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。     

折叠型平板Blumlein线的理论与实验研究

 对折叠型平板Blumlein线的特征参数进行了理论分析，采用模拟软件对传输线中的电磁场分布和波的传播过程进行了计算。根据理论分析和计算结果设计并制作了耐压600 kV、延时40 ns、特征阻抗为5 Ω的折叠型平板Blumlein线，该Blumlein线以Kapton薄膜为介质、以铜板为导体，腔体尺寸为1.2 m×40 cm×40 cm，初步实验在水电阻匹配负载上得到幅值为400 kV、脉宽36 ns的电压波形和幅值为40 kA的电流波形。在同样体积下进一步设计制作了耐压600 kV、延时150 ns、特征阻抗为15 Ω的折叠Blumlein线，得到幅值为450 kV、脉宽150 ns的电压波形和幅值为18 kA的电流波形。     

便携式脉冲形成线设计与实验研究

采用聚酯薄膜为绝缘材料,设计了一种小型化便携式层绕Blumlein线,其主要特点是采用S型层绕的方法对薄膜介质平板Blumlein线进行绕制,使形成线的体积小,结构紧凑,有利于脉冲功率源小型化、实用化的发展。其集成了薄膜电容器易卷绕、耐高压、储能强的优势,同时具备了传输线的特点。采用气体火花间隙开关,对S型薄膜介质脉冲形成线的耐压特性及负载输出波形进行了实验研究。结果表明:开关的导通特性对脉冲形成线的负载输出波形有很大的影响,开关电感及开关抖动等因素会影响脉冲波形的前后沿,使输出脉冲方波波形质量变差。采用PSpice软件对实验等效电路进行了模拟,得到了与实验一致的结果。设计的Blumlein线体积为50 cm18 cm12 cm,承载电压50 kV,负载输出脉冲上升沿50 ns,平顶宽度120 ns。     

高介电常数复合介质固态Blumlein线初步研究

高介电常数复合介质固态Blumlein线可能作为一种新的紧凑、轻便的脉冲功率源，应用前景广阔。复合介质克服了陶瓷难加工的缺点，可浇铸成型，方便加工，还可做成薄膜，而且电性能更优异。文中利用国内正在研制的高介电常数复合介质和GaAs光导半导体开关（GaAs-PCSS），开展了带状Blumlein线的设计和实验研究。     

基于Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器

为实现MV级多级气体开关精确触发控制, 提出了基于Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器的电触发方案。完成了Tesla变压器与Blumlein线一体化设计;优化了初级回路结构及绝缘栅双极型晶体管触发控制电路, 减小了初级杂散电感, 缩短了变压器次级高电压建立时间及时延抖动;优化了百kV级自击穿气体开关工作参数, 研制出一套多级低抖动电晕稳定开关;将传统Blumlein线绝缘介质由变压器油更换成高介电常数的MIDEL7131新油, 增加了输出脉冲宽度, 进一步提高触发能力。最终研制出一台输出电压130 kV、脉冲宽度大于5 ns、重复频率50 Hz、连续工作时间1 min、输出抖动小于10 ns的紧凑型脉冲发生器。     

折叠型平板Blumlein线高功率微波驱动源

 介绍了一种使用折叠型平板Blumlein线为主体的紧凑型高功率微波驱动源,Kapton薄膜和纯净变压器油分别作为折叠型平板Blumlein线的传输线介质和绝缘介质,Blumlein线的整体尺寸为1.00 m×0.40 m×0.15 m。采用一个特征阻抗大约是12 W的C波段磁绝缘振荡器作为高功率微波源。折叠型平板Blumlein线传输的能量可以使磁绝缘振荡器的阴极发射出电压550 kV,电流40 kA ,脉宽90 ns的电子束,从而产生峰值功率350 MW,脉宽40 ns的高功率微波。     

玻璃陶瓷Blumlein线的传输特性

研究了以不同电极宽度的玻璃陶瓷平板传输线所搭建的Blumlein线传输特性。为获得高压快脉冲输出,实验采用了正失配负载以及通过激光二极管触发的高工作场强光导开关。在几种不同电极宽度的平板Blumlein脉冲形成线实验中获得了具有平顶的脉宽9ns的高压脉冲,脉冲幅值可达20kV以上;由于开关偏置电压较低,导致开关内阻变大,输出效率变低。     

层叠Blumlein纳秒脉冲形成线设计与实验

研究了一种结构紧凑型的多级层叠Blumlein纳秒脉冲形成线,从理论上分析了放电时回路各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出电压的影响,并利用PSpice模拟验证了各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出结果的影响,发现开关的导通电阻是制约输出电压幅值的主要因素,开关的分布电感对输出波形的影响大于负载分布电感的影响,基于时域有限差分法原理,利用XFDTD软件模拟了两级层叠Blumlein线的电磁耦合效应。开展了多级层叠Blumlein脉冲形成线实验,结果表明,基于陶瓷固态传输线和GaAs光导开关的层叠Blumlein脉冲形成线能够实现输出电压叠加,可用于产生ns量级脉宽的脉冲高压。     

