光导微波源阵列合成时控技术初步研究

基于宽禁带光导半导体的固态光导微波源是高功率微波产生的一种新途径,该方案具有功率密度高、频带范围宽等特点,且其低时间抖动特性使其在功率合成方面具有巨大潜力,利用光波束形成网络构建光导微波有源相控阵是光导微波器件迈向实用的重要途径。分析了光导微波相控阵系统原理,设计了光导微波真延时网络架构,并构建了差分真延时相控阵和考虑相位随机误差的真延时相控阵的理论模型,对影响功率合成和波束扫描的关键因素开展定量分析和仿真验证。结果表明,对于发射1 GHz信号的n×10阵列,延时均方差在10 ps以下时,指向偏差小于0.13°,峰值增益损耗小于2%;延时步进精度在10 ps以下时,指向偏差小于0.2°,峰值增益损耗小于0.03%。由此提出延时精度指标,为未来更高功率、更大规模的光导微波合成技术发展提供参考。     

微秒长脉冲有磁场高功率微波二极管真空界面设计

介绍了一种微秒长脉冲有磁场的真空二极管界面的设计和实验结果。采取了三种措施来抑制沿面闪络:一是阴极电子束挡板,用来拦截来自阴极和电子束漂移管的回流电子束;二是接地屏蔽板,使电场等势线和界面成约45°角,使阴极三结合点处发射的电子远离绝缘板;三是降低阴极三结合点处的场强,并使用一悬浮电位的金属环阻止电子倍增过程。计算了二极管内电场、磁场分布和电子束的运动轨迹并据此优化了真空界面的结构,实验验证了该二极管真空界面可以在400 kV、800 ns条件下正常工作,可以支持长脉冲高功率微波器件的研究。     

一种重复脉冲同轴馈电型陶瓷真空界面

真空界面是脉冲功率装置的薄弱环节,对于重频运行的系统,该问题更为突出。介绍了一种应用于重频脉冲驱动源的陶瓷绝缘子真空界面。首先依据真空沿面闪络设计原则给出了一种改进型同轴馈电陶瓷真空界面绝缘结构,该结构采用陶瓷-金属钎焊连接形式;通过采取均压、屏蔽措施,静电场模拟结果显示,陶瓷沿面电场分布均匀,总场强小于100 kV/cm,沿面分量小于70 kV/cm,阴、阳极三结合点场强均小于40 kV/cm;在输出幅值600 kV、脉宽80 ns、重复频率1~5 Hz可调的脉冲功率驱动源上进行了实验测试,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm,运行稳定;采取(0-1)分布对实验结果进行了统计分析,置信度取为0.9时,陶瓷真空界面的可靠度大于97%。最后,还探讨了表面处理工艺对闪络电压的影响,实验发现,增加表面粗糙度可有效提高陶瓷绝缘子的闪络电压。     

一种高功率微波源真空保持研究

针对一种陶瓷真空界面、天鹅绒阴极和不锈钢外壳的无氧铜压封高功率微波管,利用真空设计软件VacTran建立了系统抽气模型,模拟了真空室主要材料放气率和抽气曲线;通过吸气剂简单吸气模型,对保真空过程中吸气剂的吸气行为进行了模拟。实验对比了高功率微波管真空室在常温和烘烤状态下抽真空至10-4 Pa量级所需的时间。在真空度满足要求后,采用非蒸散型吸气剂（NEG）作为吸气泵进行保真空实验,静态下保真空超过30 d后,真空度仍维持在210-4 Pa。在此基础上,对保真空状态下的高功率微波管进行加速寿命实验:温度为80 ℃,累计时间超过140 h,真空度仍好于110-2 Pa,据此估计高功率微波管在常温下保持真空度高于110-2 Pa的时间超过1年。     

加速器电水锤数值模拟与实验研究

强流加速器水介质形成线放电或击穿形成的冲击波对陶瓷真空界面具有破坏作用。为获得该冲击载荷的信息,应用通用软件ANSYS/LS-DYNA建立了一种水下爆炸有限元模型,将电弧放电等效为爆炸源,模拟得到了冲击波传播时序、压力历史曲线及陶瓷板的加速度响应;为验证模型的有效性,应用"针-板"电极水开关在输出电脉冲40～50 ns、幅值100～300 kV可调的10级陡化前沿Marx发生器上开展了电水锤缩比实验研究。实测了不同击穿电压下冲击波峰压、波速和主脉冲宽度,并依据经验公式计算了放电沉积能量和冲击波能量,平均约17%的间隙放电能量转换为冲击波机械能。对冲击波能量与峰压关系进行了拟合,并与数值模拟结果进行了比较,二者变化趋势基本一致,量级上吻合较好。     

