一种陶瓷径向绝缘强流二极管耐压结构设计

 对外径230 mm的陶瓷绝缘板，依据强流真空二极管径向绝缘的设计思想，设计加工了“锥-柱”型阳极外壳，并在传输线内筒和阴极杆末端位置增加了均压罩和屏蔽环结构。利用静电场有限元程序计算了陶瓷-真空界面电场分布，通过对外壳细节结构以及均压罩、屏蔽环形状和位置的调整，使得真空界面上沿面场强和三结合点处场强均得到了有效控制。在单线长脉冲加速器上进行了实验研究，结果显示，二极管能够耐受400 kV、脉宽大于200 ns的脉冲电压，运行稳定，达到了理论设计要求。     

高能闪光X射线二极管设计与模拟

 为了研制出便携式的具有较高性能的高能闪光X射线系统,需要发展新型紧凑型的高能闪光X射线二极管,要求其体积小,能工作在较高电压下。简要介绍了冷阴极X射线二极管的结构和工作原理;阐述了二极管绝缘结构设计原则,设计了一种新型的紧凑型轴向绝缘结构的X射线二极管;在高压端和地电极之间采用绝缘环和金属均压环交替叠加进行轴向绝缘,有利于减小二次电子发射几率,降低绝缘体表面爬电几率,缩短轴向绝缘距离。二极管工作电压为1 MV,轴向绝缘距离约260 mm,结合ANSYS数值模拟软件进行了静电场数值计算。二极管轴向绝缘区最大工作场强为95 kV/cm,各阳极三相点最大场强为26 kV/cm。计算结果表明：二极管的工作场强低于真空闪络场强;所有三相点的工作场强均满足绝缘要求。     

高压径向均压绝缘堆设计

以形成线储能结合脉冲压缩方式产生数MV高压输出,是脉冲功率系统中常见的技术途径,其中绝缘堆是该类装置工程成败的关键。分析了几种径向均压绝缘堆的均压机制,基于静电场分析程序对径向均压绝缘堆结构进行了优化设计,给出了径向电阻的设计方法。研究表明:采用均压环且均压环与径向电阻电气接触的绝缘堆结构可以获得较均匀的径向电场分布,而径向电阻是绝缘堆设计的关键。在有效作用时间100ns的4.5MV加载电压下,优化设计的绝缘堆阴极三相点电场控制在25kV/cm,Martin电场约120kV/cm,低于理论击穿值。     

一种在真空中测量脉冲高电压的电阻分压器

为测量快脉冲直线变压器驱动源（LTD）二极管负载的脉冲高电压,设计了在真空环境中使用的电阻分压器。分压器使用绝缘堆结构,采用静电场模拟分析了分压器的电场分布。建立了包含分布参数的等效电路,并进行了频率响应仿真,可得分压器的频响上限为200 MHz。使用标准高压探头对分压器进行在线标定,分压比标定结果为5 400∶1,与设计值相符合。在LTD调试实验中,模块充电85 kV时二极管电压为1.08 MV,与理论估算结果一致。     

百焦耳级KrF准分子激光装置设计与调试

首先用解析方法分析了提高激光输出能量的途径。其次用分析和反应动力学模拟计算相结合方法给出激光腔设计参数。并给出二极管、电子束传输系统以及变阻抗线预脉冲开关等设计参数。根据这些参数对百焦耳准分子激光器进行了工程设计。在安装调试时,采用单元安装、逐级调试然后总调。在调试中解决了阴极边缘电子发射和沿径向有机玻璃绝缘板表面的沿面滑闪等问题。在Marx电压1.1MV,主膜为50μmTi箔,二极管电压为620kV,电子束流为160kA,束能8kJ条件下,当腔内总气压为0.25MPa、气体混合比为F_2Kr:Ar=0.4:10:89.6,谐振腔全反镜反射率为96％,输出镜透射率为75％时,获得稳定、重复100JKrF激光输出能量。     

