基于超导脉冲变压器的连续脉冲电源模块化研究

为了探索连续电磁发射用电感储能连续脉冲电源,首先对基于单模块高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路及其实验验证结果进行了分析,然后在单模块的基础上设计了多模块的电路拓扑和多模块超导脉冲变压器线圈模型,最后利用多模块脉冲电源的设计参数,进行了连续脉冲成形仿真。通过构建3组环形结构,每组12个模块的高温超导脉冲变压器,在0.1Hz的固定工作频率下,系统总储能5.7MJ,负载电流脉冲峰值可达640k A,放电结束后原边电感回收的剩余能量占总储能的44.4%。仿真结果证明了脉冲电源模块化方案的可行性,在放电结束后的系统剩余能量能够有效回收利用,不过断路开关电压仍然较大,需要较多的断路开关串联使用。     

电容参数对超导储能重复频率脉冲电源性能影响

介绍了单级超导电感储能重复频率脉冲电源电路,对放电过程及转换电路中电容器的作用进行了分析,建立了单级脉冲电源的基础试验平台和电路仿真模型,利用仿真分析了不同电容参数对脉冲电源性能的影响。仿真波形与实际试验波形具有较好的一致性,能够很好地反映超导电感储能重复频率脉冲电源的输出性能,证明了电路仿真模型是可行的。仿真结果表明:电容参数对电容电压和最大电容储能比例影响较大,对输出脉冲峰值和负载的实际能量利用效率影响相对较小,选择较大的电容参数,可以降低电容电压,从而降低脉冲电源对断路开关的耐压要求,但是同样会降低输出脉冲峰值和增大最大电容储能比例。在未来大功率系统中,应在满足断路开关耐压的条件下,选择较小的电容参数。     

紧凑型脉冲成形模块的设计与实验研究

采用了人工线、开关和直线变压器结构一体化的设计方法,为重复运行的长脉冲直线变压器驱动源(LTD)装置研制了一种紧凑型低阻抗脉冲成形模块。为优化空间结构、减小分布参数、提高波形质量,脉冲单模块由两条20ΩBlumlein脉冲成形网络(PFN)并联储能,人工线采用相向L型布局,通过一个同轴开关同步放电,分两路向直线变压器初级线圈对称馈入快前沿的高压电脉冲。为了进一步减小线路电感,缩短脉冲前沿,研制了新型的嵌入式激光触发开关。与同轴开关相比,引线长度缩短了一半,脉冲前沿减小了10%。两级LTD模块实验装置在18.5Ω负载上获得了电压240 kV、半宽180 ns的脉冲输出,重复频率可达25 Hz。     

单开关调制的PFN型层叠Blumlein线发生器

采用平板线加载的陶瓷电容型脉冲形成网络（PFN）构成了单开关调制的层叠Blumlein线发生器。采用传输线理论对短路寄生传输线的短路特性进行了理论分析,结果表明,短路寄生传输线的阻抗可以等效为耦合电感在主传输线的放电频率下产生的感抗。Pspice软件模拟表明,层叠线Blumlein线的电压叠加效率随耦合电感增加而增加。提出了一种磁环增感方法,在4级层叠Blumlein线上实现了3.1倍的脉冲电压叠加。     

紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究北大核心CSCD

设计一种紧凑型重复频率快前沿Marx发生器,采用3.3nF陶瓷电容器作为储能电容,螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。将电容器、气体开关、充电及隔离电感设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。在考虑开关电极分散电容、回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。在理论分析的基础上,通过优化电路结构,完成了12级Marx发生器的设计与研制。在50Ω电阻负载上获得了电压150kV、脉宽30ns、上升时间10ns的脉冲波形,Marx发生器可60Hz重复频率运行,与模拟结果基本一致。     

40 kV/6 kA引出Kicker磁铁脉冲电源设计

 从脉冲电源参数计算、电源整体设计、脉冲形成网络（PFN）设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况，提出一种新型的低阻抗PFN设计方法，给出了脉冲电源和PFN的参数，利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5 kV时磁铁的励磁脉冲电流波形，励磁电流脉冲幅值达到5.8 kA。仿真结果表明：PFN的单元电容电感相同时,采用较多的PFN节数,励磁电流脉冲宽度会变宽,电流脉冲前沿和平顶度没有显著变化;采用合适长度的电缆,可以有效避免反射电流对主脉冲电流波形产生影响。     

等阻抗超宽带高能微波发生器模拟研究

基于等阻抗-双脉冲成形线技术,建立了一个超宽带高能高功率微波发生器理论模型。计算机模拟结果表明:利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以同时产生纳秒主脉冲和皮秒前沿脉冲;通过控制皮秒脉冲成形线输出开关闭合的延迟时间,可以调制皮秒脉冲和纳秒脉冲的输出电压比值;通过调节纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线的电容比值,可以控制皮秒脉冲的脉宽和皮秒脉冲的峰值电压;利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以最大限度地提高辐射脉冲能量和整个系统的能量转换效率。     

