爆磁压缩发生器模拟装置的设计与仿真

应用Pspice仿真软件建立了一个爆磁压缩发生器模拟装置的等效电路模型,分析了电路中各元件参数对爆磁压缩发生器模拟装置输出电流波形的影响,并根据电路中高压脉冲电容器充电电压的不同优化了四组回路参数。应用灰色关联度分析方法,分析了爆磁压缩发生器模拟装置分别在这四组参数情况下的输出电流波形与被模拟的爆磁压缩发生器输出电流波形的曲线相似度,并对工程上实现该模拟装置存在的问题进行了分析。另外,还对爆磁压缩发生器模拟装置通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了仿真。结果表明,此方案在理论上可以实现对爆磁压缩发生器输出电流波形上升阶段的准确模拟。     

长脉冲能源给脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象

 利用简单的理论和电路模拟的方法，分析了爆磁压缩发生器或电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象。研究表明由变压器副边电感和脉冲形成线电容构成的回路充电频率和接地电感的大小是影响预脉冲电压幅值的主要因素。由于接地电感的引入带来的高频寄生振荡不会引起预脉冲幅值的变化。在通过变压器对脉冲形成线充电的方案中，由于回路充电频率低，预脉冲电压幅值很小，只有kV量级。在电容器通过变压器为脉冲形成线充电的脉冲功率调制器中，将预脉冲开关去掉进行了实验，并与有预脉冲开关的情况进行了对比，结果发现无预脉冲开关的情况下，不影响二极管的正常工作和产生电子束的质量。     

双爆磁压缩发生器驱动单调制器产生双脉冲实验研究

 爆磁压缩发生器常用来驱动脉冲调制器，在二极管上产生高功率短脉冲。进行了两个100 kA动态级联型爆磁压缩发生器延时驱动一台由脉冲变压器和脉冲形成线构成的脉冲调制器的实验。两个爆磁压缩发生器由延时起爆器延时20 ms起爆并用熔断丝进行相互电隔离，在负载二极管上产生了间隔约20 ms、功率大于20 GW的两个脉冲。实验表明：用更多的爆磁压缩发生器驱动单台脉冲功率调制器产生多脉冲的方案是可行的，该方法可用于大功率重频加速器中脉冲功率器件的电恢复性能测试。     

快前沿变压器充电型磁压缩器的分析与设计

提出了一种快前沿充电型磁压缩发生器,采用高耦合系数脉冲变压器和无串接二极管型原边绕组设计,降低了变压器的杂散电感,可以对磁压缩电路进行快速脉冲式充电,有利于减少磁压缩装置的级数和体积。采用T模型对快前沿变压器充电型磁压缩器的电路进行了等效变换,分析了系统设计的原则。结果表明:系统的等效压缩增益远大于1;磁开关应选用高导磁材料。满足上述条件,磁压缩装置的充电效率和预脉冲现象才能获得理想值。研制了一台快前沿变压器充电型磁压缩脉冲发生器,3 nF电容负载上获得前沿时间为990 ns、幅值为50 kV的脉冲,预脉冲约2 kV,磁压缩器的电压效率为98%。     

基于Marx和磁开关的方波脉冲电源的研制北大核心CSCD

设计了一种全固态高压重频方波脉冲发生器,主要由Marx发生器、脉冲形成线和磁开关构成。Marx发生器通过电感对脉冲形成线进行充电,将其充电至所需电压水平;当脉冲形成线充电至峰值电压时,磁开关饱和;脉冲形成线通过饱和的磁开关对匹配负载进行放电,在负载上形成一个高压方波脉冲。串入电感与磁开关相互匹配,不仅直接影响放电过程,同时也决定着磁开关需承受的伏秒数和负载上的预脉冲大小。介绍了Marx发生器和磁开关的设计,在单次和5kHz重复频率下分别进行实验。在50Ω的匹配电阻负载上,获得电压幅值为12.5kV、电流幅值为250A、上升时间为46ns、脉宽为220ns的方波脉冲。对放电过程进行了PSPICE仿真模拟,仿真结果与实验结果匹配良好。     

爆磁压缩发生器与高阻抗负载匹配调制电路

通过对以电容器替代爆磁压缩发生器的系统等效电路进行理论分析,对影响这种调制电路性能的关键问题及其解决方法进行了讨论。根据理论分析结果对调制电路进行了设计。在初步实验中,当用于去除电爆炸丝上附加电压的撬断开关保持断开时,变压器原边电流切断不彻底,电容负载上充电电压峰值为-264 kV;保持其他电路参数不变,而使撬断开关在电爆炸断路开关断开过程中闭合时,变压器原边电流切断彻底,在相同负载上充电电压峰值为-374 kV。实验结果验证了理论分析结果,并证明了采用这种调制电路能够实现爆磁压缩发生器与高阻抗负载匹配。     

