1 MV紧凑型重频Marx发生器绝缘设计和数值分析

 通过分析六氟化硫气体在静态高电压和脉冲高电压作用下的绝缘特性对Marx模块式开关结构和外筒尺寸进行了优化设计,着重优化设计了Marx发生器中的两个关键绝缘部位——开关腔体结构和外金属筒与顶部电容绝缘距离,并通过数值模拟计算,分析了该区域的局部3维电场强度分布。结果表明:最大场强均小于六氟化硫的沿面闪络和电击穿场强阈值。对模块式开关腔和外筒尺寸进行优化得到的绝缘结构满足0.3 MPa下六氟化硫的绝缘要求。     

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。     

一种紧凑型宽谱辐射源

 采用快前沿Marx发生器直接驱动辐射天线,设计了一种紧凑型宽谱辐射源。Marx发生器采用3 300 pF低电感陶瓷电容器作为储能电容,采用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。系统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。辐射系统包括振荡器及辐射天线两部分,系统辐射场中心频率为206 MHz,辐射因子40 kV,可重复频率10 Hz运行。     

MV级气体开关脉冲自击穿特性及支撑结构的优化

 设计了两种结构的1 MV气体开关:一种是高压电极为悬臂,未突出绝缘支撑筒的结构（悬臂开关）;一种为高压电极突出绝缘支撑筒的结构（分段支撑开关）。结合上述两种开关在脉冲电压下的自击穿实验和静电场模拟,分析了不同开关结构对电场分布的影响,结果表明分段支撑开关比悬臂开关的绝缘更安全,性能更稳定。分析了悬臂开关绝缘支撑筒击穿的原因,认为是开关内形成的流注在电场作用下加速并轰击支撑筒表面导致了支撑筒的绝缘损坏。利用自击穿实验的结果,给出了包含场增强因子形式的Bradley经验公式,计算值与实验结果吻合较好。     

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。     

百千伏紧凑型Marx发生器的研制

研制了一种百千伏紧凑型Marx发生器,介绍了紧凑型Marx发生器的工作原理和设计原则。依据设计原则采取单边充电,陶瓷电容作为储能元件,开关和绝缘腔体一体化设计,功能模块化等措施使得Marx发生器结构紧凑。该发生器前级部分集成了触发、充电和气路控制模块,只需提供气源和市电即可实现可靠工作;该发生器输出电压范围为15~100 kV,通过不同的负载转接结构已用于高压触发装置和电磁脉冲模拟装置脉冲源等应用。     

1MV小型重复频率Marx发生器研制

设计了MV级小型重复频率Marx发生器,简化了发生器充放电回路,减小了能量损失;分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响,减小了隔离电感体积,提高了隔离有效性;优化了开关腔体结构,实现了间距连续可调,且受外围结构的变化或振动影响,13个开关间隙置于同一垂线上,火花放电时产生的紫外线或射线相互照射,加速了开关导通,减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用,提高了发生器的可靠性;通过Pspice模拟和三维静电场分析,实现了发生器小型化,整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内,体积小于0.25m3。优化设计和实验研究,发生器在高阻负载上输出峰值1.02MV、前沿约30ns的高压脉冲,发生器储能290J,电压幅度抖动约10%,前沿抖动小于10ns,可实现重复频率20Hz稳定运行。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

混合模式直线型变压器驱动源模块

在对Marx发生器和直线型变压器驱动源(LTD)电路拓扑结构及等效参数进行分析对比的基础上,结合两种电路拓扑结构的技术特点,提出了基于Marx基本回路的混合模式LTD模块构想。在混合模式LTD模块中,每个基本回路是一个多级的Marx发生器回路,回路中只有前一级或几级开关需要外部触发,而后级开关工作在自击穿模式。计算分析表明:混合模式LTD模块设计可以有效降低LTD系统对多路同步触发的要求;独立回路式结构可提高整个混合模式LTD模块的可维护性;回路间耦合触发的方式可提高整个混合模式LTD的工作可靠性。最后,还探讨了回路内阻、磁芯损耗及Marx发生器回路中后级自击穿开关抖动对混合模式LTD模块参数设计的影响。     

