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。     

玻璃-陶瓷脉冲形成线的充放电特性

采用熔融-快冷-可控结晶工艺，制备了(Pb，Sr)Nb₂O₆-NaNbO₃-SiO₂大尺寸玻璃陶瓷，开展了其介电性能以及脉冲充放电特性研究。实验结果表明:该玻璃陶瓷材料的介电常数约为340，具有良好的温度稳定性和正的偏压特性。基于该材料制备的固态脉冲形成线输出脉冲脉宽约为89 ns，具有良好的脉冲平顶和窄的上升沿。在19 kV充放电电压、1 kHz的充放电频率、4 kA的放电电流条件下，固态脉冲形成线充放电寿命大于100万次。     

陶瓷介质在固态脉冲形成线中的应用

开展了固态脉冲形成线相关材料的研究,基于脉冲形成线的特性参数与材料介电性能之间的关联性,可实现固态脉冲形成线材料的筛选和评估。对不同类型材料介电性能的比较和固态脉冲形成线性能的分析表明:介电常数可调的微波陶瓷是制备固态脉冲形成线较为理想的材料。以Ba-Nb-Ti微波陶瓷制备的固态脉冲形成线可获得高压脉冲前沿5~6 ns,脉宽为13 ns,脉冲平顶为5~6 ns,击穿场强超过17.5 kV/mm。     

Application of dielectric ceramics on solid-state pulse forming lines

开展了固态脉冲形成线相关材料的研究,基于脉冲形成线的特性参数与材料介电性能之间的关联性,可实现固态脉冲形成线材料的筛选和评估.对不同类型材料介电性能的比较和固态脉冲形成线性能的分析表明:介电常数可调的微波陶瓷是制备固态脉冲形成线较为理想的材料.以Ba-Nb-Ti微波陶瓷制备的同态脉冲形成线可获得高压脉冲前沿5～6 ns,脉宽为13 ns,脉冲平顶为5～6 ns,击穿场强超过17.5 kV/mm.     

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。     

铁电体电源中介质电阻特性及对输出电荷的影响

爆炸驱动铁电体脉冲电源利用铁电陶瓷在冲击压力作用下去极化释放电荷而产生电流,可以作为脉冲功率源的初始电源,也可直接驱动高阻抗负载产生脉冲高电压。通常情况下,铁电陶瓷可以看作理想的绝缘体,但在数GPa冲击波压力作用下,铁电陶瓷电阻率可能会明显下降并形成漏电导,使部分去极化释放电荷在铁电陶瓷内部流失,导致铁电陶瓷剩余极化电荷输出效率下降。以PZT95/5铁电陶瓷作为初始储能介质,以爆炸冲击波加载PZT95/5铁电陶瓷释放电荷对脉冲电容器充电,充电结束后电容器电压维持期间检测到明显的反向电流,根据铁电陶瓷输出电流和工作电压,得到冲击波作用过程中铁电陶瓷的瞬态电阻率曲线,并分析了电阻率下降对输出电荷的影响。进一步研究表明,冲击压力在铁电陶瓷边侧产生的稀疏波是引起电荷输出效率降低的主要因素,而铁电陶瓷电阻率下降对电荷输出效率的影响很小。     

基于脉冲变压器和脉冲形成网络的高压脉冲源北大核心CSCD

为了满足在高电压状态下对氧化锌陶瓷（ZnO）元件的检测需要,研制了一种基于脉冲变压器和脉冲形成网络（PFN）的,输出电压范围10-80kV可调,波形为近方波的高压脉冲源。根据实际研制过程,分别介绍了高压脉冲源的设计、仿真及系统电路构建。测试了高压脉冲源在标准负载（匹配）和氧化锌陶瓷负载上的输出情况。结果显示：脉冲顶降小于3%,顶部波动小于1.5%,前后沿指标均满足要求。因而,高压脉冲源可以用于氧化锌陶瓷的性能检测。     

PbLa(Zr,Sn,Ti)O_3反铁电陶瓷的静电场能存储特性北大核心CSCD

为了研究微量掺镧的反铁电陶瓷锆锡钛酸铅(PbLa(Zr,Sn,Ti)O_3,PLZST)的静态存储电场能量的特性,采用传统的氧化物固态反应的陶瓷制备工艺,制备了4个锆锡比不同的PLZST陶瓷样品,样品组分均位于PLZST相图中铁电-反铁电相界附近。通过等静压压致放电的实验方法研究了PLZST陶瓷放电特性。结果表明,经过充分极化的PLZST处于亚稳态的铁电相,在压力作用下,PLZST发生铁电反铁电相变,把在直流电场下极化时储存于PLZST陶瓷的静电场能量瞬间释放出来,从而得到极高功率的电脉冲。最终,样品完全退极化,最大放电电流密度达到5.0nA/cm^2,样品的静电场储能密度最高可达9.45J/cm^3,因此PLZST陶瓷是爆电换能电源的理想材料。     

PbLa(Zr,Sn,Ti)O_3反铁电陶瓷在脉冲电场下的极化与相变行为

在实际应用中,反铁电陶瓷常处于快速变化的脉冲电场下,而传统电滞回线测量时所施加的电场变化速率较慢,并不能真实反映反铁电陶瓷实际应用时的极化和相变行为.本研究建立了反铁电陶瓷脉冲电滞回线测试平台,研究了Pb_(0.94)La_(0.04)[(Zr_(0.52)Sn_(0.48))_(0.84)Ti_(0.16)]O_3反铁电陶瓷在微秒级脉冲电场下的极化和相变行为.研究结果表明,反铁电陶瓷在微秒级脉冲电场下可以发生相变,但其极化强度降低,正向相变电场变高,反向相变电场变低,从而导致其储能特性发生了显著的变化.因此,低频电滞回线并不能真实反映反铁电陶瓷在脉冲电场下的性能,脉冲电滞回线对其应用具有更重要的参考价值.     

