紧凑型脉冲成形模块的设计与实验研究

采用了人工线、开关和直线变压器结构一体化的设计方法,为重复运行的长脉冲直线变压器驱动源(LTD)装置研制了一种紧凑型低阻抗脉冲成形模块。为优化空间结构、减小分布参数、提高波形质量,脉冲单模块由两条20ΩBlumlein脉冲成形网络(PFN)并联储能,人工线采用相向L型布局,通过一个同轴开关同步放电,分两路向直线变压器初级线圈对称馈入快前沿的高压电脉冲。为了进一步减小线路电感,缩短脉冲前沿,研制了新型的嵌入式激光触发开关。与同轴开关相比,引线长度缩短了一半,脉冲前沿减小了10%。两级LTD模块实验装置在18.5Ω负载上获得了电压240 kV、半宽180 ns的脉冲输出,重复频率可达25 Hz。     

100kV低阻抗非均匀集中参数Blumlein脉冲形成网络的研制

 从工程实用角度出发，针对高压、高变比、低阻抗工作的脉冲变压器具有漏感大的特点，提出了要采用低阻抗集中参数非均匀电容脉冲形成网络的设计方法。采用传统设计和计算机模拟相结合，设计出了电压100kV，阻抗1.4Ω的6级集中参数 Blumlein型非均匀电容脉冲形成网络，缩短了输出脉冲前后沿，改善了脉冲波形，并成功地用于正在研制的500kV长脉冲加速器中。     

Simplified power supply for long pulse CO2 laser using zero cross switching technique

We propose a simple power supply for a longitudinally pulsed CO₂ laser with long pulse duration by the switching control of AC line (60 Hz) on HV leakage transformer primary, which can generate long pulse of about 3 ms compared to a typical pulsed power supply. In this power supply, a low voltage open loop control for high voltage discharge circuit is employed to avoid the HV sampling or switching, and AC line voltage switched directly by a SCR is applied to the leakage transformer primary. Thus, there is no need of a rectified bridge and an energy-storage capacitor in the discharge circuit, and the leakage transformer allows one to omit a current-limiting resistor. In order to control the laser output power, the pulse repetition rate is adjusted up to 60 Hz. A ZCS circuit and a PIC one-chip microprocessor are used to control the gate signal of SCR precisely.     

基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计

 设计了基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源单元模块。双路阻抗各为20 Ω的Blumlein 脉冲形成网络对称连接于直线变压器驱动源(LTD)的初级绕组上,此种接法降低了脉冲形成网络(PFN)的设计难度,有利于形成更好的脉冲。在LTD次级绕组所接的10 Ω匹配负载上输出高压脉冲,实验结果表明,单个LTD模块输出脉冲半高宽约200 ns,前沿约为55 ns,平顶约为100 ns。     

紧凑型长脉冲功率模块研制

设计了基于Blumlein脉冲成形网络(PFN)的紧凑型长脉冲功率模块。该模块将两路阻抗各为20Ω的Blumlein脉冲形成网络对称连接于LTD的初级绕组上,并采用同一个气体开关驱动,以保证两路PFN工作同步。PFN采用直角弯折"L"型结构,这种结构既保证了PFN与开关连接紧凑,又将模块横向尺寸缩减至最短,且对输出脉冲波形影响不大。实验结果表明,研制的长脉冲功率模块在10Ω负载上输出脉冲幅值约为135kV,半高宽约为180ns,前沿约为50ns,平顶约为100ns,重复脉冲频率可达到25Hz。     

应用于PFN-Marx发生器重频充电的紧凑空心脉冲变压器

通过理论分析研究了一种高能量转换效率(高于50%)的紧凑重频空心脉冲变压器。这种脉冲变压器可以应用于PFN-Marx发生器的重频充电。通过深入分析脉冲变压器的等效模型,得到了脉冲变压器能量转换效率、次级电压峰值、初级电流峰值以及初级电流变化率最大值的表达式,并与Pspice软件的模拟结果进行比较。结果表明:理论计算的电压、电流波形与模拟计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。同时,通过理论分析得到了能量效率大于50%的脉冲变压器结构尺寸。     

基于单纯形优化法的准方波脉冲形成网络设计

脉冲形成网络常用于大功率固态调制器、微波驱动源以及激光激励源中,以便获取宽平顶的高压长脉冲输出。针对常用的雷利网络,根据宽平顶低纹波的应用需求,开展了优化设计技术研究,提出了基于单纯形优化法的设计算法。主要针对两种情形进行了优化设计及计算:一是电容值相等,通过优化电感值以获取最优的输出波形;二是约定电容值(电容值不完全相等),通过优化计算不同电容排列下的输出结果,寻求最优的电容排列组合及相应的优化电感值。上述优化算法结果表明,在两种情形下均可以获得较优的准方波脉冲输出,可以为准方波脉冲形成网络的工程实现提供一种新的方法。理论计算和电路仿真结果表明,所提出的方法合理可行。     