低电感大电流长寿命同轴型电容器

 介绍了一种应用于高功率脉冲源的低电感、高通流能力、长寿命的同轴型电容器。通过理论计算,综合考虑电容器的工作电压、电感、通流能力、与开关的连接方式等,确定了电容器的芯子结构、绝缘子结构及电极结构。通过设计实验线路,测试了电容器的电压、电感、通流能力、寿命等参数。实验结果表明：电容器电容量1.5 μF,工作电压100 kV,工作电流250 kA,峰值电流大于300 kA,电容器电感小于20 nH,储能密度205 J/L,工作寿命大于6 000次。     

基于改进ICCOS的放电电流可关断脉冲源研究

针对超导脉冲变压器的剩余能量回收电路中断路开关两端存在的高压威胁,提出了一种基于改进ICCOS逆流回路的放电电流可关断结构,分析了该电路的工作过程,研究了改进ICCOS逆流回路对断路开关的电压抑制能力,讨论了逆流电容变化对系统关键参数的影响。仿真结果表明：改进的ICCOS逆流回路有效抑制了断路开关的高电压,提高了负载电流脉冲的峰值,系统具有较高的能量传输效率。当逆流回路的电容数值选取合适时,能够实现电容预充电压的自恢复充电。     

一种基于电爆炸丝断路开关的多脉冲产生技术

 介绍了一种基于电感储能和电爆炸丝断路开关的多脉冲发生器。该发生器是由作为初级能源的脉冲电容器组、储能电感和多级串联的不同长度、不同截面积的电爆炸丝断路开关组成。实验中在约10 W电阻负载上获得了2个大于250 kV和3个大于200 kV的脉冲输出。脉冲数由串联丝阵级数决定，脉冲幅度和脉冲间隔可通过爆炸丝参数、电容器充电电压调节。     

串联型双轨增强电磁轨道炮电路模拟

建立了包括脉冲电源模块和电磁轨道炮的全电路模型,实现了从电源放电至电磁轨道炮发射过程的全电路模拟。根据电源放电与洛伦兹力加速的耦合方程组,在电路模型内将电源的基本单元封装成子电路模块、弹丸受力运动模型转化为电路解耦模块,建立了针对24个基本单元组成的电源网络驱动串联型双轨增强电磁轨道炮的电路模型。将模拟结果与实验结果进行对比,电流模拟结果偏差2.6%,电枢出膛速度模拟结果偏差9.8%,模拟与实验结果基本一致,验证了模型方程和模拟方法的可靠性和合理性。     

分布储能式电磁轨道炮效率分析

分布储能式电磁轨道炮在长导轨发射中具备高发射效率优势,为实现分布储能式电磁轨道炮的恒流特点,建立可供发射器参数、结构设计参考的仿真模型尤为重要。针对口径为60 mm×80 mm的矩形轨道炮,根据电流波形的平稳性要求,沿导轨方向设置电流馈入点,诊断电枢位置并分时序触发各馈入点电源,以测试分布储能式电磁轨道炮的工作性能。在COMSOL三维磁场中建立矩形导轨-电枢模型,基于电流和磁场的多物理场耦合有限元分析得到磁场和电流的分布,并利用电磁场仿真结果实现电流趋肤效应下轨道电阻梯度计算。基于MATLAB SIMULINK平台对电容储能型脉冲功率电源模块建立电气电路;分析分布储能式电磁轨道炮非线性时变的动态特性并建立轨道及电枢阻抗模型,计算正向电磁力、滑动摩擦力构造电枢的运动方程,并使用信号电路建立电枢-导轨模块,通过Simulink测量模块连接两个隔离的网络,仿真计算得到导轨电流及电枢的出膛速度。设计了总储能为4.16 MJ的分布式储能轨道炮,结果显示,电容预充电压为10.8 kV时,导轨长为3 m的分布式电磁轨道炮可将1 kg的弹丸加速至1.4 km/s,与炮尾集中式电磁轨道炮相比,系统发射效率可提升约3%。     

管身对中口径电磁轨道炮的影响分析

以脉冲电流作为激励的电磁轨道炮无可避免地在不锈钢管身上感应出巨大涡流,涡流不仅自身损耗能量,而且削弱电枢的推进力,降低发射效率。为深入研究管身对电磁轨道炮的影响,结合场路模型计算了电磁轨道炮系统的发射效率和涡流能耗,讨论了不同管身结构和材料下的发射效率,进一步分析了管身对电磁轨道炮力学特性的影响。结果表明:基于10MJ脉冲电源的中口径电磁轨道炮,其不锈钢管身将大幅削弱系统的发射效率,管身涡流能耗比炮口动能的一半还多;采用层压式结构的高导磁材料作为管身,发射效率的提升尤为明显;管身对电枢轴向力的削弱是导致发射效率下降的根本原因,对电枢径向力的削弱则不利于电枢和轨道的良好接触,从而增加接触电阻,降低发射效率;但是对身管各部件径向力的减小有助于降低身管所需预紧力。     