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。     

水介质形成线泄漏电阻对充电效率的影响

研制了一种基于直线变压器技术的脉冲功率系统,采用水介质脉冲形成线并联充电作为脉冲形成装置。分析了给形成线充电时泄漏电阻对充电电压效率和能量效率的影响,给出了泄露电阻的能量损耗率计算公式;结合实验参数计算了本实验中水介质形成线的泄漏电阻,介于8.2kΩ与3kΩ之间。根据泄露电阻取值范围,分析了双模块和四模块实验中水介质形成线充电过程中的电压效率与能量效率,结果表明水介质形成线的能量损失占其获得能量的5%～12%;计算结果同时表明:随着实验模块数增加,能量损失逐渐增大。     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

 介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:(5)脉冲叠加的意义

通过对多个脉冲功率发生器的输出进行同步叠加可以获得功率合成。脉冲叠加还可以使脉冲功率源的设计和制作走向模块化。从直线变压器驱动源（LTD） 的观点出发,综合论述了脉冲叠加在重复频率脉冲功率技术中的意义。特别针对固态LTD,通过实验结果归纳了它的技术特征,并在此基础上提出了智能化脉冲功率的概念。     

PPCP用固态脉冲电源的实验研究

 介绍了一种采用半导体开关与磁开关、可饱和脉冲变压器相结合技术的固态脉冲电源，此电源可用于脉冲放电等离子体烟气治理。在理论分析的基础上建立了实验模型，通过实验验证了此类电源的可行性，解决了8支晶闸管开关串联的动静态均压及开通同步性问题，并对可饱和脉冲变压器及磁开关的工作特性进行了分析计算。电源在阻性负载上得到峰值电压37.5 kV、前沿101 ns、脉宽1 μs的脉冲，重复频率300 Hz，输出功率10 kW。     

皮秒脉冲功率技术理论模型及其优化设计

为了产生100~500 ps,200~500 kV,1~10 kA数量级的皮秒放电脉冲,建立了一个皮秒脉冲发生器理论模型,并提出利用增益系数极值法,确定其最大兼容工作点,相对于纳秒脉冲成形线,皮秒脉冲成形线实现了90%,70%,85%的归一化电压增益、能量增益和放电功率增益。为了最大限度地降低皮秒脉冲成形线的载压时间,提高系统的绝缘安全因子,利用华罗庚0.618优算法,设计了电压传输系数。在纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线阻抗比值等于1.63条件下,在4倍和6倍皮秒脉冲成形线时间之内,归一化电压增益、能量增益和放电功率增益就可以分别达到94%,72%,89%与99%,53%,97%。     

150kV脉冲X光机

介绍了基于Marx发生器原理设计的脉冲X光机,在设计Marx发生器时选择了正负极充电,极间电容耦合为Z形回路的Marx发生器线路,采用低抖动场畸变开关和固体低感电阻为结构元件,低感陶瓷电容作为储能元件。Marx发生器通过高压电缆和X射线管连接,得到脉冲X光机特性为:输出电压100~150kV;0.25 m处的X射线剂量约为90.3×10-7C/kg;脉冲宽度约为70 ns。具有性能稳定、结构紧凑、使用方便等特点。     

双爆磁压缩发生器驱动单调制器产生双脉冲实验研究

 爆磁压缩发生器常用来驱动脉冲调制器，在二极管上产生高功率短脉冲。进行了两个100 kA动态级联型爆磁压缩发生器延时驱动一台由脉冲变压器和脉冲形成线构成的脉冲调制器的实验。两个爆磁压缩发生器由延时起爆器延时20 ms起爆并用熔断丝进行相互电隔离，在负载二极管上产生了间隔约20 ms、功率大于20 GW的两个脉冲。实验表明：用更多的爆磁压缩发生器驱动单台脉冲功率调制器产生多脉冲的方案是可行的，该方法可用于大功率重频加速器中脉冲功率器件的电恢复性能测试。     

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。     

大功率Nd∶YAG固体激光器

介绍了一台单级输出灯泵浦大功率脉冲Nd∶YAG激光器。该激光器脉宽0.1-10ms可调,频率1-1000hz可调,总注入电功率12kw。试验得到激光器参数脉冲宽度和频率协调改变,可使激光器在整个脉宽范围内都能稳定500w输出;最大单脉冲能量56J;总体电光效率4.2%;光束质量为25mm.mrad;功率稳定性±2%。