基于磁开关和带状线的长脉冲超低阻抗脉冲发生器(英文)

设计了一台基于磁开关和带状线的超低阻抗长脉冲脉冲发生器。设计输出脉冲电压20kV,电流40kA,脉宽230ns,由初级储能系统、脉冲变压器、磁开关、带状脉冲形成线、轨道开关和负载组成。脉冲发生器的关键设备是40kV级磁开关,它能将40kV,10μs的脉冲压缩为40kV,2μs的脉冲;超低阻抗卷绕型带状脉冲形成线,其特性阻抗0.5Ω,电长度115ns,由铜带和聚酯薄膜卷绕而成,为全固态化脉冲形成线。在大功率匹配负载上得到了电压17.8kV,电流35.6kA,脉宽约270ns的准方波脉冲。实验结果与理论计算及数值模拟结果基本一致。     

形成线脉冲压缩技术在超宽谱技术中的应用

分析了基于同轴Blumlein线的高功率脉冲源对低阻抗短形成线充电、实现脉冲压缩的基本原理,给出了理想情况下,脉冲压缩后输出的高功率超宽谱脉冲电压、功率增益及能量效率计算公式。利用电路仿真软件建立了脉冲压缩电路模型,通过模拟验证了理论分析。模拟了实际主脉冲波形对输出脉冲的影响,结果表明:低阻抗压缩线充电时间变长、充电电压峰值降低;通过在前级脉冲源与脉压形成线之间增加一定长度传输线,可以有效提高压缩线充电电压。针对典型的同轴Blumlein线高功率脉冲源紧凑Tesla型高功率脉冲源CKP-1000,设计了脉冲压缩装置和测量系统,建立了完整的脉冲压缩实验系统,开展了脉冲压缩试验。该脉压系统可将4.5 ns输入脉冲压缩为前沿940 ps、半高宽约1 ns的亚纳秒脉冲,实现了约2.2倍的功率增益。实验数据与理论分析基本吻合。     

全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器

设计制作了全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器,最高重复频率5 kHz,脉宽70 ns,通过调节初始储能电容上的电压可在500 阻性负载上获得4~40 kV连续可调的输出电压。通过分析简化的磁压缩末级回路,分析了预脉冲产生的过程,得出了预脉冲的电压表达式,选取适当的磁芯相对磁导率,经过求解,得出在磁开关未饱和电感一定时预脉冲随负载阻值变化的曲线簇,从曲线中可以看出:随着负载的阻值的增大,预脉冲的峰值绝对值也增大;在负载恒定的情况下,增大磁开关未饱和电感的大小可以显著地减小负载两端预脉冲的峰值绝对值,这要求磁开关磁芯有更高的相对磁导率。     

级联型爆磁压缩发生器的等效电路计算

 动态级联型爆磁压缩发生器由多级构成,后一级俘获前一级的磁通进而将能量放大。用镜像电流法计算装置等效电感和电阻,用磁通俘获模型计算两级间磁通耦合,并假设损耗电阻正比于直流电阻。用该等效电路方法计算了一种两级动态级联型爆磁压缩发生器的静态和动态电路参数,并对其输出电流波形进行了模拟,同实际测量和实验结果进行了比较,同时对该装置通过脉冲变压器对脉冲形成线的充电过程进行了简单的模拟计算。结果表明,该计算方法对级联型爆磁压缩发生器的优化设计和应用研究具有较好的指导作用。另外两级磁通俘获模型对于间接馈电（线圈或永磁体）装置模拟计算也有一定的参考价值。     

高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运模拟

利用2.5维KARAT软件对高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运过程进行PIC数值模拟，模拟结果表明在偏压电荷收集器内部电荷中和而电流不中和。在模拟中考虑了收集器的几何尺寸和离子束密度，因此模拟结果比一维数值计算的结果更为可靠。同时还模拟了偏置电压与电荷收集器离子收集效率之间的关系，对于峰值能量为500keV的高功率离子束，偏压为－800V即可满足测量要求，这一结果与实验吻合较好。     

爆磁压缩装置经组合功率调节系统产生高电压的实验研究

 介绍了以爆磁压缩装置为脉冲功率能源,经变压器和爆炸金属丝断路开关组合功率调节系统,在电阻负载上产生高电压的实验研究。实验结果为：在100W 水电阻负载两端得到了约800kV的高电压脉冲,脉宽约100ns。此项工作拓宽了爆磁压缩装置的应用范围。     

