等阻抗超宽带高能微波发生器模拟研究

基于等阻抗-双脉冲成形线技术,建立了一个超宽带高能高功率微波发生器理论模型。计算机模拟结果表明:利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以同时产生纳秒主脉冲和皮秒前沿脉冲;通过控制皮秒脉冲成形线输出开关闭合的延迟时间,可以调制皮秒脉冲和纳秒脉冲的输出电压比值;通过调节纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线的电容比值,可以控制皮秒脉冲的脉宽和皮秒脉冲的峰值电压;利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以最大限度地提高辐射脉冲能量和整个系统的能量转换效率。     

基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

可调增益的纳秒脉冲发生器

本文描述采用火花隙开关和一小段水线的中间储能器(简称短水线中储)的纳秒脉冲发生器。通过改变短水线中储的溶液电阻便可获得不同的电压增益(输出电压对直流充电电压之比)。文中讨论了电参数对电压增益系数K影响;给出了短水线输出电压相对值的数学表达式;并在考虑和忽略开关等效孤道电阻的情况下估计了K值。在同轴的模拟装置上进行过一系列试验研究,电压增益可达1.6倍。该装置是一种可以调节增益的高压纳秒脉冲发生器。实验表明该发生器储能 2.7J时可获得50kV的三个触发脉冲,其抖动τ_j<3ns,上升时间τ_R<30ns。作为一种精密触发用的新的纳秒脉冲发生器在此基础上已建立。它可以在重复频率从0.5Hz,1Hz,直到20Hz的条件下连续工作,所达累计充放电次数已分别为 10~7次,5×10~4次和10~8次。这个新的脉冲发生器工作稳定、可靠。加大储能可输出更多的脉冲。本文对研制小型光脉冲电离激光器的脉冲泵浦装置用发生器有参考价值。     

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。     

SG-Ⅲ原型装置数十nm宽带数kJ输出能力评估

利用现有窄带激光传输模拟软件SG99和宽带激光传输模拟软件CPAP,以及自编的一维光脉冲传输放大的逆算程序,评估了原型装置在主放基本结构不动的情况下激光脉冲由窄带改为宽带,实现数十nm宽带条件数kJ的输出能力。宽带下增益窄化效应显现,对光谱增益窄化补偿也进行了研究。结果表明,为了补偿增益窄化效应,在3J主放注入能量下通过对光谱整形可满足系统2000~3000J的输出,但损失约40%的注入能量。考虑到这一因素,预放级至少要有5J的输出能力。研究结果指导了数十nm宽带倍频激光驱动实验系统研制实施方案。     

纳秒脉冲下聚合物电树枝引发实验方法

 借鉴直流、交流的研究经验,比较了纳秒脉冲条件下几种不同的电树枝老化实验方法。对单针-板电极和多针-板电极在纳秒脉冲下实验结果的一致性进行考察,结果表明,多针-板电极系统可以在提高实验效率的同时保证结果的准确性。采用步进法和累加法进行了不同频率下聚苯乙烯电树枝引发实验,结果表明:两种方法得到的纳秒脉冲下聚苯乙烯电树枝引发电压-频率特性基本一致,在50~500 Hz范围内,引发电压随频率的升高而降低;在500~800 Hz范围内,引发电压随频率的升高而增加。最后讨论了对于不同脉冲功率装置中绝缘材料老化试验设计的方法。     

高功率线偏振皮秒脉冲簇Yb光纤激光器

以一个增益调制的分布式布喇格反射结构的半导体激光器为种子源,设计了一个高功率皮秒脉冲簇输出的线偏振掺镱光纤激光器.种子源输出脉冲宽度200ps,重复频率350MHz.在预放大中插入一个基于一级衍射透过的声光调制器实现了皮秒脉冲簇形式的激光输出,脉冲簇的重复频率在10~500kHz范围可调.皮秒脉冲簇激光通过一个基于大模场面积保偏Yb光纤的功率放大级,获得了高功率线偏振激光输出,平均功率83 W,偏振消光比优于15dB.当脉冲簇重复频率固定在100kHz,脉冲簇中同时存在350个子脉冲时,获得峰值功率12kW的皮秒激光输出.与传统连续脉冲输出的激光器相比,该系统能够实现脉冲簇的输出,有利于峰值功率的进一步提高,可应用于激光微加工领域.     

激光带宽抑制光束小尺度自聚焦效应的条件

激光带宽有利于抑制光束的小尺度自聚焦效应,从而突破非线性效应的限制提高高能固体激光器的输出功率。研究表明,带宽抑制小尺度自聚焦效应的程度与带宽和脉宽之比密切相关,相同脉宽条件下带宽越大对空间小尺度自聚焦的抑制作用越明显,而带宽一定时随着脉冲宽度的增大,带宽的抑制作用则逐渐变弱。在实际的钕玻璃激光放大系统中,由有限的增益带宽以及增益窄化等因素所限制的带宽量,决定了在这类固体激光系统中需要脉冲宽度短至皮秒量级才能有效利用激光带宽抑制小尺度自聚焦效应,而对于长至数十皮秒,甚至纳秒量级的长脉冲而言,如此有限的带宽量对小尺度自聚焦的抑制几乎不起作用。     

基于抽运-探测法的皮秒反斯托克斯拉曼频移器的理论研究

采用拉曼频移器在晶体介质中利用相干反斯托克斯散射效应可以获得超短脉冲(皮秒)反斯托克斯激光.基于抽运-探测法的晶体拉曼频移器可以实现相干反斯托克斯散射的共线相互作用,从而可以有效提高反斯托克斯光的转化效率.本文在平面波近似下建立了基于抽运-探测法的皮秒反斯托克斯拉曼频移器的耦合波方程组,引入归一化参量对方程组进行了归一化处理.通过数值计算,得到了描述皮秒反斯托克斯拉曼频移器运行的一组普适理论曲线,分析了归一化拉曼增益系数G、归一化相位失配参数△K以及探测光脉冲能量占基频光总能量的比值r_(probe)三个变量对反斯托克斯拉曼频移器性能的影响,确定了实现高效反斯托克斯转化时各归一化变量的合理取值.采用实验数据对该理论模型的正确性进行了验证,反斯托克斯转化效率的理论值与文献数据基本一致.     