低阻脉冲形成线电容分压器的在线补偿标定北大核心CSCD

讨论了低阻抗脉冲形成线中测量充电电压所用电容分压器的标定方案,提出了采用外部并联电感来补偿较大的形成线电容负载的方法。由于低阻形成线的电容负载影响,使用脉宽较短方波发生器易导致波形缺乏平顶,使用输出电压较低正弦波发生器导致信噪比不高。采用合适数值的外部电感,可以实现与形成线电容的并联谐振,此时整体阻抗最大,可以使用普通放大器提高正弦波电压,且不产生失真。该方法可应用于微秒尺度低阻形成线电容分压器的在线标定。     

正对电极结构碳化硅光导开关的电路模型

利用SilvacoTCAD软件,在532 nm激光辐照下,对正对电极结构6H-SiC光导开关（SiC-PCSS）瞬态电流电场的分布及不同光功率下的伏安特性进行了仿真。结果表明:载流子速率在强场下达到饱和,并且电流电场在主要电流区域沿垂直于激光辐照方向均匀分布。提出SiC-PCSS电路模型的建模依据,可以近似条件化简得到PCSS电阻一般表达式的解,建立SiC-PCSS载流子迁移率随电场变化的PSpice模型,分析讨论了外电路参数对SiC-PCSS导通过程的影响。该模型模拟结果与已有实验结果吻合良好。     

重复频率高功率微波加速器X射线屏蔽的估算（英文）

高功率微波的研究正在向高重复频率发展,目前已运行每年百万炮次或以上的水平,由此导致的电子束轫致辐射产生的X射线剂量已不可忽视,为了人员安全必须采取屏蔽措施。采用BEAMnrc程序,用蒙特卡罗方法仿真了环状束高功率微波源收集极的射线产生情况,典型输入束流参数为电压1 MV,电流10kA,脉宽100ns,重复频率100Hz。仿真结果给出了X射线的谱分布和空间分布。据此估算了屏蔽X射线所需的墙壁衰减量。同时估算了X射线的天空散射因素以及房顶所需的衰减量。     

高性能强流脉冲电子束源关键技术研究

强流脉冲电子束源是高功率微波系统的核心部件之一，针对未来应用需求，亟需从绝缘、束流输运和热管理等多个方面提升强流束源技术性能。介绍了国防科技大学在高功率微波源用强流真空电子束源方面的研究进展。针对高功率微波管保真空需求，基于陶瓷金属钎焊，设计并研制了一种强场陶瓷真空界面，耐压大于600 kV、平均绝缘场强达到44 kV/cm、耐受脉宽大于80 ns，重复频率运行稳定；研制了一种基于SiC纳米线的强流电子束源冷阴极，在90 kV/cm的场条件下获得了1.17 kA/cm2的束流密度，相比传统天鹅绒阴极，SiC纳米线阴极的宏观电稳定性、发射均匀性及运行寿命均得到显著提高；针对相对论返波管，研制基于螺旋水槽型的强流电子束收集极，克服了高比能和低流速的矛盾，耐受热流密度达到1012 W/m2，能够满足系统长脉冲、高重复频率运行要求。     

重复频率运行强流电子束收集极热特性

 针对一种返波管常规收集极,实测了电子束在收集极内表面的有效作用面积,以电子能量700 keV、束流7 kA和脉宽50 ns为例,计算了单脉冲时的热功率沉积和平均热流密度。利用通用有限元软件ANSYS,采用脉冲热源加载的方式,在对流换热系数7 000 W/(m²·℃)、水温20 ℃的条件下,得到了收集极10～100 Hz运行时温度历史曲线及温度分布,并比较了不同重复频率下收集极平衡温度与对流换热系数的关系。如果以300 ℃为气体发生显著热脱附的温度阈值,对流换热系数为7000 W/(m²·℃)时,能够满足重复频率50 Hz以下运行,而到100 Hz时,对流换热系数则需增加到10⁴ W/(m²·℃)。根据流体计算公式,给出了不同对流换热系数对应的水流流速。