Repetition rate pulsed power technology and its applications:( (ii) ) Circuit methods and electromagnetic principles

以电磁学的基础概念为出发点,系统性地阐述了脉冲功率产生过程的基本原理.采用统一的理论模型,描述了电磁能量的储存、传输和释放过程的物理规律.从特征阻抗的角度论述了储能器件、传输器件及开关等脉冲功率系统核心元素之间的区别与联系.在此基础上,解说了几种典型脉冲功率发生器的电路方法及其工作原理,它们包括脉冲形成线法、脉冲压缩法和场通量压缩法.     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:（1） 概述

从实际应用的角度出发,概括性地描述了高重复频率脉冲功率的主要技术特点,如工作次数多、脉冲间隔时间短和平均输出功率高等。通过介绍高平均功率准分子激光、常压脉冲气体放电、感应式回旋加速器等有代表性应用实例,论述了高重复频率脉冲功率技术的学术意义。高重复频率脉冲功率技术将进一步完善脉冲压缩理论和电路设计方法,从而在短脉冲和波形控制等方面取得进展,同时高重复频率脉冲功率发生器将进一步趋向多样化和极限化。高重复频率脉冲功率技术的发展与脉冲功率器件性能的持续提高之间相互促进,会不断将高重复频率脉冲功率技术的成果带向工业生产和日常生活。     

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。     

啁啾堆积脉冲传输过程中的小尺度自聚焦效应

 研究了啁啾堆积脉冲的时间精细结构与子脉冲带宽、相位、啁啾量等因素的关系。结果表明:随着子脉冲带宽的微小变化,啁啾堆积脉冲的峰值功率为相同输出能力窄带脉冲功率的1.5~3.0倍;当子脉冲间存在着随机相位扰动时,啁啾堆积的峰值功率约为相同输出能力窄带脉冲功率的3倍。建立了啁啾堆积脉冲的时空非线性传输放大模型,模拟得到堆积脉冲传输过程中的非线性增长因子,并与相同能量的窄带脉冲进行了比较,揭示了啁啾堆积脉冲在高功率激光装置中的传输放大过程中出现的一些新现象以及可能导致的后果。     

双路脉冲输出结构理论设计与仿真

基于单台脉冲功率驱动源同时驱动两个微波器件产生双频高功率微波的构想,设计了一种双路短脉冲输出结构,其接于主开关后,能够将主开关产生的高压纳秒脉冲传输至高功率微波产生器。两路脉冲由同一脉冲源产生,具有很好的一致性。对双路输出结构脉冲传输过程进行了建模仿真,研究了传输线阻抗、输入脉冲前沿等电学参数对输出波形质量的影响规律,并完成了绝缘风险分析及结构优化。经评估,在前沿4～8 ns的准方波输入脉冲下,双路脉冲输出线的输出波形质量与单路传输线相当,其过冲振荡均小于20%、平顶振荡均小于1%,且能满足绝缘要求。     

飞秒激光脉冲在正色散固体材料中的自压缩

实验研究了正色散固体介质中的激光脉冲自压缩现象,证明了无需任何外加色散补偿情况下，固体透明介质中的自聚焦传输过程可使高功率飞秒激光脉冲实现时域脉冲压缩，并详细研究了输出脉冲的时域和频域特性随入射脉冲强度的演化规律.实验结果表明脉冲自压缩量随入射脉冲强度的增加呈递增趋势，然而当入射光强增大到足以引起超连续谱及锥形辐射产生时，脉冲时域形状会发生分裂.此外还发现发散光束入射情况下同样可以观察到脉冲自压缩现象. 关键词： 超短激光脉冲 脉冲压缩 非线性传输     