枢轨界面电磁特性的演变规律分析

枢轨电接触性能随电枢膛内滑动而演变,界面电磁特性变化是其演变的根本作用因素。以系统时变电磁场计算为基础,从脉冲电流、电枢速度和局部接触等三个方面讨论了对界面电磁特性演变的作用规律,并设计实验综合验证了电枢膛内运动时枢轨电接触界面的电磁特性演变。结果表明:脉冲电流驱使电流向接触前端聚集,电流峰值聚集随电流变化而下降;电枢速度克服脉冲电流作用向接触尾部聚集电流,尾端聚集临界速度(50m/s)下,接触表面电流分布最为均匀,高速下接触表面呈现尾端U型电流聚集模式;局部接触对电流的聚集作用随接触面增加、速度增加而减弱;在法向磁力作用下,预置接触会向前扩展并趋于稳定。实验后枢轨表面检测验证了各因素对电磁特性演变的作用规律。研究结果为深入探究枢轨滑动电接触机理奠定基础。     

双电感型脉冲电源模块负载电流的研究

轨道炮的发射需要幅值足够大脉宽足够宽的梯形波电流。研究了两个电感型脉冲电源模块给同一负载供电时的三种工作模式，在不同的工作模式下，负载的电流放大倍数和脉宽增值不同。由实验和仿真结果知: 两个STRETCH meat grinder电源模块在相同模式下工作时，负载电流放大倍数最大，脉宽增值最小。在主管同开同断且晶闸管延时的模式下工作时，脉宽增值最大，电流放大倍数最小。以第二模块延时第一模块的模式工作时，负载电流的放大倍数和脉宽增值都是居三模式之中，因此可通过选取合适的触发方式获得所需要的负载电流。     

PIN限幅器PSpice模拟与实验研究

 从PIN二极管基区双极载流子扩散方程出发，通过拉普拉斯变换求解得到PIN二极管子电路模型，从而通过PSpice软件瞬态数值模拟得到了PIN限幅器的尖峰泄漏、平顶泄漏与脉冲功率、上升时间关系。对于I层厚度一定的限幅器，模拟与实验表明脉冲前沿越大，尖峰泄漏功率插入损耗越大，脉冲前沿过缓则可能没有尖峰泄漏现象；尖峰泄漏功率随着输入功率的增加而变大，但尖峰泄漏功率插损也随之增大；尖峰脉冲宽度与I层厚度、输入功率及脉冲前沿均有关系。限幅器尖峰泄漏与平顶泄漏模拟结果与实验数据基本一致。     

Plasma-armature railgun launcher simulations

The authors review three popular loss models currently used at CEM-UT (Center for Electromechanics at the University of Texas at Austin) in modeling EM (electromagnetic) launchers: friction, ablation, and armature drag. In experiments at currents below 500 kA using existing railgun design, the friction model alone was acceptable in predicting performance. In an experiment incorporating a railgun structure modified for higher stiffness and a measured peak railgun current of 700 kA, the effects of each of the loss models were compared to the measured results, and the greatest success at predicting the final projectile velocity and exit time occurred using the velocity-dependent friction model. It is believed that reducing frictional losses and plasma leakage will be instrumental in achieving velocities greater than 6 km/s     

基于SOPC的分段轨道炮发射控制系统设计

针对自主研发的分段轨道炮,设计了一种基于EP2C8Q208C型FPGA的数字型发射控制系统,该系统采用SOPC(System on a Programmable Chip)可编程片上系统技术,将Nios II处理器软核嵌入到FPGA中,利用软核中的IO、定时器、串口通讯等功能实现了分段轨道炮的发射控制,通过B探针对分段处电枢位置进行检测。采用串口与上位机通讯,界面设计采用LabView,可以对发射时序进行任意设置。系统操作方便、可扩展性强,已运用到分段轨道炮发射控制中,试验结果满足发射要求,为分段轨道炮的机理研究提供了基础。     

Numerical investigations on the current conduction in bilayer organic light—emitting devices with ohmic injection of charge carriers

A numerical model for bilayer organic light-emitting diodes (OLEDs) has been developed on the basis of trappedcharge limited conduction. The dependences of the current density on the operation voltage, the thickness andtrap properties of the hole transport layer (HTL) and emission layer (EML) in bilayer OLEDs of the structure an-ode/HTL/EML/cathode have been numerically investigated. It has been found that, for given values of reduced trapdepth, total trap density, and carrier mobility of HTL and EML, there exists an optimum thickness ratio of HTL tothe sum of HTL and EML, by which a maximal current density, and hence maximal quantum efficiency and luminance,can be achieved. The current density decreases quickly with the mean trap density, and decreases nearly exponentiallywith the mean reduced trap depth.     

电磁轨道炮高速滑动接触电阻的定量表征

从描述电磁轨道炮炮口电压波形的场路模型出发,构建了电枢/轨道高速滑动接触电阻与轨道电流波形、炮口电压波形、电枢膛内速度曲线和轨道结构参数之间的关系,依据此关系可定量表征电磁轨道炮高速滑动接触电阻。实例计算表明,电枢/轨道高速滑动接触电阻的变化依赖于轨道电流变化,对应电流上升段、平顶段和电流下降段。在平顶段接触电阻最小约0.2mΩ,在电流上升段和电流下降段,接触电阻达3mΩ。