重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化，研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电，通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制，实现对Marx发生器重频充电；Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF₆气体绝缘等设计，以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究，在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出；在此基础上，设计了18级紧凑型Marx发生器，在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW，峰值功率密度大于150 GW/m3，实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗，采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块，研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源，有效减小放电回路电感，实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出，前沿减小至50 ns以下，脉宽约130 ns。     

20 MA/300 ns Marx型直接驱动Z箍缩脉冲源

基于金属外壳1.0 F/40 nH/100 kV的电容器和100 kV/200 kA气体开关,提出了电流20 MA、前沿300 ns Marx型直接驱动Z箍缩负载的脉冲功率源概念设想,共40路并联,每路为6个Marx并联驱动一条水介质传输线, Marx为18级串联。分析了关键单元（电容器和气体开关）的技术可行性,建立了PSpice电路模型,模拟计算了Marx建立时间分散性、水介质传输线阻抗对负载电流的影响,模拟结果表明:Marx建立时间分散性从10 ns增加到60 ns时,负载电流前沿从平均282 ns增加到287 ns,峰值从21.0 MA降低到19.8 MA,脉宽几乎不变;Marx建立时间分散性对负载电流的影响随着并联数目增加变小;采用4.2 等阻抗传输线,负载电流最大。     

四级传输线脉冲变压器研制

介绍了一种传输线脉冲变压器(TLT)的最优化设计理论,在此基础上,研制了一台四级传输线脉冲变压器。所研制的TLT所使用的磁芯基本符合级间无耦合结构TLT最优化设计的要求。采用了柔韧性好的同轴电缆,绕制完成后各级次级线电感值大小分别为1.83,3.52和5.41 mH,符合预定目标。利用Blum-lein作为脉冲源,对所研制的TLT进行了测试,测试结果表明:输入脉冲宽度150 ns,幅值10 kV,上升前沿20ns,输出脉冲宽度150 ns,幅值约40 kV,上升前沿约20 ns,基本波形保持较好,但下降沿和尾部波形不理想,初步分析可能的原因是TLT输出端杂散电容电感引起的阻抗不匹配。此变压器可用于低阻抗陶瓷脉冲形成线输出端的阻抗变换。     

Z箍缩初级实验平台模块样机

 正在研制的Z箍缩实验装置（Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置）,由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。     

单线串联形成三脉冲实验研究

 介绍了单传输线型高压脉冲形成线的基本原理，将三套单线通过高性能开关串联即可形成所需的三脉冲。实验中，采用一台300 kV Marx发生器作为三套单线系统的高压源，形成线与传输线均为同轴电缆，开关为同轴场畸变型开关，负载为硫酸铜水电阻。得到的三脉冲前沿约20 ns，间隔约为300 ns，脉宽约120 ns。由于Marx发生器输出信号的触发时刻不同，导致脉冲幅度有较大的差异，对此提出改善实验结果的设想：加大Marx对形成线的充电电感以减小三脉冲基线的偏移；设计并试验新的V/N型开关，提高开关的加工精度；各脉冲形成线配有各自独立的Marx充电系统以使各脉冲单独可调。     

4MV/80kA IVA型脉冲X射线照相装置研制进展

介绍了西北核技术研究院研制的4 MV脉冲X射线闪光照相装置("剑光二号")系统组成和实验结果。装置基于感应电压叠加器(IVA)驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术,主要由前级脉冲功率源、感应电压叠加器和RPD等组成。前级脉冲功率源由两台3.2 MV低电感Marx发生器和四路同轴水介质线组成。每台Marx同时给两路脉冲形成线(特征阻抗6Ω、电气长度30 ns)充电,充电峰值时间约370 ns。每路水介质线采用两级脉冲压缩,为感应腔馈入约1 MV/160 kA/60 ns电脉冲。电触发SF6气体开关、自击穿水开关分别用作主同步开关和脉冲陡化开关。感应电压叠加器采用四级1.5 MV感应腔串联,每级感应腔采用单点馈入结构。次级采用真空绝缘传输线实现电压叠加和功率传输,特征阻抗由30Ω线性增大至120Ω。采用4 MV电压下综合性能较优的RPD来产生强脉冲X射线。装置目前达到技术指标:输出电压4.3 MV、脉冲前沿(10%~90%)21 ns、半高宽约70 ns、二极管电流85 kA,X射线半高宽约55 ns,整机延时(从Marx触发器输出到X射线产生)约749 ns,标准偏差约7 ns。当RPD阳极采用直径2 mm钨针时,正前方1 m处剂量约15.5 rad(LiF),正向焦斑约1.4 mm。     

