紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究北大核心CSCD

设计一种紧凑型重复频率快前沿Marx发生器,采用3.3nF陶瓷电容器作为储能电容,螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。将电容器、气体开关、充电及隔离电感设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。在考虑开关电极分散电容、回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。在理论分析的基础上,通过优化电路结构,完成了12级Marx发生器的设计与研制。在50Ω电阻负载上获得了电压150kV、脉宽30ns、上升时间10ns的脉冲波形,Marx发生器可60Hz重复频率运行,与模拟结果基本一致。     

陡化前沿Marx发生器的设计与初步实验

 设计了10级同轴结构的陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。该系统采用3 nF低电感电容器作为储能电容,采用固体电阻作为充电电阻,通过各级短间隙气体火花开关迅速放电及级间紫外光耦合在50 Ω负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。在考虑开关电极分散电容、等效传输线效应及回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。根据数值模拟结果设计加工了10级陡化前沿的Marx发生器实验装置,在较低充电电压下（7 kV与11 kV）,得到了初步实验结果,输出电压波形大致为方波,相对于传统Marx发生器输出前沿缓慢的三角波有较大改善,半高宽为40~50 ns,前沿时间为十几ns,幅值约为41 kV和57.5 kV,实验结果与模拟结果基本一致。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明:此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明:电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。     

聚龙一号装置磁驱动加载实验的全电路模拟

聚龙一号装置由24路模块并联组成, 通过调整24路模块中激光触发气体开关的导通时序可实现负载电流波形的精确调节, 以满足磁驱动加载实验所要求的负载电流波形灵活调节的需求。针对聚龙一号装置开展的磁驱动加载实验, 建立了能够描述能量从Marx发生器开始至负载整个传输过程的全电路模型, 开发了相应的电路计算程序, 并基于实验结果对计算程序进行了校验, 电路模拟结果与实验结果符合较好。电路模拟程序的计算效率比采用Pspice软件进行全电路计算的效率显著提高, 其不仅可应用于在给定激光触发气体开关导通时序的情况下对聚龙一号装置的输出特性进行预测和评估, 同时也为负载电流波形调节的方案设计提供了一种有效工具。     

一种紧凑型宽谱辐射源

 采用快前沿Marx发生器直接驱动辐射天线,设计了一种紧凑型宽谱辐射源。Marx发生器采用3 300 pF低电感陶瓷电容器作为储能电容,采用螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电,在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。系统设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。辐射系统包括振荡器及辐射天线两部分,系统辐射场中心频率为206 MHz,辐射因子40 kV,可重复频率10 Hz运行。     

100 kV重频气体开关初步研究及应用

为了减小脉冲功率源装置的体积, 对三电极气体开关和两电极气体开关的结构进行了小型化设计。采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化, 对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同SF6气压（0～0.2 MPa）、不同开关间隙条件下的击穿电压及触发工作电压等进行了实验研究。结果表明:设计的触发开关和自击穿开关在0～0.2 MPa气压范围内, 自击穿电压随气压具有很好的线性关系; 自击穿开关间隙为8 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现自击穿电压90～125 kV可调; 触发开关主间隙为7 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现触发工作电压40～95 kV 可调; 初步估算, 触发开关和自击穿开关的工作电感均约20 nH。利用重频脉冲电源, 测试了开关的重频工作能力, 在工作电压80 kV、导通电流约20 kA的条件下, 重复工作频率在20 Hz以上。此外, 利用研制的开关构建了八级紧凑型Marx发生器, 实现了5和10 Hz重频多脉冲输出。     

MV级近方波Marx发生器的设计

分析了Marx发生器与正弦振荡回路组合直接输出方波脉冲的近方波Marx发生器理论,并设计了一个该类型的方波发生器装置。其中,Marx发生器由16个充电电压为100 kV、容值为40 nF的电容器组成,采用正负充电的S型超前触发回路,正弦振荡回路由5个与Marx发生器同类型的电容器和1个0.5 H的电感组成。通过Spice模拟,在负载为100 时,输出脉冲电压为1.1 MV,脉宽约300 ns。提出了利用Marx发生器触发LC回路的方法,以解决Marx与LC回路的同步触发问题,使输出电压能够有效叠加。     

MV级近方波Marx发生器的设计

分析了Marx发生器与正弦振荡回路组合直接输出方波脉冲的近方波Marx发生器理论,并设计了一个该类型的方波发生器装置.其中,Marx发生器由16个充电电压为100 kV、容值为40 nF的电容器组成,采用正负充电的S型超前触发回路,正弦振荡回路由5个与Marx发生器同类型的电容器和1个0.5 μH的电感组成.通过Spice模拟,在负载为100 Ω时,输出脉冲电压为1.1 MV,脉宽约300 ns.提出了利用Marx发生器触发LC回路的方法,以解决Marx与LC回路的同步触发问题,使输出电压能够有效叠加.     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

强激光能源系统的Marx触发器

针对强激光能源系统对Marx触发器的输出性能和可靠性要求,介绍了一种六级的Marx触发器。通过采用多级低电感脉冲形成电路获得了高幅值、陡前沿的输出脉冲,运用实验与概率分析相结合的方法,确定了它的工作参数。实验研究结果表明:这种Marx触发器的误触发率和触发气体开关成功率均符合两参数的威布尔概率分布;当欠压比为65%、工作电压为13.5 kV、工作气压（绝压）为0.35 MPa时,能输出幅值120 kV、前沿20 ns的电压脉冲;该触发器能同时满足误触发率低于0.000 1%,正常触发成功率高于99.999 9%的技术要求。经过长时间现场运行测试,Marx触发器工作良好,无异常现象。     

高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化技术研究进展

传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节,同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题,课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式,并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展,包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置:同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20 GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状,为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。     

