四级串联共用腔体MA级FLTD的设计与仿真

目前MA级快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)模块一般引入2~4路快前沿(约20 ns)高幅值(100 kV)电脉冲触发,百TW级数十MA的FLTD驱动源含有数千个模块,其触发系统非常庞大,并且要求触发脉冲按照精确时序到达各级串联模块,以便实现与次级行波同步的感应电压高效叠加,触发系统成为大型FLTD驱动源的瓶颈之一。在之前提出的一种利用一路外触发脉冲实现数十模块串联FLTD与次级行波同步的感应电压高效叠加触发方式基础上,设计了4级串联共用腔体的MA级FLTD模块组,每级共24支路,其中1个用作触发支路,主放电支路由2只100 nF双端引出电极电容器和1只GW级气体开关组成;建立了16级串联、次级为水线的单路FLTD电路模型,数值仿真研究了支路开关自放电、触发支路开关闭合时序与分散性,以及次级传输线阻抗对驱动源的影响。     

直流叠加脉冲电压下FLTD气体开关击穿特性

分析了直流叠加脉冲电压(定义为复合电压)下次级感应电压触发快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)中气体开关击穿延时过程,给出了击穿延时的估算公式。初步实验研究了FLTD用三电极气体开关在复合电压作用下的击穿特性,结果表明:在±70kV直流充电电压叠加300kV/30ns快脉冲电压的复合电压作用下,气体开关的击穿延时小于相同工作系数下常规触发方式的击穿延时,采用SF6气体绝缘时,击穿延时较常规触发方式减小了17%~30%;采用N2绝缘时,减小了约50%,开关工作系数为55%时,击穿延时抖动小于5ns;理论估算的复合电压下击穿延时与实测结果基本吻合。     

基于感应变压器原理的多路开关同步触发技术

为满足直线变压器驱动源(LTD)中大规模开关同步触发的技术需求,提出了一种采用逆LTD结构、基于感应变压器原理的多路LTD开关同步触发技术（LTD-trigger）。它的工作原理类似若干个串联工作的脉冲变压器,即初级输入一个高压快脉冲,通过脉冲变压器的感应耦合后在次级输出多路的同步触发脉冲,且能够与LTD中的气体开关形成很好的对应关系。与传统的触发技术相比,LTD-trigger的同轴结构有效地减小了触发脉冲的延时与抖动,并且通过合理设计,能够满足LTD模块对于同步触发的要求。分析了LTD-trigger的工作原理,建立了电路模型和仿真模型,通过仿真结果和一些故障模式分析,结合已开展的初步实验结果,验证了同步触发技术的可行性。     

触发时序对直线型脉冲变压器输出参数的影响

 利用通用电路模型程序Pspice,建立了包含60级感应腔串联的单路直线型脉冲变压器（LTD）电路模型,次级传输线采用去离子水绝缘,计算分析了感应腔触发时序对LTD输出参数的影响。结果表明,控制触发时序能够显著改变LTD型驱动源的输出参数。当控制触发时序使得各级感应腔内的开关在闭合前承受一定过电压时,LTD输出电流比单级感应腔同等条件下的输出电流具有更短前沿和更高幅值。假定LTD开关过压击穿电压为400 kV,通过触发时序的优化可提高LTD装置输出性能：前沿从56.5 ns减少至12.5 ns,峰值从1 018 kA提高至1 340 kA。     

直线变压器驱动源多路开关同步触发技术

近年来,随着快脉冲直线变压器驱动源（LTD）技术的快速发展,装置中气体开关数目成倍增长,多路开关同步触发技术已经成为制约LTD技术发展的瓶颈之一。分别从电脉冲触发、激光触发及基于光导开关（PCSS）的同步触发3个方面,概述了近年来国际上LTD的发展现状,以及各国为实现多路开关同步触发所做的研究工作,阐述了每种触发方案的优缺点,对多级多通道开关的结构及触发特点与要求进行了调查。结合LTD装置同步触发的现状,对未来相关关键技术进行了探讨和展望。     

触发管型气体火花开关触发电极结构研究

 通过对触发管型气体火花开关触发机理和电极结构的分析，提出了圆盘型、齿轮型及多针型等新的触发电极。实验表明，这三种触发电极除多针型外都具有稳定工作性能，触发范围与常规针状电极结构相当，在纳秒前沿的触发脉冲作用下抖动可低于10 ns。其中，采用齿轮状触发电极结构，在幅值22 kV（约为主间隙静态击穿电压的20％）、前沿10 ns的触发脉冲下，触发最小时延为77 ns，抖动为2.5 ns。     

快Z箍缩短脉冲大电流驱动源技术的发展

 实现惯性约束聚变（ICF）和高产额(high yield,HY)要求脉冲驱动电流峰值达到约60 MA，采用类似SATURN和Z装置等传统的技术途径进一步提高驱动电流，从装置造价、结构复杂性和运行可靠性等方面看都具有相当大的难度，因此，需要发展新的短脉冲大电流驱动源技术，解决快Z箍缩技术发展的瓶颈。概述了国际上快Z箍缩驱动源技术的研究现状和趋势，介绍了有代表性的ICF/HY等离子体辐射源（plasma radiation source 简称PRS）或威胁级大型X射线模拟源初步概念设计、拟采用的技术途径，如俄罗斯大电流所（HCEI）基于FLTD（fast linear transformer driver）技术的直接驱动源、美国基于FLTD的新SATURN驱动源和基于FMG（fast Marx generator）技术的快Z箍缩驱动源，提出了快Z箍缩直接驱动源需要发展的关键技术。     

