多脉冲励磁下铁氧体及非晶磁环的磁特性

感应脉冲加速器的磁芯通常为铁氧体或非晶材料,而感应腔磁芯在工作脉冲下的磁性能是决定感应加速脉冲波形好坏的重要因素。搭建了低压多脉冲实验平台对铁氧体和非晶小磁环分别进行MHz重复频率的多脉冲励磁,对励磁线圈上的电压电流波形进行监测,绘制了多脉冲励磁下磁环的磁化曲线,并结合含磁芯线圈动态电感量的递推公式计算出磁环在多脉冲励磁过程中磁导率的变化曲线;在高压三脉冲实验平台上对铁氧体磁芯和非晶磁芯实验感应腔进行了高压三脉冲实验,得到的磁芯多脉冲磁化规律与低压实验的结果一致。最后对两种磁环在多脉冲励磁下的磁性能差异进行了对比分析。     

铁氧体磁芯感应加速腔模型

 针对铁氧体磁芯,建立了以多层有损传输线为基础的同轴感应加速腔物理模型,并在短脉冲励磁条件下,通过低压及高压实验,结合PSpice电路模拟,对模型的准确性进行了验证,并由此间接推算出了铁氧体磁芯在不同情况下的平均脉冲磁导率和介电常数。实验和模拟结果显示,该模型能够准确地反映铁氧体磁芯感应腔在脉冲励磁下的动态物理过程,为感应加速腔实验结果分析、结构优化设计及磁芯性能选取提供了准确有效的方法。     

多脉冲直线感应加速器外接复位系统

基于硅堆隔离网络的多脉冲直线感应加速器(LIA)需要外接独立的复位系统,以满足其加速腔磁芯在主脉冲励磁前的复位需求。介绍了猝发三脉冲LIA外接复位系统的工作原理、电路参数以及具体的电路设计,并针对大型LIA感应腔数量众多、运行时电磁环境复杂的特点,介绍了复位系统在工程实施中的主要技术难点和最终布局。该复位系统解决了磁芯在励磁和复位这两种高压模式间的切换问题,实现了10~20kV可调复位电压的稳定输出,建立了在复杂电磁环境下可稳定运行的远程监控系统,确保了三脉冲LIA的92个加速腔能够在主脉冲励磁前稳定、快速、充分的复位。     

3 MV感应电压叠加器的磁感应腔研制

 根据脉冲驱动源和负载参数,提出了3 MV感应电压叠加器磁感应腔的设计指标为1.2 MV/70 ns。由感应腔的电流传输效率和真空同轴线绝缘要求,确定了磁芯的几何尺寸;研制了矩形比为0.5的预退火非晶磁环,明确磁环数量不少于6只;在30 T/s时,实验测量的最大脉冲相对磁导率与饱和波模型计算结果相当;估算磁感应腔的等效激磁电感约为7.3 μH,涡流损耗电阻约为139 Ω。根据临界击穿场强的经验公式,采用电场数值分析方法,确定了磁感应腔的电气结构;实验验证了磁感应腔设计有效性;建立了基于磁感应腔的3 MV感应电压叠加器全电路模型,阳极杆箍缩二极管电压、电流计算波形,与实验结果基本相符。     

感应叠加过程行波分析和模拟

 采用变换矩阵为研究工具对感应叠加过程中行波的传播、透射、反射进行了分析，得到了和集中参数分析一致的稳定解，给出了电压随时间变化的细节。建立了3.5 MeV注入器脉冲功率源和感应叠加结构的电路模型，得到的感应腔压模拟波形和实验波形基本一致，结合行波分析法基本解释了腔压波形和Blumlein线输出波形之间较大差异的成因，阴极叠加电压的模拟也反映了实验中主脉冲后的反射波形。     

国产非晶磁芯应用于感应加速组元的可行性研究

介绍了国产非晶合金应用于感应加速组元的可行性研究的初步结果.采用国产1K101型铁基非晶合金(FeSiB)带材,研制了非晶磁芯,并利用加速腔(或实验腔)对研制的非晶磁芯的磁性能、绝缘性能和稳定性等方面进行了研究.高压单脉冲实验可获得脉冲幅度为240kV、脉冲前沿为17璐(10%-90%)、脉冲平顶为72ns(±1%)的单脉冲;高压猝发三脉冲实验可获得前沿35ns、脉冲平顶60ns的三脉冲,磁芯的有效平均磁密跳变为1.41T.耐压实验研究中,得到了电压幅值为282kV的三脉冲.非晶磁芯的性能稳定,满足感应加速组元对磁芯性能的要求.     