铁基纳米晶磁芯的脉冲磁化特性测量及其在磁开关中的应用

磁开关是重复频率脉冲功率系统可选的工作性能优越的开关器件之一。目前磁开关的仿真模型是基于伏秒积分的宏观特性建立起来的纯电路模型,未考虑磁芯饱和过程中磁芯特性的变化,仿真难以准确预测磁开关负载上的预脉冲,波形的前沿误差也较大。测试获得了快脉冲激励下的铁基纳米晶磁芯磁滞回线和初始磁化曲线,利用磁芯磁滞回线的关键参数,提取了脉冲激励下的磁芯J-A参数,用于定义多物理场中磁开关模型的磁芯特性。针对磁开关脉冲压缩电路,利用多物理场仿真软件COMSOL建立了磁脉冲压缩系统电路与磁开关电磁场的场路耦合仿真模型,计算磁脉冲压缩电路的输出波形,与实验结果对比,预脉冲幅值误差为2%,峰值误差为2%,前沿误差为5%,证明了建立的场路耦合仿真模型的有效性和准确性。     

基于磁开关的全固态、高功率、长脉冲发生器的初步研究

大多数电容储能型脉冲功率装置的共同特点是采用了气体开关, 由于气体绝缘恢复的限制和电极的烧蚀, 使得其重复频率都不太高, 而且寿命有限. 而目前广泛研究的磁脉冲压缩技术在脉冲功率系统的长寿命、高平均功率和高重复频率运行方面具有很大的应用前景. 通过对BOOST电路、LC谐振电路和磁脉冲压缩电路详细的理论分析和计算机模拟, 设计了由BOOST电路, LC谐振电路, 脉冲变压器, 磁压缩系统, 负载五大部分组成的脉冲发生器电路系统模型, 使用Pspice软件对系统进行了模拟、优化, 得到了电压幅值为55kV, 脉宽为500ns的输出脉冲.     

高功率微波脉冲压缩技术实验研究

 建立了利用储能切换法实现微波脉冲压缩的实验装置并进行了实验研究。在输入脉冲功率为2.7MW,脉冲宽度为1.4μs的情况下,脉冲压缩功率增益近40,输出微波脉冲功率为106MW,脉宽为13～14ns。实验结果表明输出功率增益与气压和气体成分没有明显的联系,气体击穿的分散性可能是导致输出功率增益波动的主要原因。     

基于TPG2000的三路输出线理论设计与仿真

基于单台脉冲功率源产生多路电子束驱动多路微波器件的构想,提出了一种三路螺旋线输出方案,三路脉冲是由同一主脉冲产生,具有时间同步精度高的特点。以Tesla型脉冲功率源TPG2000为基础,经过理论计算,给出了三路输出线理论设计结果,对脉冲传输过程进行了建模仿真和结构优化,得到了三路参数相同的脉冲,其中两路脉冲比另一路延迟20 ns。     

梳状色散光纤中皮秒脉冲压缩特性研究

利用数值法解非线性薛定谔方程,分析了光脉冲在梳状色散光纤中的传输特性,比较了光脉冲在几种不同的色散变化趋势的梳状色散光纤中的脉冲压缩比及脉冲质量,提出了高阶孤子压缩加梳状色散光纤压缩的方法,并初步讨论了梳状色散光纤对增益开关激光器输出脉冲进行压缩的效果。     

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。     

新型全光纤高能量飞秒光脉冲源的数值模拟

数值模拟了自相似脉冲的产生与压缩,得到一种产生高能量飞秒光脉冲的新方法.结果表明:利用掺铒光纤对光脉冲进行自相似传输,可得到含线性频率啁啾的高能量自相似光脉冲;自相似光脉冲经过空芯光子带隙光纤的一级线性压缩和高非线性光纤的二级非线性压缩,可获得高峰值功率的飞秒光脉冲;压缩过程中存在最佳光纤长度;喇曼自频移和自陡效应对脉冲压缩产生不利影响.     

