液体介质快脉冲电压下击穿特性研究

 设计了液体介质快脉冲击穿试验装置和电压电流测量系统，研究了重复频率、电极形状及电极间距与介质击穿场强、击穿电压和击穿时延等击穿特性参数的关系，比较了变压器油、十二烷基苯、蓖麻油三种典型液体绝缘介质在直流及快脉冲电压作用下的绝缘性能。结果表明：短脉冲持续时间下液体绝缘材料有异常高的击穿场强；重复脉冲串作用下的击穿场强比单个脉冲下明显减小，重复频率2 kHz时击穿场强减小了约30％；电极头半径大小对击穿也有影响，半径R＝5 mm时，击穿电压最高；击穿时延随击穿场强减小而变长，在其他条件相同的情况下，测得击穿时延随机波动；蓖麻油的快脉冲电压绝缘性能最好，变压器油次之。     

重频纳秒高压脉冲下变压器油击穿特性的实验研究

介绍了重频纳秒高压脉冲下变压器油绝缘特性研究的现状和成果。进行了重频（1 Hz～1 kHz）纳秒高压脉冲下25#变压器油击穿特性的实验研究。实验发现相对于单次纳秒脉冲，重频脉冲下25#变压器油的击穿场强与频率相关，频率提高，击穿场强降低，但不是线性关系，在频率超过100 Hz时变压器油的击穿场强变化较小，在10~100 Hz时变压器油的击穿场强迅速下降。初步总结了重复频率、脉冲宽度和击穿场强的关系，对重频脉冲下变压器油的击穿机理进行了初步的探讨。     

高压重复频率快脉冲下变压器油中的闪络

介绍了重复频率快脉冲下固/液体介质交接面闪络初步的实验结果.脉冲功率源为基于半导体断路开关(SOS)的SPG200,固体介质为有机玻璃和尼龙,液体介质为变压器油.在相对低频阶段,闪络耐压时间与闪络场强随外加电压脉冲频率的增加非线性迅速减小,在约200 Hz以后,两者下降的趋势明显减缓.随着脉冲频率的增加,闪络耐压时间在统计上变小的同时,在一定区间内的分布也更均匀.分析表明,在不同实验条件下,重复频率显著低于单次下的沿面闪络和体击穿场强.两类场强都随脉冲频率增加非线性下降,在约200 Hz以后,下降的程度减弱.闪络场强随重复频率电压脉冲频率的变化表明,电压作用时间是绝缘介质击穿的根本要素,脉冲电压对绝缘介质的作用时间越长,沿面闪络越容易发生.     

极不均匀电场下重复频率纳秒脉冲气体击穿实验研究

 实验研究了尖-板电极中，不同重复频率（10,100,500,1 000 Hz）、不同间隙(0.5,1 cm),不同气压（0.1～0.4 MPa）等条件下空气的绝缘特性。得到了击穿时延、重复频率耐受时间、施加脉冲个数等与施加电压、重复频率的关系。研究发现：在该实验条件下击穿时延随着场强与气压的比值减小而增加，但重频耐受时间和脉冲击穿个数并没有明显变化；随着重复频率的提高，击穿时延和重频耐受时间会减小，但脉冲击穿个数可能会增加；且重复频率条件下击穿的极性效应不明显；重复施加的脉冲产生大量的亚稳态粒子和残余电荷影响放电的发展过程；负离子的脱负或正离子碰撞阴极的过程，及亚稳态粒子的去激励作用给击穿提供了有效初始电子。     

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Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器

为实现MV级多级气体开关精确触发控制, 提出了基于Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器的电触发方案。完成了Tesla变压器与Blumlein线一体化设计;优化了初级回路结构及绝缘栅双极型晶体管触发控制电路, 减小了初级杂散电感, 缩短了变压器次级高电压建立时间及时延抖动;优化了百kV级自击穿气体开关工作参数, 研制出一套多级低抖动电晕稳定开关;将传统Blumlein线绝缘介质由变压器油更换成高介电常数的MIDEL7131新油, 增加了输出脉冲宽度, 进一步提高触发能力。最终研制出一台输出电压130 kV、脉冲宽度大于5 ns、重复频率50 Hz、连续工作时间1 min、输出抖动小于10 ns的紧凑型脉冲发生器。     