含磁芯线圈动态电感计算

在脉冲功率领域，许多器件都需要使用磁芯，如脉冲变压器、磁开关、脉冲叠加器、感应加速腔等，磁芯的主要作用之一是增加回路的电感量，因此含磁芯回路电感量的计算是判断该磁芯是否适用于该环境的决定性依据，也是对线路进行准确模拟的前提。磁性材料在不同波形的励磁场下对应着不同的磁导率变化，而线圈的电感量与线圈中磁芯的磁导率成正比，因此，含磁芯线圈的电感在实际使用中必然是一个与励磁过程相关的动态值。     

国产非晶磁芯应用于感应加速组元的可行性研究

介绍了国产非晶合金应用于感应加速组元的可行性研究的初步结果. 采用国产1K101型铁基非晶合金(FeSiB)~带材, 研制了非晶磁芯, 并利用加速腔(或实验腔)对研制的非晶磁芯的磁性能、绝缘性能和稳定性等方面进行了研究. 高压单脉冲实验可获得脉冲幅度为240kV、脉冲前沿为17ns(10%—90%)、脉冲平顶为72ns(±1%)的单脉冲; 高压猝发三脉冲实验可获得前沿35ns、脉冲平顶60ns的三脉冲, 磁芯的有效平均磁密跳变为1.41T. 耐压实验研究中, 得到了电压幅值为282kV的三脉冲. 非晶磁芯的性能稳定, 满足感应加速组元对磁芯性能的要求.     

低压重频感应加速组元参数分析

针对脉冲源+传输线+感应腔和储能电容+固态开关+感应腔两种常见的脉冲感应组元结构,对相同感应腔的腔压波形进行了实验对比和理论分析,推导出了不同组元结构下感应腔中磁芯回路电感量、匹配电阻阻值和感应脉冲幅度间的关系表达式,分析对比了两种组元结构下感应腔电感量和电阻值变化对腔压平顶影响的程度和差异,为低压重频脉冲感应加速组元的参数选择和优化提出建议和判据。     

直线感应加速器组元的双脉冲改造

 对用于单脉冲直线感应加速器的加速组元进行了双脉冲改造的初步尝试：利用传输线延时获得了双脉冲馈入；用铁氧体作为磁芯材料，在感应腔上得到了双脉冲腔压波形。结果表明，现有组元功率系统经过简单的改造，可以获得两个甚至多个脉冲输出；在伏秒值允许的范围内，铁氧体磁芯的感应腔可以感应出双脉冲波形。为以后多脉冲直线感应加速器的改造和设计提供了一个方向，也提出了一些有待解决的问题。     

猝发双脉冲直线感应加速器组元研究

在原单脉冲直线感应加速器（LIA）组元的基础上，利用电缆延时和电缆反射两种方式获得了间隔500～1 000 ns的猝发双脉冲输出。在感应加速腔上进行了双脉冲实验，获得了幅度大于200 kV、前沿小于35 ns、平顶大于60 ns的双脉冲加速电压波形。两种方式中第一个脉冲的前沿和幅度都达到了原单脉冲组元的水平，表明加速腔负载的变化对波形没有明显影响，但由于电缆对波形的损耗，第二个脉冲的幅度和前沿比第一个脉冲略差。可以利用水介质传输线来代替长电缆，减小传输线的长度及其对波形的损耗。两个脉冲间的幅度差异可以通过改变长电缆的阻抗来调节。实验表明，通过这两种猝发双脉冲的产生方式并结合加速腔磁芯的改进，可简单高效地完成原单脉冲LIA的双脉冲改造。     

低剩磁磁芯自复位能力研究

 在MHz重复频率的高压多脉冲下,如何在脉冲间隔对磁芯进行快复位是高压多脉冲感应加速腔研制的关键问题。对低剩磁磁芯在脉冲励磁后磁通量密度的自恢复能力及其影响因素进行了实验研究和理论分析,证实了利用低剩磁磁芯的自恢复能力来实现在高压多脉冲下重复利用磁芯伏秒值的可能。实验证明：在选用合适的材料及工作电路后,磁芯在脉冲励磁后自复位到剩磁处的时间可小于500 ns,可稳定地工作在MHz重复频率的高压多脉冲环境下。     

猝发双脉冲直线感应加速器组元研究

 在原单脉冲直线感应加速器（LIA）组元的基础上，利用电缆延时和电缆反射两种方式获得了间隔500～1 000 ns的猝发双脉冲输出。在感应加速腔上进行了双脉冲实验，获得了幅度大于200 kV、前沿小于35 ns、平顶大于60 ns的双脉冲加速电压波形。两种方式中第一个脉冲的前沿和幅度都达到了原单脉冲组元的水平，表明加速腔负载的变化对波形没有明显影响，但由于电缆对波形的损耗，第二个脉冲的幅度和前沿比第一个脉冲略差。可以利用水介质传输线来代替长电缆，减小传输线的长度及其对波形的损耗。两个脉冲间的幅度差异可以通过改变长电缆的阻抗来调节。实验表明，通过这两种猝发双脉冲的产生方式并结合加速腔磁芯的改进，可简单高效地完成原单脉冲LIA的双脉冲改造。     