基于SI-GaAs材料的新型脉冲压缩二极管

针对快前沿高重频脉冲的应用需求,设计并研制了一种基于半绝缘砷化镓（SI-GaAs）材料的新型脉冲压缩二极管,通过实验对其压缩性能和重频运行能力进行了测试。实验结果表明,利用此开关能够将前级脉冲的上升沿压缩约270倍和脉宽压缩14倍;并在50 Ω负载上,获得脉冲幅度1.3 kV、上升沿约1.6 ns、脉宽40.59 ns的电脉冲,重复频率达1 kHz,总计运行47 min,触发约两百万次。为研究脉冲压缩二极管的工作原理,对其静态伏安特性进行测试。分析认为,在电压初步加载阶段,SI-GaAs材料内的电场增强型的俘获与离化机制导致耐压增强,二极管在实验过程中出现延迟击穿现象;逆向偶极畴效应产生牵引机制,引发快速上升的位移电流,进而导致反偏结雪崩击穿,二极管表现出瞬间负阻特性,在负载上输出高压纳秒电脉冲。新型脉冲压缩二极管无外加触发快脉冲的前级器件,自身可以维持一定时间的强烈雪崩击穿状态,因此具有体积小、生产成本低的优点,可用于制作小型化高重频的纳秒脉冲功率源。     

重复脉冲强流电子束引导磁场的设计及实验

对于强流脉冲电子束的传输，一般是利用引导磁场箍缩电子束使其无损的通过漂移管进入微波器件并进行束波互作用。与单次脉冲引导磁场相比，重复脉冲引导磁场的设计及强流电子束在其中的传输过程是非常复杂的，引导磁场既要满足与重复脉冲电子束的同步条件，又要满足束流传输的极限条件，同时也要满足微波器件对磁场位形和电子束几何尺寸的要求。     

二次升压的重复频率脉冲电源

介绍一种采用脉冲变压器二次升压工作方式实现高电压脉冲输出的设计电路，电路的主要特点是可以对电容负载实现快速充电，通常其充电时间可控制在几百纳秒内。由于在电路中的开关器件为氢闸流管和磁压缩装置，因此系统具有千赫兹的连续重复频率工作能力。目前，以这种方式工作的重复频率脉冲电源系统，脉冲调制过程的能量传输效率大于70％，输出脉冲电压大于600kV，连续重复频率大于100Hz.     

1GW超宽带单周期脉冲辐射源实验研究

 利用600kV铁芯充电脉冲变压器和压缩开关,作为初级脉冲功率系统和亚纳秒单开关技术,产生了峰值功率1.6GW、脉冲全底宽5.5ns的单周期脉冲,可在高于20Hz重复 频率下稳定运行。设计了同轴双锥天线,辐射功率大于500MW。初步掌握了产生和辐射高峰值功率超宽带脉冲的绝缘和能量损耗,特别是50Ω超宽带负载设计等技术难题。     

1GW超宽带单周期脉冲辐射源实验研究

利用 ６００ｋ Ｖ 铁芯充电脉冲变压器和压缩开关,作为初级脉冲功率系统和亚纳秒单开关技术,产生了峰值功率 １．６ Ｇ Ｗ 、脉冲全底宽 ５．５ｎｓ 的单周期脉冲,可在高于 ２０ Ｈｚ 重复频率下稳定运行。设计了同轴双锥天线,辐射功率大于 ５００ Ｍ Ｗ 。初步掌握了产生和辐射高峰值功率超宽带脉冲的绝缘和能量损耗,特别是 ５０Ω超宽带负载设计等技术难题。     

Marx型脉冲形成网络的研究

介绍了Marx型脉冲形成网络的基本原理, 用PSpice软件对整个脉冲形成网络进行了模拟, 通过优化网络器件参数, 获得了等电容条件下平整的波形输出. 研制了一台4级Marx型脉冲形成网络的脉冲功率源, 在充电电压为20kV的情况下, 在18Ω的匹配负载上获得了40kV的电压输出, 脉冲半高宽为3μs, 平顶宽度2μs.     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

 获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM₀₁的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。