压力水介质脉冲击穿实验研究

 为了提高水介质脉冲形成线的储能密度和减小大型加速器的脉冲功率系统几何尺寸，实验研究了水在静压力作用下的耐压强度。简要介绍了液体绝缘介质的击穿机理，在设计的水介质耐压实验装置上研究了去离子水介质在压力作用下的脉冲击穿特性。结果表明，当压强由0.1MPa增加到0.7MPa时，水的击穿场强由25.3MV/m增加到46.7MV/m。     

纳秒脉冲下几种液态介质绝缘性能的比对

利用自行研制的纳秒脉冲实验平台(输出脉冲前沿30 ns,半宽百纳秒)和标准介电强度测试仪,对变压器油、甘油、去离子水、Galden HT200四种液体绝缘介质在直流与纳秒脉冲下的击穿特性进行了实验研究与结果比对,结果表明:在直流与纳秒脉冲下,Galden HT200均具有最高的击穿场强,且两种情况下均比变压器油高出40%以上;纳秒脉冲下,Galden HT200与变压器油的击穿场强均提高6.5~7倍,Galden HT200击穿过程耗时最短(ns量级),其次是变压器油(20 ns),然后依次为甘油(45 ns)和去离子水(70 ns);多次放电后,粘度系数最大的甘油更易在电极间隙处聚集碳化放电产物,粘度系数较小的Galden HT200和去离子水则无明显痕迹,但二者放电过程会产生明显的冲击波,多次放电后易造成间隙电极松动。     

脉冲变压器锥形绕组电压分布数值分析

为实现高压、大电流脉冲变压器在高重复频率电压作用下稳定运行，变压器的绝缘选择与布置是其设计时重点考虑的问题之一。在短脉宽、高幅值的电压作用下，变压器绕组本身形成了一个不均匀场，如果绕组绝缘结构设计不当，就很容易在绕组的局部产生畸变的强电场，导致变压器绕组击穿，对脉冲功率发生装置的研制工作造成了极大的危害。这种现象在高频下更为明显。因此，研究高功率脉冲变压器绕组的电压分布，采用适当的措施实施有效方法进行绕组结构优化设计，改善高功率脉冲变压器绕组的电压分布，将会在很大程度上提高高功率脉冲变压器重复工作的能力，对保证高功率脉冲发生器可靠、安全运行具有重要的理论与工程意义。     

重复频率纳秒脉冲聚四氟乙烯薄膜击穿特性

实验研究了聚四氟乙烯薄膜在重复频率纳秒脉冲下的击穿特性,选用脉冲上升时间约15 ns,脉宽30~40 ns,重复频率1~1 000 Hz。测量并计算了击穿前后的电压电流波形、重复频率耐受时间和施加脉冲个数与击穿特性密切相关的参数。结果表明,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿场强为MV/cm量级,重复频率耐受时间随施加场强和重复频率的增大而减小。薄膜本身性质及油浸时间使实验数据具有分散性,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿应考虑重复频率条件下的热积累效应和材料缺陷。     

Thermal stress effects of the diode-end-pumped Nd:YLF slab

The thermal stress effects of the diode-end-pumped Nd:YLF slab laser crystals are numerically investigated. The theoretical model is established by considering the divergence of the pump beam in the slab and the additional heat generated in the upconversion. Using the three dimensional finite element analyses, accurate numerical solutions based on the theoretical model are achieved. Our analyses focuses on the thermal fracture damage of the Nd:YLF slab under both the lasing and non-lasing conditions, and the predicted values are compared with the experimental results.     

千瓦级半导体抽运的固体热容板条激光器

报道了千瓦级激光二极管面阵抽运固体热容激光器的理论与实验研究,分别采用Nd∶YAG单板条和双板条串接的热容激光器,利用热容激光器的理论计算模型计算了在一定的工作时间内激光输出特性,并进行了实验验证。实验中采用的晶体尺寸均为59mm×40mm×4.5mm,对单板条进行抽运时平均功率大约为5.6kW,双板条串接时为11.2kW,重复频率为1kHz,占空比为20%。实验中观察了1s的工作时间内脉冲能量输出的波动情况,单板条时单脉冲能量输出最大为1.3J,在1 s后单脉冲能量输出下降到开始的70%左右,而双板条串接时单脉冲能量输出最大为2.06J,在1s后单脉冲能量输出下降到开始的50%左右,对单块晶体采用通水冷却的准热容热管理模式能有效地降低其热效应。     

Thermal effects of the diode end-pumped Nd:YVO4 slab

The thermal effects of the diode end-pumped Nd:YVO₄ slab laser crystal are investigated both analytically and numerically. The theoretical model is established with considering the divergence of the pump beam in the slab. A detailed theoretical analysis of the temperature, stress and the focal length of thermal lens are presented. Using 3D finite element analysis, an accurate numerical solution based on the theoretical model is achieved. Our analysis includes the thermal fracture damage of the thermally and optically anisotropic slab and the predicated values are compared with the experimental results.     

