便携式脉冲形成线设计与实验研究

采用聚酯薄膜为绝缘材料,设计了一种小型化便携式层绕Blumlein线,其主要特点是采用S型层绕的方法对薄膜介质平板Blumlein线进行绕制,使形成线的体积小,结构紧凑,有利于脉冲功率源小型化、实用化的发展。其集成了薄膜电容器易卷绕、耐高压、储能强的优势,同时具备了传输线的特点。采用气体火花间隙开关,对S型薄膜介质脉冲形成线的耐压特性及负载输出波形进行了实验研究。结果表明:开关的导通特性对脉冲形成线的负载输出波形有很大的影响,开关电感及开关抖动等因素会影响脉冲波形的前后沿,使输出脉冲方波波形质量变差。采用PSpice软件对实验等效电路进行了模拟,得到了与实验一致的结果。设计的Blumlein线体积为50 cm18 cm12 cm,承载电压50 kV,负载输出脉冲上升沿50 ns,平顶宽度120 ns。     

气体开关对多级脉冲形成线输出波形的影响

为了提高脉冲形成线的输出耐压,采用组叠的方式将多个单级脉冲形成线进行串叠,可实现脉冲功率系统的小型化设计。基于多级薄膜介质线脉冲形成叠加技术,研究了气体火花间隙开关对多级脉冲形成线输出波形的影响。介绍了开关的设计原则,分析了开关抖动、开关电感、开关电阻对多级脉冲形成线输出特性的影响,并且从实验上研究了开关的导通特性对脉冲形成线输出波形的影响。实验结果表明:开关抖动会引起脉冲输出波形平顶时间减小,并且开关触发抖动会引起绝缘介质上的过电压条件,从而影响系统的绝缘设计;开关电感会使脉冲前沿变缓,平顶宽度变窄,后沿存在扭曲变形,存在拖尾现象;开关电阻的存在会降低输出效率。     

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF₆气体绝缘等设计,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW,峰值功率密度大于150 GW/m3,实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50 ns以下,脉宽约130 ns。     

螺旋型薄膜介质平板Blumlein线实验

 为实现脉冲功率源小型化,设计了一种螺旋形薄膜介质Blumlein线,应用火花隙开关对其进行了放电实验研究,并对负载电压波形进行了分析。结果表明,开关电感会减缓脉冲前沿,电极直流阻抗使得负载输出电压效率显著降低,波形平顶趋于减小,分布电容耦合造成负载电压的预脉冲,而均压层不会影响传输特性,不会对负载电压波形造成影响。     

4MV/80kA IVA型脉冲X射线照相装置研制进展

介绍了西北核技术研究院研制的4 MV脉冲X射线闪光照相装置("剑光二号")系统组成和实验结果。装置基于感应电压叠加器(IVA)驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术,主要由前级脉冲功率源、感应电压叠加器和RPD等组成。前级脉冲功率源由两台3.2 MV低电感Marx发生器和四路同轴水介质线组成。每台Marx同时给两路脉冲形成线(特征阻抗6Ω、电气长度30 ns)充电,充电峰值时间约370 ns。每路水介质线采用两级脉冲压缩,为感应腔馈入约1 MV/160 kA/60 ns电脉冲。电触发SF6气体开关、自击穿水开关分别用作主同步开关和脉冲陡化开关。感应电压叠加器采用四级1.5 MV感应腔串联,每级感应腔采用单点馈入结构。次级采用真空绝缘传输线实现电压叠加和功率传输,特征阻抗由30Ω线性增大至120Ω。采用4 MV电压下综合性能较优的RPD来产生强脉冲X射线。装置目前达到技术指标:输出电压4.3 MV、脉冲前沿(10%~90%)21 ns、半高宽约70 ns、二极管电流85 kA,X射线半高宽约55 ns,整机延时(从Marx触发器输出到X射线产生)约749 ns,标准偏差约7 ns。当RPD阳极采用直径2 mm钨针时,正前方1 m处剂量约15.5 rad(LiF),正向焦斑约1.4 mm。     