螺旋型Blumlein线的理论研究

 采用薄电流层模型讨论了螺旋型Blumlein线的一种结构，该结构由螺线体内筒、螺线体中筒和导体外筒构成。给出了假定外线独立传输电压波时的螺旋型Blumlein线特征参数的近似计算公式，并进行了简单的原理验证实验。理论计算得到的脉冲电压幅值为543 V、脉宽为24 ns，而实验中分流器测到的电压值为471 V、脉宽为30 ns。为了简化计算，理论计算中对外线独立传输的假设条件不严密，由此造成了与实验结果的差异。提出了Tesla变压器和螺旋型Blumlein线相结合的方案：内置高耦合Tesla变压器的单同轴线构成整个外线的一部分。设计结果表明：外径628 mm、总长2.67 m、充电800 kV的螺旋型Blumlein线可实现电压1.07 MV、功率1.53 GW、脉宽93 ns的脉冲输出，理论输出线能量转换效率50%。     

薄膜介质层绕式Blumlein线理论与实验研究

对薄膜介质层绕式Blumlein线的特性参数进行了理论分析。采用Pspice软件对电路模型进行了计算,分析了开关电感、寄生电阻对负载输出波形的影响。结果表明:开关电感的存在使得负载波形前沿变缓,后延波形扭曲变差,寄生电阻会影响负载的电压输出效率。采用模拟软件对传输线中的电磁场分布进行了计算,结果表明薄电极边缘场畸变以及折叠弯曲部分的场变化是绝缘介质耐压必须考虑的因素。基于此理论分析,设计制作了一种新型薄膜介质Blumlein线,绝缘材料为聚酯薄膜,单层薄膜厚100μm,电极为厚50μm的铜皮,单元模块设计耐压50 kV。进行了三级模块串联叠加实验,充电25 kV,匹配负载输出60 kV,脉冲上升沿80 ns,脉冲宽度200 ns。     

固态高压脉冲形成线研究

 为了实现高压脉冲形成线小型化,开展了平板固态脉冲形成线研究。实验研究了两种作为储能介质的固态材料的高压体击穿特性、沿面闪络特性和频率响应特性,一种是特种复合材料,其相对介电常数在50～250之间,另一种是功能陶瓷,其相对介电常数在200～1 000之间。在此基础上,研制了两种平板固态脉冲形成线。特种复合介质固态脉冲形成线试验电压为3 kV左右,输出电压脉冲半高全宽（FWHM）可以达到58 ns;功能陶瓷介质固态脉冲形成线的试验充电电压超过120 kV,输出电压脉冲半高全宽为92 ns。     

PCB板折叠形成线模块设计与实验

采用FR-4型PCB板材为传输介质,设计了一种五条线并联的形成线模块。为优化形成线电场分布,绝缘介质层内部嵌有屏蔽电极,分析得到内嵌导体对形成线的特征参量以及传输特性无影响;形成线绝缘介质层厚度为4 mm,耐受电压超过200 kV,根据绝缘寿命公式分析,形成线可以在50～80 kV长时间工作;将PCB板折叠线通过并联以及封装组成形成线模块,外观尺寸为700 mm550 mm40 mm,特征阻抗为5.35 ,通过搭建Blumlein装置进行实验,在充电50 kV条件下,测得输出电压为45 kV,脉冲半高宽140 ns,平顶宽度75 ns,前沿65 ns。     

一种给脉冲形成线充电的带绕式高压脉冲变压器

 研制了一种耦合系数0.8，次级输出电压500kV的空芯带绕式脉冲变压器，并进行了理论和实验的初步研究。此种变压器具有结构紧凑、体积小和电性能好的优点，已用作升压变压器给脉冲调制器的水介质Blumlein线充电。在调制器的真空二极管上已获得450kV,40kA、半高脉宽大于80ns的高电压脉冲。     

S型平板折叠脉冲形成线特性分析

以FR-4环氧玻璃纤维布为介质材料,研制了一种S型平板折叠式固态脉冲形成线。从理论上和实验上分析了脉冲形成线的放电过程。重点研究了边缘特性对其特性阻抗的影响,给出了改进的特征阻抗表达式; 分析了相邻效应和集肤效应对脉冲形成的影响,给出了脉冲波形中出现高频噪声的原因; 实验上验证了使用寿命与外加电场的关系。采用多级折叠线串并联模块化技术,提高了模块电压,降低了特性阻抗,研制了一种基于串并联技术的Blumlein线模块。该模块的耐压大于120 kV,特性阻抗约为7 Ω,脉冲宽度为138 ns。