气体火花开关电阻特性

利用二极管输出电压约1 MV、脉宽约40 ns的重复频率Tesla型脉冲功率驱动源,对大间隙、高气压的重复频率氮气火花开关进行了实验研究。通过将开关等效为RLC电路,利用测量得到的形成线电压与锥形段电压来计算氮气火花开关电阻。电阻的变化情况是放电开始时刻比较大,随着放电通道的形成,电阻迅速变小,最终达到级的阻值。通过计算值与理论公式推算值比较,检验Barannik,Rompe-Weizel,Demenik,Toeple,Vlastos公式适用性,并尝试对Rompe-Weizel公式常数项进行了修正。     

The effect of polymer type on electric breakdown strength on a nanosecond time scale

Based on the concepts of fast polarization, effective electric field and electron impact ionization criterion, the effect of polymer type on electric breakdown strength (E_BD) on a nanosecond time scale is investigated, and a formula that qualitatively characterizes the relation between the electric breakdown strength and the polymer type is derived. According to this formula, it is found that the electric breakdown strength decreases with an increase in the effective relative dielectric constants of the polymers. By calculating the effective relative dielectric constants for different types of polymers, the theoretical relation for the electric breakdown strengths of common polymers is predicted. To verify the prediction, the polymers of PE (polyethylene), PTFE (polytetrafluoroethelene), PMMA (organic glass) and Nylon are tested with a nanosecond-pulse generator. The experimental result shows E_BD (PTFE) > E_BD (PMMA) > E_BD (Nylon) > E_BD (PE). This result is consistent with the theoretical prediction.     

级间耦合传输线脉冲变压器

级间有耦合传输线的脉冲变压器除第一级传输线外所有传输线均绕制在同一磁芯上。利用电路等效法对该变压器进行了理论分析,结果表明:相比采用其他绕线结构的传输线变压器,该传输线变压器的顶降更低,而且仅需要一块磁芯。根据该设计方法,研制了一台四级传输线脉冲变压器,变压器的输入阻抗为4.2Ω,输出阻抗为67.7Ω。利用该变压器对脉冲形成网络(PFN)形成的脉冲进行电压变换,变压器匹配负载上输出电压脉冲脉宽为120 ns,前沿为20 ns。该脉冲幅值是PFN对4.2Ω负载直接放电形成脉冲幅值的4倍,且两者波形基本一致。     

多倍脉宽输出的螺旋重入脉冲形成线

提出了一种螺旋线重入结构的脉冲形成线,可实现多倍脉宽输出。该结构由储能外线和重入内线组成;重入内线的外屏蔽圆筒内表面呈阶梯状,内筒为均匀螺旋线结构,实现简单;储能外线与Tesla变压器一体化。结合采用螺旋重入和二级重入结构,给出了一组10 GW功率、百ns脉宽的重入型脉冲形成线设计,形成线采用Midel 7131合成酯绝缘介质,外筒内径1 m,长度2 m。     

Tesla变压器耦合系数的静磁场解法

 为研究Tesla变压器耦合系数与各参量的关系,采用静磁场分析方法,从柱坐标系磁场Laplace方程出发,推导出磁场级数表达式的系数矩阵方程组,计算出磁芯磁场的轴向分布和间隙磁场的轴向、径向分布。引入了一种平均耦合系数概念——次级绕组每匝线圈具有独立的耦合系数,用全部单匝耦合系数的平均值作为Tesla变压器的耦合系数。重点研究了平均耦合系数与磁芯纵横比、半径比、初级绕组-磁芯长度比、磁芯材料磁导率的相对变化关系。结果表明:增大纵横比、减小半径比是提高Tesla变压器耦合系数的有效方法;增大磁芯材料的磁导率可提高耦合系数,但效果随磁导率增大而降低;初级绕组长度与磁芯长度之比约为0.7时,耦合系数达到最大值。     

100kV重复频率快前沿触发器

研制了一台输出电压100kV的重复频率快前沿触发器,该触发器基于内嵌Tesla变压器的单筒脉冲形成线和气体开关技术,具有抖动低、结构紧凑、运行可靠等特点。理论分析了影响Tesla型触发器输出脉冲时间抖动的因素,提出了降低抖动的措施,进行了Tesla变压器的理论设计和数值模拟,并开展了实验研究。获得的触发器输出参数为:输出电压100kV(40Ω匹配阻抗),半高宽4ns,前沿0.5ns,重复频率50Hz,抖动小于10ns。     

Tesla变压器次级线圈电位分布

 为研究Tesla变压器锥形次级线圈的电位和电场分布问题,建立了非均匀参数双传输线模型,采用差分方法获得波动方程的数值解。计算结果表明：脉冲形成线充电过程中,最高场强点从次级线圈小半径端逐渐向大半径端移动;脉冲形成线快速放电后,次级线圈场强最大点位于大半径端部;脉冲形成线不能正常放电时,次级线圈最大场强点也位于大半径端部,此时场强达到最大值,约为平均场强的1.5倍。     

电容加载平板传输线型PFN理论与实验研究

 介绍了一种电容加载双导体平板传输线型PFN,分析了PFN的波传播特性,提出通过减小加载电容间距提高PFN上限截止频率、减小阻抗色散的方法;采用损耗线模型分析了串联PFN的端部反射系数,研究了减小反射系数的方法;分析了串联PFN的磁耦合问题,从理论和实验两方面研究了PFN几何参数和排布方式对电流脉冲的影响。基于串联PFN和Tesla变压器技术,研制成功一台长脉冲功率源,输出电压脉冲幅度超过300 kV,脉冲宽度110 ns,前沿小于10 ns,功率超过2 GW。     

螺旋线型三导体脉冲形成线快波抵消方法

针对螺旋线型三导体脉冲形成线的快波振荡问题,提出一种阻抗分两段阶梯变化的螺旋线结构,分析了此类螺旋线快波反射与慢波反射相互抵消快波的条件,给出两段变阻抗螺旋线慢波系数之间的关系式以及匝数密度之比计算方法,通过仿真计算证明该方法能有效消除快波反射对螺旋线输出脉冲的影响。     

强流电子束二极管绝缘子分析与设计

对应用在Tesla型强流加速器中的电子束二极管绝缘子进行了仿真,发现电场增强区域与实际发生击穿区域基本一致。从绝缘子沿面电场分布、电力线和绝缘子表面所成角度分布以及材料缺陷等方面分析了击穿发生的原因。认为材料中存在缺陷是导致绝缘子发生击穿的主要原因,局部场增强和非最优化结构设计促成了击穿的发生。对影响绝缘子沿面电场分布的同轴线关键位置进行了设计,得出了阳极倒角半径和阴极屏蔽环半径两个参量的最佳取值范围。