百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100 kV,峰值功率250 MW,重复频率1~100 Hz,输出脉冲宽度约4 ns,前沿约1 ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500 ns降低至150 ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。     

紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器,由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离,直径为480 mm,长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法,单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术,输出电压大于50 kV,前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW,脉冲宽度100 ns,前沿10 ns,阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW,频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW,脉冲宽度70 ns,前沿10 ns,阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW,频率10 Hz,单串10个脉冲。初步的应用研究中,利用改进后的平台,在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。     

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。     

一级Marx压缩的高稳定纳秒脉冲电源的设计

针对目前缺乏标准纳秒高压脉冲电源的现状,开展高稳定性纳秒高压脉冲电源回路分析、结构设计及性能测试研究。通过建立纳秒脉冲发生器等效电路模型,仿真计算获得5级初级脉冲发生电路参数,以及一级压缩陡化间隙对纳秒脉冲特性的影响规律。通过纳秒高压脉冲电源结构设计及低抖动电晕稳定开关特性研究,建立高稳定输出的纳秒脉冲电源系统。研制纳秒电阻分压器,建立基于ns及μs量级传递校准测试相结合的刻度因数标定方法,准确获得纳秒电阻分压器的刻度因数。脉冲电源输出特性测试结果表明：纳秒脉冲电源系统可以输出上升时间2.3 ns±0.5 ns、幅值范围10～60 kV的指数纳秒脉冲;输出脉冲电压在全幅值范围内的相对标准偏差不大于±1.5%。     

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。     

40路可扩展高压脉冲触发器

直线变压驱动源(LTD)代表一种新型电路拓扑结构,将储能电容分解为容量很小的单元,能够直接输出快脉冲,而且降低了基本器件所承受的电压和导通的能量,为重频长寿命的大型驱动器研制开辟了道路,因而成为下一代大型Z箍缩聚变能源驱动器的主流技术。LTD的设计思想是一种矛盾转移,将难点从极高电压极高电流的闭合开关转移到大阵列开关的同步触发,因此,触发技术成为研制大型LTD型驱动器的重点。提出了一种可扩展的触发技术,以小型Marx发生器作为初级储能源,利用水介质脉冲形成线作为脉冲形成单元,激光触发气体开关作为输出开关,通过高压电缆匹配输出高压脉冲。给出了输出40路高压脉冲的触发器单元的设计和初步实验结果,Marx充电±60 kV时,触发器单元在75 Ω匹配电阻负载输出电压峰值为106 kV,上升时间约27 ns(10%~90%),半高宽约110 ns。作为输出开关的四个激光触发气体开关在~70%工作系数、激光总能量55 mJ的条件下,导通时间差异小于3 ns。     

多路高电压纳秒矩形波脉冲发生器的研制

为满足脉冲功率实验中对多路高电压纳秒矩形波激励的需求,研制了一台21路高电压纳秒矩形波发生器。此发生器由一个单路高电压纳秒矩形波脉冲发生器和一个21路分路器组成。其中单路高电压纳秒矩形波脉冲发生器可输出幅值约1.07kV、半高宽约10ns、上升沿约1.45ns的矩形波脉冲。利用21路分路器可将该矩形波脉冲分为21路矩形波脉冲,测得每路脉冲幅值可达51V,半高宽约为10ns,上升沿约为2.25ns。     

全固态电感储能形成线纳秒短脉冲功率调制器北大核心CSCD

全固态电感储能型脉冲形成线调制器是实现高重复频率、电压高增益和短脉冲输出的一种全新方案。但开关非理想的动态特性和传输线固定的物理空间尺寸限制,难以实现高压短脉冲的产生和调控。为解决上述难题,通过电磁场分析建立了碳化硅场效应器件开关驱动模型,发现高速驱动和开关器件低寄生参数能有效改善开关动态特性,提出了板上高速开关及驱动集成设计解决方案。基于波过程分析和多开关时序逻辑控制理论,提出多开关削波电路拓扑方法和主动负载阻抗调制技术。实验结果表明,该调制器可产生上升时间2.1 ns,下降时间3.5 ns,脉冲宽度5.1 ns的方波短脉冲,并且脉冲宽度5~20 ns连续可调。10级叠加后验证了调整器高压能力,初级储能充电电压25 V时,电压增益可达336倍,重复频率200 kHz。     

Z箍缩初级实验平台模块样机

 正在研制的Z箍缩实验装置（Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置）,由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。     

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。