低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源研制

给出了基于远程和本地两种控制方式,作为低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源系统的设计原理和方法。研制了一台重复频率为0.01~1Hz、脉冲输出幅度为10~20kV、前沿小于10ns、脉宽大于500ns以及抖动小于1ns的高压脉冲触发源。设计上将程控和手动触发信号分别作为重复频率和单次预触发脉冲,驱动后级触发器绝缘栅双极型晶体管,经脉冲变压器变换后控制氢闸流管VE4141放电,实现输出高压脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了外触发脉冲情况下高压脉冲输出的实验结果。     

40级串联FLTD驱动杆箍缩二极管的箍缩特性模拟

快放电直线型变压器 (FLTD)直接驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术的紧凑型闪光照相装置是当前研究的热点。采用数值模拟(PIC)方法,建立了40级串联FLTD的粒子模拟模型,研究了不同触发时序下次级分别为正、负极性时的输出特性;在此基础上,初步模拟了RPD在4 MV电压下的箍缩特性。结果为:在脉冲源参数和负载相同的情况下,次级MITL内筒为正极性时的阴极传导电流比例明显低于负极性情况;在脉冲源输出电压4 MV时,RPD电子束箍缩良好,电子束的轴向分布较为集中,38%的电子束沉积在距离针尖1.5 mm的区域。     

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。     

高功率固体激光驱动器的优化设计

扼要介绍了高功率固体激光系统物理设计中的一些基本概念 ,并阐述了系统优化设计的主要方法。针对神光 原型装置的物理设计 ,提出了其能流分布设计优化的判据和设计的限制条件 ,给出了原型装置主放大级的初步优化设计结果。     

Z箍缩和闪光照相用快脉冲功率源技术的发展

 Z箍缩和闪光照相在惯性约束聚变（ICF）、核辐射效应和高性能爆轰流体动力学等研究中具有重要应用,Z箍缩ICF和多脉冲多角度高能脉冲X射线闪光照相对脉冲功率源提出了巨大挑战,国际上正在积极发展和探索可实现直接驱动Z箍缩和闪光照相二极管的快脉冲功率源新技术。综述了国际上近年来快Marx发生器（FMG）和快直线型变压器（FLTD）等脉冲功率源方面的发展动态,初步分析了两种技术途径的优缺点和制约性因素,以及需要开展的关键技术,介绍了西北核技术研究所的相关研究进展,最后提出了几点看法和建议。     

高功率固体激光驱动器的优化设计

 扼要介绍了高功率固体激光系统物理设计中的一些基本概念,并阐述了系统优化设计的主要方法。针对神光Ⅲ原型装置的物理设计,提出了其能流分布设计优化的判据和设计的限制条件,给出了原型装置主放大级的初步优化设计结果。     

On the feasibility of a fiber-based inertial fusion laser driver

One critical issue for the realization of Inertial Fusion Energy (IFE) power plants is the driver efficiency. High driver efficiency will greatly relax the driver energy requested to produce a fusion gain, resulting in more compact and less costly facilities. Among lasers, systems based on guided wave such as diode pumped Yb:glass fiber-amplifiers with a demonstrated overall efficiency close to 70% as opposed to few percents for systems based on free propagation, offer some intriguing opportunities. Guided optics provides the enormous advantage to directly benefit from the telecommunication industry where components are made cheap, rugged, well tested, environmentally stable, with lifetimes measured in tens of years and compatible with massive manufacturing.In this paper, we are studying the possibility to design a laser driver solely based on guided wave optics. We call this concept FAN for Fiber Amplification Network. It represents a profound departure from already proposed laser drivers all based on free propagation optics. The system will use a large number of identical fibers to combines long (ns) and short (ps) pulses that are needed for the fast ignition scheme. Technical details are discussed relative to fiber type, pump, phasing, pulse shaping and timing as well as fiber distribution around the chamber. The proposed fiber driver provides maximum and independent control on the wavefront, pulse duration, pulse shape, timing, making possible reaching the highest gain. The massive manufacturing will be amenable to a cheaper facility with an easy upkeep.     

晶闸管串联开关及同步触发系统研制

为满足脉冲功率源对高电压、大电流开关的需求,利用传统晶闸管均压技术,将多个晶闸管串联,研制出额定电压10kV,额定电流500A的晶闸管串联开关。根据晶闸管的触发原理,设计出同步触发多个晶闸管的触发系统。该触发系统采用绝缘栅双极型晶体管开关对直流电压阻断产生脉宽可调的低压脉冲,经多个隔离脉冲变压器升压,产生多路同步触发信号。对晶闸管触发系统及晶闸管串联开关进行了测试,测试结果表明:晶闸管触发系统可输出20V,1A的多路同步触发信号,触发信号的脉宽30~60μs可调,重复频率100Hz;晶闸管串联开关每路静态均压和动态均压波动小,在高电压条件下能稳定工作。     

快脉冲直线变压器气体开关技术

阐述了Z箍缩驱动惯性聚变装置对快脉冲直线变压器气体开关的需求背景,介绍了快脉冲直线变压器气体开关技术发展的基本要求及国际研究进展,归纳了近年来主要研究成果和对当前研究有重要借鉴意义的结论,给出了提高静态稳定性、降低触发阈值和延长开关寿命的措施。介绍了气体放电的汤逊和流注理论,指出:在不大于1.5106 Pacm范围内,汤逊理论完全适用于描述气体开关自击穿过程。根据巴申定律、Meek击穿判据,给出了开关气压和间距设计要点,分析了多间隙开关间隙数量和间隙的电压分布均匀性对开关自击穿电压的影响。根据触发击穿延时经验公式,归纳了降低触发电压阈值的技术途径。介绍了1维的电极熔蚀判据,并总结了减轻电极烧蚀的方法和措施最后指出开关技术研究总体策略和方法。