重复频率强流电子束二极管实验研究

 采用静电场模拟对二极管结构及导引磁场位形分布进行了优化设计，利用设计的二极管在高压脉冲发生器上进行了重复频率运行实验研究，给出了相应测试波形，并对不同材料阴极、不同真空度情况下二极管的发射特性进行了比较。在二极管真空度满足一定要求（p＜0.01Pa）条件下以在重复频率方式运行时，不论是石墨阴极还是金属阴极，输出电子束流都比较稳定。设计的二极管电子束电压超过500kV，电流约5kA，脉冲宽度40ns，重复频率100Hz。     

X光二极管实验平台初步设计

采用Marx发生器结合水介质同轴线设计了高压脉冲功率源,在X射线二极管负载上可产生数MV高压输出。通过电压波过程分析,给出了在负载上获得最大电压输出条件下的形成线、传输线的阻抗设计原则。通过集中参数电路模型分析,给出了一定预脉冲幅值下形成线、传输线电长度及中储设计原则。结合水介质正极性耐压Martin经验公式进行绝缘设计,二极管采用径向均压绝缘堆结构,给出了整个装置初步方案设计。基于Pspice的全系统电路模拟表明:当中储运行电压为2.6MV时,对3Ω形成线充电电压为3.3MV,并最终在40Ω负载上获得4MV电压输出,且充电过程中负载脉冲幅值约为形成线充电电压的1.2%,在现有条件下,该平台设计指标能够满足实验预期。     

长脉冲高阻抗强流电子束二极管

 介绍了强光一号加速器长脉冲功率系统；分析了强光一号加速器长脉冲轴向绝缘高阻抗电子束二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能；阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则，给出了设计参数。实验研究表明：二极管电压0.75~2.6MV，电流65~85kA，电压幅值对应的工作阻抗14~44Ω，输出轫致辐射脉冲宽度100~400ns，100 cm²输出窗口的轫致辐射剂量率10⁸~2×10⁹Gy/s。     

小型化长脉冲二极管设计与实验

在长脉冲高功率微波源研究中关键的部件是二极管，由于阴极爆炸发射产生的阴极等离子体的热扩散，为防止二极管短路，长脉冲二极管通常比一般二极管阴阳极间距大，尺寸也相应较大。原有的长脉冲加速器使用的二极管如图1所示，这也是美国BANSHEE加速器采用的二极管结构。使用的二极管是为满足L波段高功率微波器件的需要，产生电子束电压500kV，电流3kA，脉宽1．5μs，束截面内外径为φ5．7，φ7．3cm。现在为了满足开展S波段相对论速调管研究需要，设计了新的小型化二极管，产生电子束环内外直径约φ4.3，φ3．7cm。     

水介质Blumlein型螺旋脉冲形成线的研究

 分析了螺旋线脉冲形成线脉宽加宽的原理，利用程序对Blumlein型螺旋脉冲形成线进行了模拟研究，模拟结果与理论分析得到的脉宽表达式吻合较好，并可以给出螺旋线中筒的电场和磁场分布。加工了一套Blumlein型螺旋脉冲形成线，并开展实验研究，解决了绝缘支撑耐压问题，得到充电电压550 kV，二极管电压500 kV，电流28 kA，半高宽128 ns的脉冲输出。     

“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时,火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象,直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此,对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析,用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计,有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度,其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm,阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm,绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理,降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。     

强流束二极管绝缘子结构设计与实验研究

 介绍了一种应用于强流束二极管的径向绝缘结构,并对其在纳秒脉冲条件下的沿面闪络放电现象进行了研究。使用计算机模拟静电场的方法,对锥形结构绝缘子表面的电场分布进行了研究,优化了几何结构参数。在脉宽为40 ns,重复频率100 Hz的脉冲功率源上对绝缘子进行了实验研究。在历时18个月及100 000次脉冲实验后,发现绝缘子表面具有明显的树枝状放电现象,树枝状放电的根部碳化严重,绝缘子深度方向被完全击穿碳化,出现孔洞。基于固-液交界面闪络特性,对树枝状放电的可能原因进行了探讨。     