闪光二号加速器气体主开关同步触发系统

 设计并调试了闪光二号加速器气体主开关同步触发系统。该系统主要由同步控制部分和高压脉冲形成部分构成。整个触发过程包括同步信号的引出、整形滤波、快速比较电路传输、前级脉冲形成、高压脉冲产生。通过对同步信号的整形处理，解决了发生器电流上的高频信号干扰问题；经过快速比较电路和前级脉冲后，选取了同步信号开始工作的时间点，并形成十几V的触发信号；高压脉冲形成部分主开关采用场畸变结合预电离的方式，该结构的气体开关时间响应为50 ns，抖动小于5 ns，满足使用要求。调试结果表明:该系统输出脉冲电压幅值100 kV，前沿小于10 ns，系统的工作时延440 ns，抖动13.5 ns；可通过增加电缆长度来控制触发信号到达气体开关的时刻，实现气体主开关与Marx发生器的延时同步工作。     

Laser-triggered low timing jitter coaxial Marx generator

A coaxial Marx generator triggered with a UV laser pulse propagating coaxially through multigap switches is constructed. The Marx generator is operated at maximum voltage of 200 kV with a rise time of less than 10 ns. To trigger multigap switches in the Marx generator, the laser pulse is passed through fine metal mesh fitted in the holes formed along the central axis in electrodes of gap switches. Photoelectrons generated from the mesh part of the cathode trigger the discharge and close the switches. Timing jitter of the high voltage pulse with respect to the laser pulse is 800 ps for the case of single gap switch and 1 ns for the Marx generator with two stage gap switches. Since the spark path is always formed from the solid surface of the cathode instead of the metal mesh, the mesh part of the cathode is never damaged for a large number of shots, promising long lifetime of the electrodes     

大功率能源模块中的石墨电极气体开关系统

探讨了大功率脉冲电源模块中主放电开关和预电离开关整体系统的设计、制造和试验过程。在主放电回路中选择石墨型两电极气体开关作为主开关,因为其在高峰值和快上升沿时间电流的作用下具有很长的工作寿命,并由此构建了基于脉冲变压器的主开关触发器,其中气路控制装置是该系统的辅助设备。在预电离回路中选择石墨型三电极气体开关作为放电开关,并给出了能够同时输出高电压和大电流的预电离开关触发器的设计原理。最后,电气特性测试实验表明两电极主开关峰值电流超过700kA,总转移电荷量超过200kC,此外通过更换电极,开关的寿命可以延长。预电离开关在充气230kPa绝对气压、充电电压23kV下,击穿时延平均值为7.5μs,时延抖动为0.656μs;预电离开关寿命试验的结果显示开关工作4000发次后石墨电极无需更换,开关的总转移电荷量超过10kC。     

1MV小型重复频率Marx发生器研制

设计了MV级小型重复频率Marx发生器,简化了发生器充放电回路,减小了能量损失;分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响,减小了隔离电感体积,提高了隔离有效性;优化了开关腔体结构,实现了间距连续可调,且受外围结构的变化或振动影响,13个开关间隙置于同一垂线上,火花放电时产生的紫外线或射线相互照射,加速了开关导通,减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用,提高了发生器的可靠性;通过Pspice模拟和三维静电场分析,实现了发生器小型化,整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内,体积小于0.25m3。优化设计和实验研究,发生器在高阻负载上输出峰值1.02MV、前沿约30ns的高压脉冲,发生器储能290J,电压幅度抖动约10%,前沿抖动小于10ns,可实现重复频率20Hz稳定运行。     

全固态高重频高压脉冲电源

设计了一款全固态高重频高压脉冲电源,主电路采用以IGBT为主开关的半桥式固态Marx电路,驱动电路采用磁芯隔离带负压偏置的同步驱动方案,并由FPGA提供充放电控制信号和故障诊断、保护。该方案既可实现对多级电容的低阻抗的快速并联充电控制,又可实现截尾功能以加快脉冲后沿获得方波脉冲,且可实现百μs以上的宽脉冲输出,可用来产生高压脉冲电场。此外,该电源还可在突发模式下输出脉冲个数和频率均可调的多个高频脉冲系列。实验表明,该输出电压幅值可高达40 kV,输出峰值电流可达100 A,重频可达30 kHz,上升沿和下降沿均低于100 ns,突发模式下重频可高达200 kHz。所设计的脉冲电源输出参数连续可调,且体积小巧。     

150 kV全固态高压脉冲发生器设计

设计了一种基于全固态MOSFET半导体开关器件的Marx脉冲发生器。充电回路用快恢复二极管代替充电电阻,减小了充电部分功率损耗;将主电路和驱动电路集成在一起,采用自取电模式给驱动电路供电;由光纤传输驱动信号,抑制了放电回路对触发信号的干扰;采用顺/逆时针方向环形分布的紧凑型拓扑结构,不仅减小了回路电感,而且实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的Marx发生器充电部分仅需提供900 V低压,用180级单元串联,获得最高幅值为150 kV、脉宽1~5 s可调的高压快脉冲,前沿控制在500 ns以内。利用该脉冲发生器在50 k电阻和5 pF电容并联的等效负载上进行了一系列实验;比较分析了脉冲发生器工作过程中影响脉冲上升沿的几个主要因素,包括回路电感、MOSFET驱动电压及主回路分布电容等,并讨论了提升脉冲前沿的技术措施。     

高压陡脉冲发生器的研制

对Marx发生器放电回路进行了理论分析,给出了放电回路的计算程序,并在并在理论分析的基础上设计,制作了一台输出电压幅值高于160kV,脉冲前沿小于5ns的高压陡脉冲发生器。     

200 kV/200 kA脉冲源的研制

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源,脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关,使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究,并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。