爆磁压缩发生器模拟装置的设计与仿真

应用Pspice仿真软件建立了一个爆磁压缩发生器模拟装置的等效电路模型,分析了电路中各元件参数对爆磁压缩发生器模拟装置输出电流波形的影响,并根据电路中高压脉冲电容器充电电压的不同优化了四组回路参数。应用灰色关联度分析方法,分析了爆磁压缩发生器模拟装置分别在这四组参数情况下的输出电流波形与被模拟的爆磁压缩发生器输出电流波形的曲线相似度,并对工程上实现该模拟装置存在的问题进行了分析。另外,还对爆磁压缩发生器模拟装置通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了仿真。结果表明,此方案在理论上可以实现对爆磁压缩发生器输出电流波形上升阶段的准确模拟。     

感应电压叠加器感应腔磁芯直流去磁研究

根据感应电压叠加器感应腔的工作需求,针对感应腔磁芯的高效可靠应用,一般在感应腔工作前都要对磁芯进行去磁,以实现磁芯的利用最大化,减少磁性材料用量,降低设备体积和造价。通过对磁性材料性能的研究分析,得出了相对于传统的脉冲去磁方式,直流去磁具有电压低、电流小、易绝缘、电极烧蚀小、对变压器油无污染、成本低等优点的结论。根据去磁电流引入位置的不同,研究了两种使用直流对感应腔磁芯进行去磁的方法,并对这两种直流去磁的方法进行了深入地分析和模拟计算,验证了直流去磁的可行性和优越性。     

磁芯材料脉冲间叠加复位研究

 介绍了通过反向叠加长脉冲的方法，在双脉冲间隔小于1 μs的情况下对直线感应加速器磁芯进行的脉冲间复位实验，复位后波形幅度得到了明显改善，在最大伏秒值280 kV×100 ns的单脉冲感应腔上得到了两个伏秒值为200 kV×100 ns的感应脉冲。实验表明：当主脉冲脉宽小于100 ns，间隔大于500 ns时，采用脉冲间叠加复位的方法,将主脉冲叠加在一个反向的长脉冲上（脉宽大于10 μs，最大幅度约为主脉冲的20%）形成正负脉冲串，能有效提高感应加速腔磁芯的利用率，且对感应主脉冲没有明显影响，使单脉冲直线感应加速器的多脉冲改造成为可能。     

非线性含磁芯线圈的PSpice模拟

 将感应加速腔的磁芯回路视为一段单匝的非线性电感线圈,利用PSpice的一些通用元器件组成的子电路对含有磁芯的非线性线圈进行模拟，使其具有饱和、磁滞及频率损耗等非线性特征。通过一些直观的参数设置，可使线圈模型适用于不同的频率范围。介绍了利用线圈模型对直线感应加速器加速组元系统的模拟，得到了与实验相符合的结果。     

环形磁芯快脉冲动态参数测量方法

 磁开关压缩脉冲过程中，磁芯磁参数需历经非饱和与饱和两个阶段，磁滞回线变化经历半个周期，通过测量这一变化过程中通过磁开关绕组的电流和磁通量变化率，可以计算出磁芯的磁滞回线，确定饱和磁通密度、剩磁等动态参数。 讨论了基于高电压放电和脉冲压缩方法测量磁芯动态参数的原理，给出了测试装置的电路原理和电路元件参数的选择方法，测量了大型磁开关磁芯快脉冲条件下的电参数，计算了相关的磁参数，给出了实验结果。     

直线变压器驱动源感应腔电路建模方法

参照研制成功的300 kA直线变压器驱动源单级感应腔的物理设计和电气参数,在考虑气体开关火花通道电阻、放电支路间电磁耦合、磁芯磁滞及饱和特性、次级功率传输的情况下,建立了较完备的单级感应腔电路模型。实验验证了模型的有效性,感应腔正常输出和单支路开关自放电时模拟结果与实验波形均吻合较好,表明模型可以模拟腔内电气元件异常时感应腔的工作特性。     

磁脉冲压缩系统的仿真研究

 分析了传统磁脉冲压缩系统的原理及缺点,对基于省去磁芯复位电路的磁脉冲压缩系统进行了介绍,为了更加深入地分析这种磁脉冲压缩系统,应用Pspice仿真分析软件建立了省去磁芯复位电路的磁脉冲压缩系统模型,计算出各级压缩过程中各元件的电压波形,及饱和变压器和磁开关的磁芯感应强度变化曲线;经测试,当负载为500 Ω纯阻性负载时,系统两端输出的负极性脉冲峰值约-27 kV,半高宽约为70 ns,下降沿约为40 ns。通过分析仿真结果与实验结果,仿真中需考虑测量探头引入的并联电容对电路的影响。