真空绝缘子脉冲表面电场在线测量系统的实现

基于Kerr电光效应,建立了用以对纳秒脉冲高电压作用下的真空绝缘子表面电场进行在线测量的实验系统。该测量系统由快脉冲高电压源、YAG激光器、同步控制系统、被测中空薄壁绝缘子及Kerr效应单元、光学相位差检测系统等部分构成。利用YAG激光器输出的激光脉冲,触发导通快脉冲高压源中的高压气体开关,使其给被测绝缘子试品上施加一个脉宽100ns的高压脉冲方波。利用同步控制,使得探测激光在试品上的脉冲方波达到幅值后,入射到Kerr腔体中对Kerr效应进行探测。从而实现了对绝缘子表面电场的在线测量,并给出了初步的测量结果。     

介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为:陶瓷介质长度300mm,宽度15mm,厚度1mm;银电极长度280mm,宽度2mm。电性能参数为:相对介电常数约23.5,特征阻抗约26Ω,电长度约4.5ns,直流耐压场强大于20kV/mm,在μs量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23kV。     

可调间隙亚纳秒气体开关的优化设计

 对用于UWB-1系统的可调间隙亚纳秒气体开关进行了结构优化设计,并采用Ansoft软件分别对开关绝缘子和电极处的静电场进行了模拟。优化后的调节旋钮在实验调试中使用方便,能准确地测量开关间隙的大小。绝缘子结构优化后,局部场强集中点的最大场强降低为126.6 kV·mm^-1,低于理论击穿场强,满足了绝缘要求。对优化后的亚纳秒气体开关进行了高压实验,结果表明：绝缘子处没有击穿现象发生,开关工作稳定,输出脉冲的前后沿变快且脉宽变窄。系统重复频率5 Hz运行时,优化后的脉冲前后沿和脉宽分别比优化前减小了130,120和100 ps。系统重复频率100 Hz运行时,优化后的脉宽比优化前减小了150 ps,比重复频率5 Hz运行时只增加了30 ps。     

纳秒脉冲下高气压SF6中同轴绝缘子沿面闪络影响因素实验研究

研究纳秒脉冲下的绝缘子沿面闪络影响因素对电磁脉冲模拟装置绝缘结构设计具有重要的借鉴意义。通过搭建绝缘子沿面闪络实验平台,实验研究了在0.5 MPa的SF6气体中,脉冲电压波形、绝缘材料和绝缘子沿面场强分布对绝缘子沿面闪络电压的影响。结果表明：绝缘子的闪络电压具有随着脉冲前沿时间减小而增加的趋势;相较于脉冲电压全波,绝缘子在脉冲电压前沿波形耐受下闪络电压较高;聚酰亚胺材料的绝缘性能最好;通过降低绝缘子沿面最大场强,改善电场分布可以有效地提高绝缘子的闪络电压。     

Blumlein主放电开关中绝缘结构对沿面闪络电压的影响北大核心CSCD

Blumlein主放电开关作为关键部件被大量地应用于强流电子直线感应加速器等大型脉冲功率装置中,其中绝缘子在主开关中起隔离水或油与气体的作用。设备在高电压脉冲下长时间或高频次作用时,绝缘子气体侧会出现沿面闪络现象,严重影响直线感应加速器的可靠运行。对Blumlein主放电开关中的绝缘结构进行了电场仿真计算,通过对绝缘子的几何结构和电极形状的优化设计,有效调控了绝缘子表面和电极表面的电场分布,试制了不同构型的绝缘子,开展了在标准雷电波脉冲条件下的沿面闪络研究。研究结果表明,优化后的绝缘子的最低和最高沿面闪络电压相比原始结构分别提升了约35.9%和37.2%。     

1.2MV脉冲变压器设计及实验研究

介绍了1.2 MV脉冲变压器的设计方法,采用螺旋渐开式绕组逐渐增大绕组对磁芯的绝缘距离,用ANSYS程序模拟脉冲变压器中的场强分布情况,最大场强不超过18 kV/mm。通过实验研究有效解决了绕组对绝缘支撑的局部放电现象,得到了1.2 MV的高压脉冲输出,单次运行时间达到1 min,重复频率100Hz,验证了所采用的设计方法的可行性。