用于泵浦非链式HF/DF化学激光器的重复频率电子束发生器研究

 正在研究的1Hz重复频率电子束泵浦HF/DF化学激光器，预期产生的电子束能量为0.5MeV、束流强度为100kA、束流脉冲宽度为100ns。在该系统设计中，使用了一个脉冲变压器来对脉冲成形水线进行双共振充电。脉冲变压器的初级、次级电感与互感分别为331nH，26.5μH与1.9μH。脉冲成形线的电容、电感与阻抗分别为8.15nF，300nH与6.2Ω。脉冲成形线在1MV的峰值充电电压下的击穿因子为0.3。在3.3%的能量转换效率条件下，预期可以产生的HF/DF激光脉冲能量为２50J以上。     

电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程

 从T模型等效电路出发,在等效电路中磁化电感两端的电压在形成线等效电容充电到第一个峰值之前变化较小这一假设之下,推导了电容器通过变压器对脉冲形成线充电的解析表达式,给出了考虑回路存在电阻和杂散电感下的表达式。最后利用电路模拟来验证解析表达式,结果表明:给出的解析表达式能够较好地分析电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程;在形成线充电的第一个半周期内,解析理论得到的结果与模拟结果比较吻合,在原边电容和形成线等效电容可比较的情况下,从变压器耦合系数较低（不超过0.7）到耦合系数接近于1的情况都适用。     

高电感和高能量放大系数的MFCG的理论分析

 根据爆炸磁通量压缩发生器(MFCG)的基本理论,计算MFCG的非对称多分支螺线管的电感、电阻和电流,并讨论大电感螺线管和小电感负载的运行性能。通过增加MFCG的初始电感以增加其初始电感对负载电感的比值,是获得高能量放大系数的一个有效方法。增加螺线管段数和导线并联分支数,可得到一个比较好的电压平台。     

蓄电池供电的级联型爆磁压缩发生器实验研究

 一种由蓄电池作为初始能源的紧凑型螺线管爆磁压缩发生器由两级构成,其中第一级作为能量放大器,第二级通过磁通耦合对第一级输出的脉冲进行陡化以驱动较大的电感负载。初始能源由蓄电池、高压逆变器及储能电容器（220μF, 6 kV）构成。在爆磁压缩发生器运行以前,用5 min给储能电容器充上6 kV的电压。实验证明4 Ah的铅酸蓄电池可以通过高压逆变系统给220 μF的电容器充电超过五次以上,此时电池的电压仍然高于11 V。由此可见,以蓄电池加高压逆变器和储能电容器作为其初始能源,能够满足体积小、稳定提供较大的初始能量的能力。同时利用级联型爆磁压缩发生器,能够在较小的体积和重量的情况下驱动较大的电感负载(4μH),实现输出电流120kA,电流的上升时间为15 μs的预期目标。     

双脉冲高功率脉冲调制器的设计

采用螺旋线和折叠线技术相结合的方法,设计了一种基于水介质高功率脉冲调制器。该调制器采用了两个开关,通过控制两个开关的导通时刻,可以在两个负载上得到脉冲长度相等的两个脉冲。对该种折叠型传输线的波过程进行了详细分析,给出了过渡段部分阻抗等参数对负载电压的影响;用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟;最后利用高压同轴电缆,对该种类型调制器进行了低压情况下的验证实验,实验结果与理论分析、模拟研究一致。此种类型的调制器具有结构紧凑、可同时输出两个脉冲的优点。     

初次级等效比为1:43.4分数比脉冲变压器

 在理论分析分数比脉冲变压器输出脉冲上升时间与变压器次级绕组匝数、磁芯截面积和伏秒积等参数关系的基础上,设计建造了一台初次级等效比为1∶43.4分数比脉冲变压器,等效到次级的漏感为157.3 μH,分布电容为412.4 pF。低电压实验得到负载上的脉冲上升时间为894 ns,高电压实验得到负载上的脉冲上升时间为917 ns,电压幅值42.7 kV,表明所设计建造的分数比脉冲变压器达到了设计要求。     

轴线起爆式螺线管型爆磁压缩发生器理论模型

 对轴线起爆式螺线管型爆磁压缩发生器进行了理论模型研究，建立了爆炸管的一维爆轰驱动模型、螺线管内空间磁场强度分布模型、爆炸管外表面磁压力模型和发生器系统的等效电路模型等，对此类发生器的物理过程进行系统描述。在此基础上，编制了相应的零维数值模拟程序CEMG 1.0，利用该程序分别对四种不同模型参数的发生器进行了理论计算和参数优化，并对其中一模型发生器爆炸管外表面的磁压力及其引起的剩余电感进行了计算，给出了剩余电感与初始输入条件及负载电感的关系，从而得到该模型的输出性能极限。对理论模型的正确性进行了实例验算证明。