快脉冲高电压大电流测量探头标定方法

基于脉冲形成原理提出了一种快脉冲高电压大电流测量探头的在线标定方法。利用闪光二号加速器输出线和二极管作为脉冲形成线,结合研制的低电感开关和负载,产生一个前沿小于3 ns、脉宽20 ns的准方波,对二极管电压测量探头微分型电容分压器和电流测量探头微分环进行了在线标定,得到测量探头在实际使用环境中的时间响应小于4 ns。该方法消除了非在线标定环境和实际环境无法统一对标定结果的影响,可推广应用于传输线型脉冲功率装置的探头标定。     

长脉冲能源给脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象

 利用简单的理论和电路模拟的方法，分析了爆磁压缩发生器或电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象。研究表明由变压器副边电感和脉冲形成线电容构成的回路充电频率和接地电感的大小是影响预脉冲电压幅值的主要因素。由于接地电感的引入带来的高频寄生振荡不会引起预脉冲幅值的变化。在通过变压器对脉冲形成线充电的方案中，由于回路充电频率低，预脉冲电压幅值很小，只有kV量级。在电容器通过变压器为脉冲形成线充电的脉冲功率调制器中，将预脉冲开关去掉进行了实验，并与有预脉冲开关的情况进行了对比，结果发现无预脉冲开关的情况下，不影响二极管的正常工作和产生电子束的质量。     

放电泵浦KrF激光放大器的高电压脉冲发生器

描述了一台用于泵浦KrF激光放大器的可重复频率运行的高电压脉冲发生器。该脉冲发生器由恒流充电机、储能电容器、传能开关、低阻抗布鲁姆林脉冲形成线、多通道轨条型输出开关组成。介绍了布鲁姆林线和轨条开关的结构,对充电回路和放电回路特性进行了分析,完成了各部分的调试并给出了实验结果。在储能电容器直流充电电压30kV,布鲁姆林线输出电压脉冲在激光器负载上峰值可达到60kV,脉宽80ns,脉冲上升时间30ns。     

基于Marx和磁开关的方波脉冲电源的研制北大核心CSCD

设计了一种全固态高压重频方波脉冲发生器,主要由Marx发生器、脉冲形成线和磁开关构成。Marx发生器通过电感对脉冲形成线进行充电,将其充电至所需电压水平;当脉冲形成线充电至峰值电压时,磁开关饱和;脉冲形成线通过饱和的磁开关对匹配负载进行放电,在负载上形成一个高压方波脉冲。串入电感与磁开关相互匹配,不仅直接影响放电过程,同时也决定着磁开关需承受的伏秒数和负载上的预脉冲大小。介绍了Marx发生器和磁开关的设计,在单次和5kHz重复频率下分别进行实验。在50Ω的匹配电阻负载上,获得电压幅值为12.5kV、电流幅值为250A、上升时间为46ns、脉宽为220ns的方波脉冲。对放电过程进行了PSPICE仿真模拟,仿真结果与实验结果匹配良好。     

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。     

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。     

爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电的理论分析

 将爆磁压缩等效为电流源的方法，对爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了理论分析，得出爆磁压缩发生器在负载上产生电流波形（简称负载电流）为直线情况和任意电流波形情况下充电电流和充电电压的表达式。分析表明变压器耦合互感与负载电流随时间变化增长率是脉冲形成线充电的两个重要参数，脉冲形成线第一个充电电压峰值与变压器的耦合互感和负载电流波形斜率成正比，负载电流波形斜率的变化可以改变充电电压峰值的时间，斜率不断增加可以延长第一个充电电压峰值时间，从而可能增加充电电压的幅值，提高爆磁压缩发生器能量的利用效率。     

分布电感对脉冲电源充电T型保护回路的影响

在使用基于高频开关变换充电技术的充电机对脉冲电源充电时,由于充电回路中分布电感的存在,在高频电流充电过程中,会在充电机T型保护回路两端产生高于充电电压的过电压,存在损坏T型保护回路半导体功率器件的风险;为解决此问题建立充电机及脉冲电源回路仿真模型,通过仿真分析得到充电回路分布感变化对T型保护回路影响的初步规律,然后通过实验进一步验证该规律。为了减少充电回路分布电感对T型保护回路影响,针对性地提出了减少充电回路的分布电感解决方案,主要方法是改变输出线缆类型、长度等措施,并通过仿真与实验来验证该方案的有效性,为脉冲电源工程化应用提供可靠的参考依据。     

