基于TTL数字电路控制的高压脉冲源

给出了一种基于TTL数字电路作为高压脉冲源触发控制单元的设计原理和方法。介绍了高压脉冲源的工作原理,设计了一台脉冲输出幅度5 kV、脉冲宽度大于200 s及脉冲前沿小于30 ns的高压脉冲源。将触发控制单元和前级开关金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）组合成一体,控制后级气体高压开关管放电输出高压脉冲信号。实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了单次触发情况下的实验结果。     

PTS装置工作模式及波形调节

为了对即将建成的PTS装置的实验能力进行分析,对装置的工作模式及波形调节能力进行了分析。装置具有三种工作模式:短脉冲模式、长脉冲模式和波形调节模式。在不同的工作模式下,装置可以进行不同负载的实验研究。在基本工作模式下,在15 nH负载上输出前沿90 ns、幅值8~10 MA脉冲电流。通过电路模拟,对装置在三种工作模式下预计的负载电流输出进行了分析,短脉冲模式下装置负载电流的上升时间约90 ns,长脉冲模式时约200 ns,波形调节模式时可以达到400 ns。模拟结果表明,通过调节激光触发气体开关的触发方式和脉冲输出开关及装置其他参数,PTS装置可以输出脉冲前沿100~400 ns、波形形状在一定范围可调的强电流脉冲。     

脉冲功率装置的脉冲形成单元研究

 介绍了所研制的脉冲功率装置的组成、脉冲形成单元的设计以及脉冲形成单元实验研究结果。研究了包含脉冲形成线的绝缘设计校验、装置的脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关的抖动的关系。实验结果表明：在3.6 MV脉冲电压作用下，脉冲形成线的前后尼龙隔板未出现表面闪络等绝缘问题，脉冲形成线的绝缘满足设计要求。主同步开关的抖动1.6 ns，脉冲输出开关的抖动小于3.1 ns，脉冲形成单元的整体抖动小于3.0 ns，满足装置同步性能要求。     

20 kV/20 kHz/100 A高压脉冲源设计

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为开关的高压脉冲电源。采用自匹配传输线结构线路形式,串联多个以光纤信号隔离触发的MOSFET作为高耐压开关,在传输线的外皮产生2个纳秒脉冲,再用传输线变压器对2个纳秒脉冲进行功率合成,在200 Ω负载上输出了幅度20 kV,重复频率20 kHz,脉冲宽度约40 ns的脉冲。分析脉冲源装置结构,对实验装置建立仿真模型,阐述了输出波形畸变的原因,给出了影响输出脉冲波形特性的因素,为下一步优化波形工作提供了理论参考。     

低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源研制

给出了基于远程和本地两种控制方式,作为低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源系统的设计原理和方法。研制了一台重复频率为0.01~1Hz、脉冲输出幅度为10~20kV、前沿小于10ns、脉宽大于500ns以及抖动小于1ns的高压脉冲触发源。设计上将程控和手动触发信号分别作为重复频率和单次预触发脉冲,驱动后级触发器绝缘栅双极型晶体管,经脉冲变压器变换后控制氢闸流管VE4141放电,实现输出高压脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了外触发脉冲情况下高压脉冲输出的实验结果。     

直线型脉冲变压器模块的响应特性

 介绍了短脉冲应用中磁芯的选取,设计了一台两路并联馈电的单模块直线型脉冲变压器驱动源（LTD）装置。在低压情况下测试了装置对不同脉宽信号的响应特性,在此基础上利用一级脉冲形成网络提供的输出阻抗约5 Ω,脉宽约3 μs的近似方波信号对装置进行了高压实验,得到了匹配负载情况下LTD次级上的输出电压波形,和脉冲形成网络的输出波形得到了很好的吻合。建立了相应的LTD电路模型,利用Laplace变换推导了模型对有限上升前沿脉冲的响应,证明了励磁电感偏小是造成实验中LTD装置输出电压幅值明显低于充电电压的主要原因,提出了改进方法并进行了实验验证。     

4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究

 利用峰值功率可达1 GW的纳秒脉冲源CKP1000开展了4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究。使用trigatron作为触发开关,通过单路开关触发特性实验研究优化了开关的结构与工作参数,单路开关抖动0.2 ns,建立了实验装置,实现了4路GW级纳秒脉冲源并联同步输出。同步实验结果为: 纳秒脉冲源输出电压230 kV,峰值功率1 GW,脉冲宽度6 ns,4路输出脉冲同步偏差95%以上概率分布在1 ns以内,平均同步偏差630 ps。     

基于DSRD的高重频固态脉冲源的研制

介绍了一种基于新型高功率超高速半导体断路开关—漂移阶跃恢复二极管(DSRD)和可饱和脉冲变压器的高电压高重频超高速全固态脉冲源。设计了脉冲源的电路拓扑结构,理论上分析了脉冲源电路的工作原理,研究获得了可饱和脉冲变压器匝数、磁芯截面积及负载阻抗等参数对脉冲源输出特性的影响的规律。实验结果表明:脉冲源在50 kΩ阻性负载条件下,输出脉冲峰值电压约38.2 kV,脉冲前沿约7.1 ns,脉冲宽度约14.1 ns,输出峰值功率约29.2 kW,可在400 kHz重复频率下稳定工作。     