全固态激励小型TEA CO_2激光器的研制

基于国产非晶态合金磁芯,研制了采用可控硅开关、脉冲升压变压器、以及两级磁脉冲压缩网络的全固态激励电路系统,并且应用于放电体积为29 cm3,工作气压为100 kPa的电晕预电离小型TEA CO2激光器。讨论了提高系统能量传输效率和减小系统体积的设计方法,并且测量了系统的工作性能以及各部分的能量损失。实验结果表明:磁脉冲压缩网络的能量传输效率大于83%,全固态激励系统的总效率大于75%;连接激光器负载时,输出脉冲的电压峰值约为22 kV,电流上升时间约为100 ns;得到了脉冲能量109 mJ,宽度70ns的激光输出,激光器整体效率约为3.3%。在目前的封离体积与气体循环方式限制下,激光器最大重复频率约为100 Hz,而激励电路部分可以达到400 Hz的工作频率。     

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。     

基于Tesla变压器和螺旋线的长脉冲发生器

 提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器，该发生器的螺旋型形成线包含有磁性材料构成的内导体棒和外屏蔽。形成线通过内置的高耦合Tesla变压器充电，变压器的初级线圈紧靠外磁芯导体，次级线圈位于螺旋中筒和外筒之间。对这种结构的螺旋线进行了特征参数的理论计算和波传输数值模拟，并进行了简单的原理验证实验。实验结果表明：这种设计是合理的、可行的。     

Variable square pulse vs conventional PFN pumping of Er:YAG laser

The influence of the flashlamp pump current pulse shape on Er:YAG laser efficiency and laser rod thermal focusing was studied theoretically and experimentally. Two pulse shapes, PFN (Pulse Forming Network) and VSP (Variable Square Pulse), were considered. Theoretical modeling and experimental measurements show that the pump pulse shape itself does not have a significant influence on the Er:YAG laser efficiency or thermal focusing. Instead, the major parameter influencing Er:YAG laser efficiency and thermal focusing was found to be the overall pulse duration. For PFN pulses, rise and fall times directly define the overall pulse duration, and therefore do have influence on thermal focusing. By contrast, VSP pulse duration is defined by the externally controlled on-time of the switching transistor. For square shaped pulses, short rise and fall times do not have a direct beneficial influence on thermal lensing.     

L型脉冲形成网络的仿真与实验研究北大核心CSCD

研究了L型连接结构对脉冲形成网络输出波形的影响。采用有限积分法,对L型连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真,并将其与直线型连接结构的脉冲形成网络仿真结果进行比较。结果表明:L型结构的脉冲形成网络前沿与直线型结构基本一致,约为40ns,半高宽为168ns,比直线型小7ns,平顶处较直线型结构有所波动,表现为平顶后段幅度升高。通过对两种连接结构的脉冲形成网络进行高压实验,验证了仿真结果。在脉冲功率驱动源结构紧凑化的工程应用中,L型连接结构的输出波形能基本满足要求。     

直线变压器驱动源两单元模块实验研究

基于脉冲成形加感应叠加技术路线是实现脉冲功率小型化的重要发展方向之一。介绍了设计的直线变压器驱动源单元模块结构,每一单元模块馈入阻抗为2.5 、脉冲宽度为200 ns的高压脉冲,两个模块输出的高压脉冲经过阴极杆感应叠加后输出至负载。实验结果表明:在工作电压40 kV、重复频率20 Hz及40 Hz条件下,两个单元模块经磁芯感应叠加后输出波形的抖动约为2 ns,波形质量与脉冲形成网络直接对匹配负载放电时十分吻合,且各次波形的重复性、一致性较好。     

准方波脉冲形成网络的理论分析与设计

针对微波驱动源、固态调制器等对宽平顶脉冲源的应用需求,开展了基于脉冲形成网络输出准方波的理论研究与分析设计。首先采用Prony算法获得准方波波形的解析表达式,然后基于最佳一致逼近的优化控制思路,列出极点控制方程,采用数值方法求解非线性方程组,获得优化波形参数。在此基础上采用阻抗函数匹配的算法求解出脉冲形成网络的元件参数初始值,根据工程设计的实际情况舍弃部分参数并对个别参数进行优化后,获得最终的元器件参数。通过理论分析与数值模拟相结合的方法,系统地给出了获取长脉宽、低纹波准方波脉冲形成网络的设计方法以及设计准则。该方法可用于设计任意阶低纹波系数的准方波脉冲源,也可用于设计其他输出波形要求的脉冲源。     

紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源

 讨论了一种低阻抗、高储能密度、可输出中等高压的百ns脉冲形成技术,其输出波形质量较好;采用磁感应电压叠加技术将该脉冲形成装置输出的中等高压脉冲叠加到应用需求的高电压高功率脉冲。研究表明单个感应模块可在2.8 Ω的负载上获得脉冲宽度为220 ns,前沿为50 ns的中等高压脉冲。     

脉冲形成网络的设计与实验研究

 采用陶瓷无感电容器作为储能介质,设计了一种低阻抗高储能密度的中等高压脉冲形成网络。该脉冲形成网络采用无感陶瓷电容器作为储能介质,每一个电容器的容值为1.7 nF。电容器采用相对介电常数较高的钛酸钡作为材料,单个电容器的直径为6 cm、高度为4 cm,该电容器在变压器油中的工作电压可以达到50 kV。实验结果表明,设计的单线型中等高压脉冲形成网络可在1 Ω的匹配负载上获得半高宽220 ns,前沿为40 ns的高压脉冲,能很好满足脉冲功率系统小型化的应用要求。实验研究还表明,设计的低阻抗Blumlein型脉冲形成网络,在工作电压为44 kV时可在2.5 Ω的低阻抗负载上获得脉宽230 ns,前沿约为50 ns的脉冲。     

用受激拉曼泵浦方法高效制备v=2振动激发态氘分子

We report the preparation of D₂ molecules in v=2 level in molecular beam condition. A single longitudinal mode laser system was used for excitation of D₂ from (v=0, j=0) to (v=2, j=0) with the scheme of stimulated Raman pumping. An excitation efficiency of 25.2% has been achieved, which was determined by the scheme of resonance-enhanced multiphoton ionization. Dependence of relative excitation efficiency on laser energy has been measured. We found that the increasing rate of excitation efficiency became slower as pulse energy of Stokes laser increase, while the excitation efficiency still increases approximately linearly with pump pulse energies up to 60 mJ. The spectral line shapes of Raman transition was also measured at different laser energies and considerable dynamical Stark effect was observed. A single peak was found on the three dimension surface of relative excitation efficiency, indicating the process occurred in the present study is a process of stimulated Raman pumping instead of stimulated adiabatic Raman passage.     

基于脉冲变压器和脉冲形成网络的高压脉冲源北大核心CSCD

为了满足在高电压状态下对氧化锌陶瓷（ZnO）元件的检测需要,研制了一种基于脉冲变压器和脉冲形成网络（PFN）的,输出电压范围10-80kV可调,波形为近方波的高压脉冲源。根据实际研制过程,分别介绍了高压脉冲源的设计、仿真及系统电路构建。测试了高压脉冲源在标准负载（匹配）和氧化锌陶瓷负载上的输出情况。结果显示：脉冲顶降小于3%,顶部波动小于1.5%,前后沿指标均满足要求。因而,高压脉冲源可以用于氧化锌陶瓷的性能检测。     

直线型脉冲变压器模块的响应特性

 介绍了短脉冲应用中磁芯的选取,设计了一台两路并联馈电的单模块直线型脉冲变压器驱动源（LTD）装置。在低压情况下测试了装置对不同脉宽信号的响应特性,在此基础上利用一级脉冲形成网络提供的输出阻抗约5 Ω,脉宽约3 μs的近似方波信号对装置进行了高压实验,得到了匹配负载情况下LTD次级上的输出电压波形,和脉冲形成网络的输出波形得到了很好的吻合。建立了相应的LTD电路模型,利用Laplace变换推导了模型对有限上升前沿脉冲的响应,证明了励磁电感偏小是造成实验中LTD装置输出电压幅值明显低于充电电压的主要原因,提出了改进方法并进行了实验验证。     

Pulse behaviour of a compact RF discharged CO2 slab laser

We present the measurements made on a medium power, 35 cm long, radio-frequency discharge CO₂ slab laser operated in a pulsed regime obtained by switching the RF discharge. In this way, pulses with peak power up to 480 W at pulse repetition frequencies in the range 1 to 10 kHz have been obtained. Pulse energy and average extracted power have been experimentally characterized with respect to the pulse repetition frequency and to the pulse duration, and the pulse shape and characteristic times have been measured. We also investigated the propagation properties of the beam emerging from our laser.