导开关产生电压幅值稳定、ps量级时间晃动超快电脉冲的实验结果.分别用ns，ps和 fs激光脉冲触发GaAs光电导开关的结果表明，在低电场偏置下，电极间隙为1 mm的GaAs光电导开关可以产生触发时间晃动小于10 ps、电压幅值变化小于1.2 %、亚ns量级脉冲宽度的稳定超短电脉冲.分析了触发光脉冲能量起伏对光电导开关产生超快电脉冲电压幅值的影响，指出通过控制光电导开关的触发条件和对开关的优化设计，就可以获得电压幅值稳定、时间晃动在ps量级的超快电脉冲. 关键词： 光电导开关 超快电脉冲 电压幅值稳定性 时间晃动