北京正负电子对撞机同步辐射光脉冲形状的高分辨率测量

用国产BWS-5kII型皮秒扫描相机测量了北京正负电子对撞机(BEPC)上极端相对论性运动正负电子束团产生的同步辐射光脉冲的时间结构、光脉冲长度与电子束流强度以及射频源电压的关系.当负电子束流强度由2mA增加到30mA时,光脉冲长度由220ps增加到670ps;在20mA电子束流强度条件下,射频源电压由250kV增加到500kV时,光脉冲长度在500ps到700ps范围内变化.测量系统的时间分辨率为30ps;时间刻度误差±15%,触发晃动小于±200ps.     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

 介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

PCB板折叠形成线模块设计与实验

采用FR-4型PCB板材为传输介质,设计了一种五条线并联的形成线模块。为优化形成线电场分布,绝缘介质层内部嵌有屏蔽电极,分析得到内嵌导体对形成线的特征参量以及传输特性无影响;形成线绝缘介质层厚度为4 mm,耐受电压超过200 kV,根据绝缘寿命公式分析,形成线可以在50～80 kV长时间工作;将PCB板折叠线通过并联以及封装组成形成线模块,外观尺寸为700 mm550 mm40 mm,特征阻抗为5.35 ,通过搭建Blumlein装置进行实验,在充电50 kV条件下,测得输出电压为45 kV,脉冲半高宽140 ns,平顶宽度75 ns,前沿65 ns。     

用于激光脉冲整形的任意电脉冲产生技术研究(英文)

为了实现整形脉冲调节的智能化,用计算机分别控制多个GaAs场效应管栅极偏压,并对场效应管产生的脉冲进行脉冲叠加,以控制整形电脉冲的形状;为提高输出整形脉冲的稳定性并减小触发晃动时间,优化设计了脉冲整形电路,结果表明:脉冲输出幅度1～5 V可调;方波脉冲输出宽度0～3 ns;脉冲前后沿分别为250 ps和350 ps;幅度稳定性:～4%(峰峰值) ;时域调整精度200 ps.     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

 建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。     

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。     

用于高功率激光装置中的电脉冲整形系统

采用射频GaAs场效应管和微带传输线技术,研制出用于高功率激光装置中的电脉冲整形系统.该系统电脉冲整形宽度为3.5 ns,幅度在0~5 V范围内调节,时域调整精度200 ps.整形后的方波,前沿383 ps,后沿642 ps,顶部不平坦度4~5%,波形幅度稳定性4~5%（p-p).利用该系统产生的整形电脉冲驱动电光波导调制器进行激光脉冲整形,得到了理想的整形激光脉冲.     

亚纳秒气体开关工作特性

 设计了3种结构的同轴Peaking-Chopping组合型亚纳秒气体开关,以半导体开路开关脉冲源为实验平台,分别对它们的击穿特性进行了实验研究。结果表明：亚纳秒气体开关采用环形组合电极Ⅱ时,可以在1～500 Hz稳定工作,输出前沿400 ps、后沿320 ps、脉冲宽度460 ps和电压129.2 kV的脉冲。开关输出脉冲的前后沿、脉冲宽度和电压幅度与开关间隙、气压和重复频率等因素有关,亚纳秒气体开关在小间隙（1～2 mm）、高气压（约10 MPa）时具有良好的重频特性。在开关气压和输入脉冲幅度不变时,输入脉冲上升沿越快,开关的击穿时延越小,击穿电压越高。     

紧凑型MV级强流加速器输出开关

 介绍了一种水介质脉冲形成线强流电子束加速器的输出开关的设计和实验结果。水介质脉冲形成线为单同轴螺旋结构,阻抗约9 Ω,充电电压为1.2 MV,匹配负载输出电压600 kV,脉冲宽度100 ns,形成线长度1.1 m,最大外径35 cm。输出开关采用简单的自击穿火花开关形式,主要采用了以下设计原则：（1）电极间隙的场增强因子小于1.4,使SF6的击穿电压 压强曲线尽可能线性;（2）电极间平均场强300 kV/cm,大于材料沿面界面场强的3倍以上,避免发生沿面闪络;（3）控制各结合点的场强,使其小于30 kV/cm;（4）减少开关室的体积,以保证最大的机械强度。该开关结构紧凑,总长度为12 cm,电感小于100 nH、击穿电压和气压的线性关系好,可在0.3~1.2 MV的较宽范围内调节。实验中开关运行稳定可靠,达到了设计要求。     

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。     

螺旋线型微秒级高压长脉冲发生器

为研究长脉冲强流电子束产生技术,设计了一台螺旋线型高压长脉冲发生器。该发生器主要由Marx发生器、充电电感、脉冲形成线、高压开关、脉冲传输线及平板二极管构成,形成线内导体为螺旋线,工作介质为去离子水,其指标为输出电压500 kV,电流40 kA,脉冲宽度1μs,单脉冲能量20 kJ。简要介绍了该长脉冲发生器的结构、给出了结构和电气参数,讨论了各部分设计应注意的问题。