铝单丝Z箍缩形成无核冕结构的物理分析

针对铝单丝Z箍缩负载,计算其可形成金属蒸气而不形成核冕等离子体的电路和负载参数范围。提出了铝丝电爆炸形成金属蒸气的能量沉积判据和击穿电压判据;建立了热动力学模型,选取电路参数使得金属丝气化时放电回路电流恰好迅速下降,从而避免发生电压击穿。计算了典型电路下的负载电流、电压、电阻及沉积能量的变化曲线,并分析了回路总电感、充电电压以及负载丝长度、直径对其的影响规律。计算结果表明:当储能电容为150pF、充电电压为65kV、回路电感为300nH时,可驱动直径20μm、长2cm的铝丝电爆炸形成铝丝蒸气。快电流前沿、小丝直径和较短的丝长度有助于提高负载中的单位质量沉积能量,容易电爆炸形成金属蒸气负载。     

铜丝水中电爆炸能量沉积特性

对s脉冲电压作用下铜丝水中电爆炸的能量沉积过程进行了实验研究,利用自积分Rogowski线圈和电阻分压器分别测量铜丝电爆炸时的电流和电压。利用测量电压波形确定了熔融起始、熔融结束、汽化起始和击穿时刻点,将铜丝电爆炸划分成熔融、液态和汽化3个阶段。通过数学方法计算了3个阶段和击穿前的沉积总能量。通过实验和计算,分析了电路参数,包括放电电压和回路电感,以及铜丝特性,包括铜丝长度和直径,对铜丝电爆炸过程中3个阶段和击穿前沉积总能量的影响。结果表明:在s脉冲电压作用下,放电电压、回路电感、铜丝长度和直径对熔融阶段能量沉积影响较小,但对液态和汽化阶段能量沉积影响较大,通过调节电路参数提高电流上升速率,可以显著提高汽化和击穿前的沉积能量。     

强流电子加速器中气体开关与真空二极管的光学特性

 利用光纤传感器与光电二极管相结合的方法,对强流电子加速器中气体火花开关以及真空二极管的发光特性进行了研究,对影响光电二极管测量的因素进行了理论计算与模拟研究。在气体开关导通电压1.7 MV,二极管电压1.07 MV,电流18 kA时,进行了多次实验,得到了发光特性与击穿电压、电流的关系。同时,对利用光学检测方法测量主开关或真空二极管电压、电流大小得可行性进行了分析。     

一种紧凑型高功率脉冲调制器

 研制了一种基于水介质单同轴脉冲形成线型的高功率脉冲调制器,该调制器由初级储能电容器、脉冲变压器、水介质同轴脉冲形成线、氢气主开关和场发射真空二极管等组成。用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟,并用有限元软件分析了脉冲形成线的电场分布。当初级储能电容器组充电电压为35 kV, 氢气主开关导通电压高达520 kV时,在调制器场发射二极管输出电压约230 kV, 束流30 kA,脉宽约60 ns的高电压脉冲。此外,对主开关充不同类型的气体进行了实验研究,结果表明:氢气主开关的脉冲调制器能够在二极管上获得前沿更陡的高电压脉冲,并能有效地改善二极管电子束的性能。理论分析与实验结果基本一致。此种类型的调制器具有运行稳定、体积小、结构紧凑的特点。     

固态化高功率长脉冲驱动源重频特性

基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键技术, 提出并研制了一台固态化高功率长脉冲驱动源。在前期通过2 GW单次实验验证技术方案的基础上, 研制了中等电压等级的重复频率初级电源;改进了两级磁脉冲压缩系统的复位和绝缘特性;优化了系统整体电路结构, 利用感应电压叠加器完成充电磁开关和脉冲升压的双重功能;设计了合理的复位路径, 实现了各部分磁芯的在线直流复位;并开展了重频运行研究。在电阻负载上获得了输出功率2.1 GW、脉宽约170 ns、重复频率20 Hz及运行时间1 s的实验结果, 脉冲波形的重叠一致性好。     