全同轴型Marx发生器的研制与场路协同仿真

针对Marx发生器小型化的应用需求和快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程的实际情况,开展了全同轴结构Marx发生器的研制和场路协同仿真。Marx发生器采用基于环形电容器、环形开关、锥形隔离电感、轴心单边充电的全同轴结构方案,避免结构偏心带来的局部场增强效应。在CST软件中建立了Marx发生器实际结构模型,利用时变材料和场路协同仿真功能实现了充放电过程的动态仿真,仿真结果显示出快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程。据此可以对绝缘设计进行优化,并分析结构参数对输出脉冲的影响。研制的5级Marx发生器体积小于0.015 m3,可在10 μs内充电至88 kV,对40 Ω传输线输出峰值电压210 kV的高压脉冲,峰值功率约1.1 GW,脉冲前沿5.3 ns,半高宽11.2 ns。     

Comparative study on the propagation performance of coherently combined and incoherently combined beams

Taking phase error, turbulent atmosphere, jitter, vacancy factor and tilt error into consideration, we propose a general propagation formula for both coherent and incoherent combined beams with different kinds of aberrations. Comparative study on the propagation performance of coherent and incoherent combined beams is presented. Beam propagation factor (BPF) defined as laser output power in a specified far-field bucket divided by the total output power radiating from the effective near-field exit aperture of the laser beam is introduced as the beam quality factor to give a quantitative study. It is revealed that the coherent combined beam has great advantage when propagating in free-space compared with the incoherent combined beams. However, the coherent combined beam is more sensitive to the environmental aberrations, and the beam quality degrades faster with an increase in the aberrations’ intensity. Scintillation index as the high moments of the combined intensity field is also studied. It is revealed that both coherent and incoherent combined beams exhibit less scintillations compared with a single-aperture beam, and the incoherent combined beam demonstrates better scintillations reducing the performance. Our methodology offers an all-round performance evaluation on the two kinds of laser systems.     

基于多层介质膜光栅的谱合成系统光束特性分析

针对多层介质膜光栅在光束谱合成系统中的应用, 利用光线追迹方法, 建立了基于多层介质膜光栅的谱合成系统光传输模型. 多层介质膜光栅引入的相位调制包括浮雕表面上光程差与浮雕结构光程差两部分, 且受到光栅槽深、占空比和光束入射角等因素的影响. 利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理, 计算模拟了基于多层介质膜光栅的谱合成系统的合成光束光强分布. 在此基础上, 利用强度二阶矩方法分析了合成光束的光束质量, 并讨论了多层介质膜光栅的槽深、占空比和制作误差等因素对合成光束特性的影响. 结果表明: 改变多层介质膜光栅的槽深和占空比以及中心光束入射角会影响合成光束能量, 但不会影响合成光束的光束质量, 合成光束的光束质量始终保持与单个子光束的光束质量相当; 多层介质膜光栅的制作误差对合成光束的光束质量和能量均存在明显影响.     

掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析

建立了由掺Yb光纤激光器阵列、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的光束谱合成系统的光束传输模型.在考虑光栅角色散、光栅刻槽倾角误差和光栅衍射效率情况下,利用光线追迹法、衍射积分方法、光束非相干叠加原理和强度二阶矩方法,推导出高斯光束非平行倾斜入射到闪耀光栅的相位变化公式以及谱合成光束的光强分布解析表达式.分析了高斯光束非平行倾斜入射到光栅后,光栅角色散、光栅衍射效率和光栅刻槽倾角误差对掺Yb光纤激光器谱合成系统输出光束特性的影响.研究结果表明,谱合成光束具有与单根光纤激光器几乎相同的光束质量;光栅角色散对合成光束特性的影响可忽略;随着光栅刻槽倾角误差的增大,谱合成光束的光束质量明显变差;当光栅刻槽倾角误差较大时,必须考虑光栅衍射效率对合成光束特性的影响. 关键词： 掺Yb光纤激光器 非平行倾斜入射 光束谱合成 光束质量     

高能固态激光阵列光束合成技术浅析

建立了高能固态激光阵列合成的模型,对相干合成型和非相干合成型的高能固态激光系统进行了分析和比较.引入光束传输因子(BPF)作为评价合成光束的光束质量,对湍流大气对板条激光器和光纤激光器相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行了定量分析.计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考.     

光束品质因子M2对非同轴激光雷达探测性能的影响

光束品质因子M2直接影响高斯光束传播特性,光纤口径主要约束激光雷达接收系统的视场角.几何重叠因子是影响激光雷达探测性能的重要参量,其主要受激光束的发射特性、接收系统的结构等影响.通过探讨光束品质因子M2及耦合光纤口径对几何重叠因子的影响,为设计激光雷达发射接收系统,改善激光雷达的探测性能提供了优化方案.数值计算及初步实验表明,光纤的耦合效率与光纤的放置位置及光纤口径有很大的关系;几何重叠因子小于1的探测距离受到M2因子的较大影响且随着M2因子的增大而增大.     