重复脉冲强流电子束源长时间稳定运行实验研究

 简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理，利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究，实验结果达到：在100 Hz重复频率下连续运行5 s，脉冲变压器能稳定输出电压1.15 MV,强流束二极管输出电压超过800 kV、束流7 kA、脉冲宽度45 ns，阴极电子发射密度超过10 kA/cm²，且运行稳定可靠。利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究，在50 Hz重复频率下连续运行5 s，输出微波功率超过1 GW，脉冲宽度大于25 ns。     

模块化多路同步快脉冲触发源设计

基于超快速高压大功率半导体开关、脉冲形成电路以及同心等间距传输的关键技术,提出一种模块化多路同步快脉冲触发源技术方案。设计出在负载阻抗为50Ω时,可同步输出两种快脉冲触发信号:一种幅度大于20V(4路)、脉冲前沿小于820ps、脉冲宽度大于100ns;另一种则是幅度大于100V(4路)、前沿小于1.4ns、脉宽大于100ns;在外触发作用下,触发源系统抖动和脉冲输出同步分散性分别达到2ns和36.6ps。电路结构上充分利用等间距电信号传输的原理,实现了快脉冲触发源模块化的设计。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了在外触发脉冲单次和重频(5kHz)作用下该同步快脉冲触发源输出的实验结果。     

多路窄脉冲功率线路合成

介绍了传输线变压器的结构特点,对其进行了理论分析和实验研究。采用传输线变压器结构将每路幅度约为4.5 kV/50Ω的4路脉冲合成了幅度约8.8 kV/50Ω的脉冲,通过实验证实了采用多根传输线串并联方式构成的传输线变压器装置可以将多路窄脉冲进行线路功率合成。应用此类结构设计了一种紧凑的高压窄脉冲发生器,将36路8 kV/50Ω的脉冲合成了约46 kV/50Ω的脉冲。采用传输线变压器合成器,应确保各路输入脉冲的前沿抖动足够小和高精度同步。     

基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

非匹配传输线产生宽谱脉冲实验研究

介绍了基于短路开关-锐化开关组合的非匹配传输线的工作原理,通过数值模拟分析了开关的导通时间、导通延时以及形成线的长度对输出宽谱振荡脉冲的影响。设计了非匹配传输线的实验装置并在500kV Marx发生器上开展了实验研究。在短路开关间距为4mm、腔体内充入SF6气体的压力为1.15MPa,锐化开关间距为2.5mm、腔体内SF6气体的压力为1.0MPa的条件下,在50Ω传输线上测得的峰值功率为3.3GW,振荡脉冲的中心频率为169MHz,百分比带宽为22.9%。     

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%。     

非线性铁氧体传输线的脉冲陡化作用

阐述了非线性铁氧体传输线的工作机理,并给出了等阻抗的设计方法。针对已有重复频率脉冲功率源输出脉冲特点,设计了工作重复频率可达10kHz的铁氧体传输线,并可实现将前沿ns级的高压脉冲陡化至几百ps。采用多种NiZn铁氧体磁芯开展陡化实验,研究了磁芯参数、铁氧体传输线长度及外加励磁场等因素对陡化效果的影响,得出采用高饱和磁化强度的磁芯可以获得更快的脉冲前沿;采用小磁芯可以加快输出脉冲前沿,但需要的铁氧体长度更长;外加轴向励磁对陡化前沿也具有促进作用,但励磁场并非越大越好,而是存在一个最佳范围。目前,根据实验结果优化后,经铁氧体传输线可将脉冲前沿从4ns陡化至450ps,且输出脉冲电压峰值39kV,基本实现了高重复频率、高功率及快脉冲输出。     

Blumlein双极脉冲形成线

 为了提高超宽带系统的辐射因子,对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究,介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论,通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线,在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究,分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,Blumlein双极脉冲形成线可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍,辐射因子为4.54 MV。     

螺旋脉冲形成线实验研究

 设计了一种用于长脉冲功率源研究的Blumlein型螺旋脉冲形成线。该形成线主要是将铜带绕在绝缘衬筒上形成螺旋形结构，以蓖麻油为介质，匝数为3.5匝每m，充电时间为1 μs，负载为电子束二极管。给出了形成线参数的理论计算公式以及实验研究结果。在300 kV脉冲功率源上得到的脉冲延迟为200 ns，特征阻抗约100 Ω，形成的脉冲半高宽为180 ns，前沿15 ns，平顶宽度150 ns。实验证明该螺旋脉冲形成线结构能够有效地延长形成脉冲的宽度。最后分析了开关电感、充电时间以及螺旋形结构对形成线输出脉冲前沿及平顶畸变的影响。结果表明：较小的主开关电感是形成较陡的脉冲前沿的关键，获得好的脉冲波形应选择适当的充电周期，螺旋形结构容易导致色散产生，需要选取适当的螺旋角。     

非线性传输线高功率实验北大核心CSCD

设计了基于交叉耦合铁氧体非线性传输线高功率射频微波产生系统,系统由脉冲形成线、非线性传输线以及高功率匹配负载(或组合振子辐射天线)组成。由100kV高压电源和高压微波电缆构成单传输线高功率脉冲形成线,形成线输出脉冲幅度35kV,脉冲半宽60ns。高压脉冲经过非线性传输线的脉冲压缩和调制,与高功率匹配负载相连时,实验得到了峰峰值31kV、中心频率308 MHz、3dB带宽为13%的射频振荡脉冲;与组合振子天线相连时,实验得到了中心频率380MHz、3dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。     

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。