全同轴型Marx发生器的研制与场路协同仿真

针对Marx发生器小型化的应用需求和快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程的实际情况，开展了全同轴结构Marx发生器的研制和场路协同仿真。Marx发生器采用基于环形电容器、环形开关、锥形隔离电感、轴心单边充电的全同轴结构方案，避免结构偏心带来的局部场增强效应。在CST软件中建立了Marx发生器实际结构模型，利用时变材料和场路协同仿真功能实现了充放电过程的动态仿真，仿真结果显示出快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程。据此可以对绝缘设计进行优化，并分析结构参数对输出脉冲的影响。研制的5级Marx发生器体积小于0.015 m3，可在10 μs内充电至88 kV，对40 Ω传输线输出峰值电压210 kV的高压脉冲，峰值功率约1.1 GW，脉冲前沿5.3 ns，半高宽11.2 ns。     

40路可扩展高压脉冲触发器

直线变压驱动源(LTD)代表一种新型电路拓扑结构，将储能电容分解为容量很小的单元，能够直接输出快脉冲，而且降低了基本器件所承受的电压和导通的能量，为重频长寿命的大型驱动器研制开辟了道路，因而成为下一代大型Z箍缩聚变能源驱动器的主流技术。LTD的设计思想是一种矛盾转移，将难点从极高电压极高电流的闭合开关转移到大阵列开关的同步触发，因此，触发技术成为研制大型LTD型驱动器的重点。提出了一种可扩展的触发技术，以小型Marx发生器作为初级储能源，利用水介质脉冲形成线作为脉冲形成单元，激光触发气体开关作为输出开关，通过高压电缆匹配输出高压脉冲。给出了输出40路高压脉冲的触发器单元的设计和初步实验结果，Marx充电±60 kV时，触发器单元在75 Ω匹配电阻负载输出电压峰值为106 kV，上升时间约27 ns(10%~90%)，半高宽约110 ns。作为输出开关的四个激光触发气体开关在~70%工作系数、激光总能量55 mJ的条件下，导通时间差异小于3 ns。     

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。     

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。     

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。     

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。     

非线性传输线高功率实验北大核心CSCD

设计了基于交叉耦合铁氧体非线性传输线高功率射频微波产生系统,系统由脉冲形成线、非线性传输线以及高功率匹配负载(或组合振子辐射天线)组成。由100kV高压电源和高压微波电缆构成单传输线高功率脉冲形成线,形成线输出脉冲幅度35kV,脉冲半宽60ns。高压脉冲经过非线性传输线的脉冲压缩和调制,与高功率匹配负载相连时,实验得到了峰峰值31kV、中心频率308 MHz、3dB带宽为13%的射频振荡脉冲;与组合振子天线相连时,实验得到了中心频率380MHz、3dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。     

几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用

 为追踪国际上脉冲功率技术的发展方向，在“闪光二号”加速器上开展了水介质形成线并联技术、多级多通道气体开关技术和同步触发技术等研究。经过3维结构下电场分布的模拟计算和绝缘设计，采用3根6 Ω小水线并联组成了2 Ω水介质形成线,研制成功了作为主开关的3 MV多级多通道气体触发开关，并实现了3个多级多通道气体开关的并联运行;采用工作时延446 ns的同步触发系统实现了Marx发生器与主开关的延时同步运行。真空负压下的涡流循环冲刷消除水中气泡技术应用于水介质形成线上，有效消除了并联形成线汇聚结构处的气泡，提高了加速器运行的安全性。经过调试后，加速器重新获得了稳定的运行状态，几项新技术的应用获得成功。     