μs级充电时水介质同轴电容击穿实验研究

 研制了水介质同轴电容的实验装置，在此装置上进行了大量的实验。测得μs级充电时，水介质同轴电容分别在正脉冲和负脉冲充电时的击穿电压，负击穿电压的理论值与测量值相差较大，正击穿电压的理论值大于测量值的18%左右，对此实验结果进行了分析。此外，当去离子水的电阻率从13MΩ·cm降到5 MΩ·cm时，水介质同轴电容器的击穿电压基本不变。     

氦气压强对单脉冲过程电光开关特性影响的数值分析

根据单脉冲过程电光开关气体放电的微观物理过程,提出了氦气放电的一维数值模型。用数值方法分析了气压对单脉冲过程电光开关的气体击穿、放电电流、KDP晶体两侧电压、开关效率、开关速度、等离子区电子温度及等离子体浓度的影响。数值计算结果表明,气压主要影响开关速度的快慢,而对开关效率的大小影响作用不大。在相同开关脉冲的驱动下,在气压较低的情况下,开关速度随气压增大而变快;而在气压较高的情况下,开关速度随气压增大而变慢。由此得到口径为8cm×8cm电光开关的最佳工作气压为1-4 kPa的结论。     

低阻脉冲形成线电容分压器的在线补偿标定北大核心CSCD

讨论了低阻抗脉冲形成线中测量充电电压所用电容分压器的标定方案,提出了采用外部并联电感来补偿较大的形成线电容负载的方法。由于低阻形成线的电容负载影响,使用脉宽较短方波发生器易导致波形缺乏平顶,使用输出电压较低正弦波发生器导致信噪比不高。采用合适数值的外部电感,可以实现与形成线电容的并联谐振,此时整体阻抗最大,可以使用普通放大器提高正弦波电压,且不产生失真。该方法可应用于微秒尺度低阻形成线电容分压器的在线标定。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

 在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上，设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关，设计的最高运行电压为4 MV，放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流，用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析，结果发现二者差别较大，3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

500 kV亚纳秒脉冲X光机研制

高能量亚纳秒脉冲X射线可用于精确定标辐射探测系统的时间响应特性和探测灵敏度,对于脉冲辐射场诊断技术研究具有重要意义。研制了一种小型化、可移动的亚纳秒脉冲X射线源,装置占地区域尺寸为1.2 m×40 cm,重142 kg。设计了双锥形绕组同轴结构变压器,采用新颖的三谐振变压技术,将纳秒脉冲形成线充电至520 kV,通过油介质自击穿开关放电,输出370 kV,3.8 ns的高压脉冲。设计了多级过匹配传输线提升输出电压,并利用油介质peaking-chopping开关进行脉冲压缩,产生了峰值520 kV、半高宽0.5 ns、功率1.8 GW的高压脉冲。基于Child-Langmuir定理,设计了刀刃阴极X光管,在520 kV电压下的运行阻抗为150 Ω,管前20 cm处的X射线峰值能量注量率约为1×1016 MeV·cm-2·s-1,累积照射量为4.1 mR。     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

 建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。     

螺旋线型脉冲形成线匝间击穿与输出波形的研究

 针对螺旋线型脉冲形成线放电过程的匝间击穿问题，采用数值模拟的方法研究了影响螺旋线上轴向电场的因素，模拟结果表明：螺旋线的螺旋角越大、开关的上升沿越小、负载的阻值越小则越容易造成匝间击穿；针对输出波形的前沿上冲和下凹问题，通过数值模拟和实验方法研究了加速器内阻抗不匹配段对输出波形的影响，结果表明: 改变螺旋线与开关之间连接段的阻抗以及开关和二极管之间过渡段的阻抗，使之接近于螺旋线阻抗，并使电长度减小，可以消除波形的前沿上冲和下凹，得到近似方波的高电压脉冲输出。