1MA直线型变压器驱动源模块设计

介绍了输出电流幅值为1 MA,电流上升时间为100 ns的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)模块的设计。模块由48个子块并联组成,每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发,每路高压脉冲(100 kV/50 ns)触发6个开关。电路模拟显示,在充电90 kV条件下,输出电流幅值为1.04 MA,电流上升时间为84.5 ns(0~100%)和52 ns(10%~90%)。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础,开关的工作条件与已研制成功的100 kA-LTD模块中的开关工作条件近似,模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全,能够保证模块达到设计要求。     

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。     

面向Z箍缩驱动聚变能源需求的超高功率重复频率驱动器技术

针对Z箍缩驱动聚变裂变混合能源系统对驱动器的总体要求,对可能的技术路线进行了分析评述,结合当前在单脉冲超高功率Z箍缩驱动器和重复频率脉冲功率技术方面的研究基础,提出了混合模式直线变压驱动器概念设计思想,分析了主要的技术难点,明确了相应的关键技术攻关方向,同时对Z箍缩驱动器的总体发展计划提出了建议。     

大型脉冲功率系统真空功率传输问题

脉冲功率科学与技术广泛应用于X射线闪光照相、惯性约束聚变(ICF) 和高能量密度物理等研究领域,其基本特征是将能量在时间和空间上进行压缩来获得极高的功率密度,进而获得高温、高压、强辐射和高能量密度的极端条件。大型脉冲功率装置是获得高功率脉冲的载体,真空功率传输系统是此类装置的重要组成部分,是将储能系统的能量传递给负载的关键,也是决定大型脉冲功率系统技术可行性的重要方面。分析了大型脉冲功率系统真空功率传输的物理基础,综述了相关物理问题的国内外研究状况,结合Z箍缩聚变驱动器特定的需求,具体分析了技术现状与目标的差距,最后针对后续研究提出了建议和看法。     

测量微秒量级脉宽方波信号的电容分压器

为了解决测量脉宽达到μs量级的方波信号的平顶衰落问题,设计了改进的双端匹配电容分压器。对采取双端匹配方式的电容分压器进行了频域和时域仿真。仿真结果表明,双端匹配方式的中频段幅频特性不平坦,方波响应波形也存在过冲。通过仿真计算调整了始端电阻以及对应的末端电容,实现了双端匹配方式的优化设计。实验结果表明:当低压臂电容为2 nF的情况下,使用电长度为50 ns的电缆的改进双端匹配电容分压器可以得到过冲小于2%,无平顶衰落的波形。     

长寿命同轴三电极气体火花开关设计和实验北大核心CSCD

设计了一种新型的同轴三电极结构,仿真计算结果表明开关在充电及触发时电场最大值区域均匀性良好。引入循环吹气系统能够控制放电产物的流向,减小对开关绝缘结构内壁的污染,可在提高气体绝缘恢复能力的同时延长开关绝缘外壳寿命。在重频实验条件下(±40kV/20kA/0.1 Hz)进行了寿命考核实验,目前单个开关寿命考核实验已大于17.2万发次,开关工作稳定,自击穿电压特性和触发延时抖动特性良好。     

块状TiO2气凝胶的溶胶-凝胶过程及结构

对块状TiO2气凝胶的溶胶-凝胶过程及结构进行了实验研究,结果发现:增加催化剂的量,凝胶化时间缩短,湿凝胶的透明度降低,强度提高;增加前驱体的量,凝胶化时间缩短,湿凝胶的透明度变化不大,强度提高;增加水量,凝胶化时间先缩短后增加,湿凝胶透明度先减小后增加,强度先增加后减小。利用扫描电镜对超临界干燥法制备的不同催化剂量和密度的块状TiO2气凝胶的结构进行了表征,并对结构与溶胶-凝胶过程之间的联系进行了分析。结果表明:增加催化剂量,由于缩聚反应进行的程度提高,气凝胶粒子粒径较小且总的孔径较大。减小前驱体量,气凝胶粒子粒径增大且结构逐渐疏松。     

基于方波LTD的3 MV闪光照相驱动器设计

直线变压器驱动源(LTD)是近年来发展起来的一种新型电路拓扑技术,具有结构紧凑、参数调整灵活、能量效率高等优点。根据闪光照相的需要,开展了基于方波LTD技术的闪光照相驱动器设计,驱动器输出电压约3 MV,负载阻抗约40 (杆箍缩二极管特征阻抗)。主机共由30个方波LTD模块串联而成,单个LTD模块采用16个放电支路(包含12个为基波支路和4个为谐波支路)并联,其中每个放电支路由2台脉冲电容器和一只多间隙气体开关串联组成。LTD次级采用变压器油绝缘,整机长度接近8 m。电路计算表明,驱动器输出电压大于3 MV,上升沿约16.8 ns,脉冲宽度约98 ns。     

用于闪光照相的1MV Rod-Pinch二极管辐射特性

Rod-Pinch二极管(RPD)在小尺度闪光照相方面具有良好的应用前景. 根据理论方面的研究结果以及实验室具备的驱动源装置水平, 设计了相应结构的RPD, 并在1MV工作电压下开展了较为详细的性能实验研究. 最终在二极管轴向(0°方向)1m处得到的X光剂量为1.21rad—1.45rad. 对于阳极直径为1mm的二极管, 其X光焦斑直径仅为0.8mm—1.1mm. X光信号的脉宽为18.1ns—27.5ns. 研究表明RPD将是一种用于小尺度闪光照相的理想的X光源.     

大型LTD装置功率源可靠性初步分析

产生脉冲电流约50 MA的大型LTD装置功率源由数十万个电容器、开关和触发器组成。规模庞大的功率源采用串联系统可靠性模型,其可靠度想要达到一个较高的水平,存在所要求的开关可靠度难以实现的情况。大型LTD装置功率源的主要故障模式为开关自击穿和触发器故障,开关自击穿将导致其所在的模块故障,而触发器一对多的触发方式,使其故障时引起更多的模块故障。在LTD装置输出性能满足要求的前提下,允许存在一定数量的模块故障,并且控制故障模块分布,是实现功率源高可靠度的关键。基于概念设计的大型LTD装置功率源构成框架,分别建立了在功率源、支路、分层上控制故障模块数量的可靠性模型。采用蒙特卡罗方法对该模型进行仿真计算,得出了在给定的功率源可靠度条件下开关和触发器需要达到的可靠度。为实现该可靠性模型,使故障模块不对其他部分产生影响,还对故障模块隔离技术进行了分析。