基于多层电介质光栅光谱合成的光束质量

基于电介质光栅的光谱合成是实现高功率高光束质量激光的重要途径. 在电介质光栅的光谱合成系统中, 光栅色散效应是影响合成激光光束质量的重要因素. 本文推导了单光栅和双光栅光谱合成系统中由于光栅色散引起M²因子的变化公式; 详细讨论了这两种合成系统中单路激光线宽、单路激光光斑半径、相邻两路激光波长差、相邻两路激光间距以及光栅周期对光束质量的影响. 研究表明对于单光栅合成系统, 在合成过程中若保持光束质量M²因子的大小不变, 则单路激光带宽随光斑半径的增加而减小; 在双光栅光谱合成系统中, 在保持光束质量的前提下, 单路激光带宽可随光斑半径的增大而相应增加. 数值计算表明, 若要满足合成光束的光束质量M² ≤1.2的要求, 在单光栅系统中激光线宽需窄于亚纳米量级, 在双光栅系统中激光带宽可为亚纳米. 本文为高功率、高光束质量的光纤激光光谱合成系统的搭建提供了理论指导.     

Beam quality factor for coherently combined fiber laser beams

The beam quality factor for a coherently combined beam is studied in detail. A theoretical analysis and a numerical calculation are given to illustrate that the M² factor is not a proper means for evaluating the beam quality of a coherently combined beam. The beam propagation factor is introduced to evaluate the beam quality. The effect of phase error on the beam quality is also studied. Results indicate that the beam quality of a coherently combined beam depends mainly on the fill factor of the laser array and not on the number of lasers. It is also revealed that the allowed phase error does not change with the number of lasers in order to ensure the energy encircled in a certain bucket.     

横向可分原子激光的传输

本文在含时量子系统传播子的ABCD形式理论的基础上．进一步讨论原子激光这种品质因子不守恒系统的传输。利用准连续的原子激光在传输过程中所满足薛定谔方程．并引入某一方向的束宽、发散角、曲率半径和品质因子等光束传输参量来表征横向势能满足x和y分量相互独立的原子激光的传输。如果某一方向上品质因子也守恒,就可以通过解析不同过程品质因子守恒的充要方程,找到原子激光在各过程中ABCD形式的传播子。本文讨论原子激光在从玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)中穿出过程。在磁化捕获器打开情况下的传输,以及在自由空间的传输这三个满足横向势能可分且各横向品质因子守恒条件的过程中ABCD形式的传播子。本文还将所运用的方法和所得结果与Yann等人的方法和结果进行了比较。     

Analysis of beam quality for the laser beams after spectral beam combining

The beam quality of the laser beams after spectral beam combining (SBC) has been analyzed in this paper. Based on the propagation model of the spectral beam combining system, the expression for the output field of an individual beam passing through the spectral beam combining system with lens aberration has been given and the intensity distribution of the combined beam has been studied by the principle of incoherent superposition. Consequently, according to the intensity second-order moments method, the M²-factor of the combined beam has been calculated and the effect of lens aberration on the characteristics of the combined beam has been analyzed quantitatively. It can be shown that the SBC system can improve the beam quality of laser array significantly, and the M²-factor of the combined beam passing through the ideal spectral beam combining system is almost the same as that of an individual beam. For the spectral beam combining system with lens aberration, the spherical aberration has greater effect on the off-axis beam than on the on-axis beam, and the beam quality of combined beam degrades with increase in lens aberration.     

基于自适应桶中功率评价函数的光纤放大器相干合成实验研究

光纤激光光束合成技术被公认为是实现高亮度、高光束质量激光束的优秀方法, 而激光阵列间的倾斜像差是影响合成效果的重要因素. 针对当前光束合成中存在的倾斜校正量受限问题, 提出了基于自适应桶中功率(PIB)评价函数的倾斜控制策略. 搭建了两路2 W光纤放大器的相干合成实验平台, 利用自制的压电环光纤相位调制器和自适应光纤准直器分别实现锁相和倾斜像差校正, 验证了基于自适应PIB的倾斜控制策略的可行性, 并实现了相干合成. 关键词： 光纤激光阵列 倾斜控制 自适应桶中功率 相干合成