5kHz重复频率氢闸流管触发系统设计

根据重复频率脉冲功率系统中大功率开关器件氢闸流管的触发原理,针对选用的VE4141氢闸流管的触发要求,设计了输出频率达到5kHz的氢闸流管触发系统,可以接收光信号和电压信号触发。采用快前沿MOSFET开关产生两路触发脉冲,一路为预触发脉冲,一路为主触发脉冲。预触发脉冲的输出幅度为500~1000V,主触发脉冲的幅度为1000~2000V,两路脉冲之间延时500ns可调。该触发器可通过部分改动应用于其他的大功率开关器件的触发系统。     

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。     

紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器,由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离,直径为480 mm,长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法,单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术,输出电压大于50 kV,前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW,脉冲宽度100 ns,前沿10 ns,阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW,频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW,脉冲宽度70 ns,前沿10 ns,阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW,频率10 Hz,单串10个脉冲。初步的应用研究中,利用改进后的平台,在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。     

低抖动快前沿高电压重复率触发器

 介绍了一种低抖动、快前沿高电压重复率触发器,输出参数为：重复率可达100 pulse/s,输出时延约225 ns,抖动约1 ns,前沿约26 ns,脉宽约70 ns,高阻负载上电脉冲的峰值可达-40 kV,重复率为50 pulse/s时,峰值可达-51 kV,单次工作时的峰值可达-60 kV。该触发器主要由控制单元、高压供电单元与脉冲形成单元构成,脉冲形成单元采用了低电感电容对负载快放电的结构,建立开关为氢闸流管。实验发现,氢闸流管存在微导通状态,开关的通道电阻及维持的时间与开关极间的电势差有关;电势差越高,通道电阻越小,微导通状态维持的时间越长。此外,氢闸流管的导通性能受灯丝加热电源的影响明显,当加热电压较低时,氢闸流管导通缓慢,延时与抖动较大,当加热电压过高时,氢闸流管易于发生自击穿。     

Nanosecond pulsed power generator for a voltage amplitude up to 300 kV and a repetition rate up to 16 Hz for fine disintegration of quartz

A generator of high-power high-voltage nanosecond pulses is intended for electrical discharge disintegration of mineral quartz and other nonconducting minerals. It includes a 320 kV Marx pulsed voltage generator, a high-voltage glycerin-insulated coaxial peaking capacitor, and an output gas spark switch followed by a load, an electric discharge disintegration chamber. The main parameters of the generator are as follows: a voltage pulse amplitude of up to 300 kV, an output impedance of ≈10 Ω, a discharge current amplitude of up to 25 kA for a half-period of 80–90 ns, and a pulse repetition rate of up to 16 Hz.     

雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器

雪崩三极管因其快速性、高重复频率等特点被广泛应用于纳秒脉冲发生器。为了提高输出电压，常采用多管串联Marx电路。采用二极管代替传统多管串联Marx电路中的部分限流电阻以减少能量损耗，加快充电速度，提高重复频率，并分析了主电容和限流电阻对输出脉冲幅值和频率的影响。通过雪崩三极管的单管击穿实验，单个三极管的导通内阻最小约为2.5 Ω，多管串联Marx电路中的等效内阻使负载侧的输出电压降低，故采用多路Marx并联电路以提高输出电压幅值。通过改变Marx并联模块数量，研究了电路等效内阻对输出脉冲的影响；通过改变负载电阻值，验证了Marx并联电路在小负载下升压效果更佳。实验结果表明，通过相同的4路Marx并联电路进行放电实验，在50 Ω负载侧输出上升沿为3.4 ns、幅值为2.5 kV、可在15 kHz下稳定工作的脉冲。