固体热容激光器冷却方式的数值模拟

 固体热容激光器连续运转一段时间后，需要进行冷却，以进行下一次运转，因此冷却速度直接影响着热容激光器运转的效率和实用性。从热传导方程出发，以沉积热为内热源模型，利用有限元分析方法对激光二极管阵列从4个方向对称泵浦的板条Nd:GGG激光介质的温度场和和热应力场进行了数值模拟。并对冷却阶段分别采用过冷气体、水循环、喷雾、相变冷却方式时的介质温度和应力随时间变化过程进行了模拟。结果表明在相同条件下采用相变冷却方式能在较短时间内将介质冷却到初始温度。     

Approximate formulas of temperature and stress distributions and thermal induced effects in a heat capacity slab laser

Approximate formulas of transient temperature and stress distributions in the slab of a two-side pumped heat capacity laser are attained by solving the heat diffusion equation. Based on the formulas, the distributions of temperature and stress during the pump period of a two-sided symmetrically laser diode array (LDA) pumped Nd:GGG slab laser with 5-kW average output power are numerically simulated. The results show that the temperature in the slab will averagely increase by more than 70 ℃ after operating for 10 seconds; the stress and maximum of the temperature difference in the slab are about 30 MPa and 24 ℃, respectively. The thermal induced effects are discussed also.     

Relative performance of a 1.06 μm laser with various Nd doped crystals

Laser emission at 1.06 μm has been observed from Nd: doped YAG, KGW and SGGM crystals pumped by a linear Xe-gas filled flashlamp in the input energy range of 1–25 J. The intrinsic slope efficiency has been determined to be 8.84%, 2.25% and 1.25% from Nd: KGW (Nd: 3% atomic), Nd: YAG (Nd: 1.0% atomic) and Nd: SGGM (Nd: 4% atomic), respectively.     

Compact corner-pumped Nd:YAG/YAG composite slab laser

Corner-pumping is a new pumping scheme in diode-pumped all-solid-state lasers, having such advantages as high pump efficiency, favorable pump uniformity and low cost. Compact corner-pumped Nd:YAG/YAG composite slab lasers at 1064 nm with low or medium output powers and high efficiency are demonstrated in this paper. Combined with intracavity frequency doubling by a LBO crystal, a corner-pumped Nd:YAG/YAG composite slab 532 nm green laser with a stable output is realized successfully. The experimental results show that corner-pumping can reduce laser costs greatly, release the thermal effects of slab crystals and improve the output beam quality, and that the new pumping scheme is feasible in the design of diode-pumped all-solid-state lasers with low or medium output powers.     

第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd:YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd:YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明:当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd:YVO4晶体(晶体掺钕离子质量分数为0.5%)时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

薄片激光介质分区域主动冷却方法

针对高功率、大口径薄片激光器,提出了采用半导体制冷片阵列对薄片激光介质进行分区域主动冷却的方法,通过调节各单元半导体制冷片的工作电压,改变阵列的冷却效率分布,实现了对薄片激光介质的局部温度的控制,进而使得薄片介质的横向温度分布均匀,降低了热效应的影响,为薄片激光器的冷却设计提供了新思路,并通过实验验证了该方法的可行性。     

激光二极管列阵泵浦的位相共轭板条YAG激光放大系统

采用新型的微通道冷却半导体激光二极管列阵泵浦ＹＡＧ激光振荡器及板条ＹＡＧ放大器，文中用ＣＣｌ４受激布里渊散射作位相共轭镜，使激光在板条放大器中作多通放大，获得了高重复率下小于１．５倍衍射极限的高质量１．０６μｍ的激光输出，其脉冲宽度为１５ｎｓ，平均功率为１８０Ｗ。