螺旋脉冲形成线实验研究

 设计了一种用于长脉冲功率源研究的Blumlein型螺旋脉冲形成线。该形成线主要是将铜带绕在绝缘衬筒上形成螺旋形结构，以蓖麻油为介质，匝数为3.5匝每m，充电时间为1 μs，负载为电子束二极管。给出了形成线参数的理论计算公式以及实验研究结果。在300 kV脉冲功率源上得到的脉冲延迟为200 ns，特征阻抗约100 Ω，形成的脉冲半高宽为180 ns，前沿15 ns，平顶宽度150 ns。实验证明该螺旋脉冲形成线结构能够有效地延长形成脉冲的宽度。最后分析了开关电感、充电时间以及螺旋形结构对形成线输出脉冲前沿及平顶畸变的影响。结果表明：较小的主开关电感是形成较陡的脉冲前沿的关键，获得好的脉冲波形应选择适当的充电周期，螺旋形结构容易导致色散产生，需要选取适当的螺旋角。     

基于弧形PFN的长脉冲功率源研制

设计了基于弧形Blumlein 脉冲成形网络(Blumlein PFN)的LTD型重复频率长脉冲功率模块。该模块将四路阻抗均为24 的弧形Blumlein PFN对称分布在LTD外筒圆周上,连接于LTD的初级绕组上,并采用两个激光触发放电开关同步驱动,整个脉冲功率模块结构紧凑,缩短了高压馈线和开关引线长度,有利于形成良好脉冲波形。在此基础上研制了两模块重复频率长脉冲功率源,实验结果表明,研制的长脉冲功率源在5 Hz重频运行时假负载上输出脉冲幅值约为260 kV,脉冲功率达到5.2 GW,脉冲宽度约170 ns。     

薄膜介质层绕式Blumlein线理论与实验研究

对薄膜介质层绕式Blumlein线的特性参数进行了理论分析。采用Pspice软件对电路模型进行了计算,分析了开关电感、寄生电阻对负载输出波形的影响。结果表明:开关电感的存在使得负载波形前沿变缓,后延波形扭曲变差,寄生电阻会影响负载的电压输出效率。采用模拟软件对传输线中的电磁场分布进行了计算,结果表明薄电极边缘场畸变以及折叠弯曲部分的场变化是绝缘介质耐压必须考虑的因素。基于此理论分析,设计制作了一种新型薄膜介质Blumlein线,绝缘材料为聚酯薄膜,单层薄膜厚100μm,电极为厚50μm的铜皮,单元模块设计耐压50 kV。进行了三级模块串联叠加实验,充电25 kV,匹配负载输出60 kV,脉冲上升沿80 ns,脉冲宽度200 ns。     

卷绕式螺旋形薄膜介质脉冲形成线设计

采用模块化结构,设计了一种卷绕式螺旋形薄膜介质脉冲形成线,并且对绝缘材料、电极材料的选择依据进行了分析。基于模块化卷绕式脉冲形成线,研制的重复频率脉冲方波产生器采用4个开关同步触发四级形成线模块,从而实现多模块的电压串联叠加,以达到产生高压的目的。开关采用气体火花间隙开关,每级开关及充放电采用电感隔离。研制的脉冲产生器输出电压220 kV,脉冲宽度182 ns,前沿50 ns,可10 Hz重复频率稳定运行。     

高介电常数复合介质固态Blumlein线初步研究

高介电常数复合介质固态Blumlein线可能作为一种新的紧凑、轻便的脉冲功率源，应用前景广阔。复合介质克服了陶瓷难加工的缺点，可浇铸成型，方便加工，还可做成薄膜，而且电性能更优异。文中利用国内正在研制的高介电常数复合介质和GaAs光导半导体开关（GaAs-PCSS），开展了带状Blumlein线的设计和实验研究。     

折叠型平板Blumlein线高功率微波驱动源

 介绍了一种使用折叠型平板Blumlein线为主体的紧凑型高功率微波驱动源,Kapton薄膜和纯净变压器油分别作为折叠型平板Blumlein线的传输线介质和绝缘介质,Blumlein线的整体尺寸为1.00 m×0.40 m×0.15 m。采用一个特征阻抗大约是12 W的C波段磁绝缘振荡器作为高功率微波源。折叠型平板Blumlein线传输的能量可以使磁绝缘振荡器的阴极发射出电压550 kV,电流40 kA ,脉宽90 ns的电子束,从而产生峰值功率350 MW,脉宽40 ns的高功率微波。     

基于超导储能脉冲变压器的多模块脉冲电源设计

为了探索一种更加紧凑的导轨型电磁推进基础实验用脉冲电源,以实验室现有高温超导储能脉冲变压器为单元模型,在单谐振电路脉冲成形方案的基础上,设计了环形结构的多模块脉冲电源,分析了环形结构中考虑互感的多模脉冲电源电路的充放电过程。通过对八模块环形结构脉冲电源进行仿真分析,得到了接近150kA的电流脉冲,原边电压限制13kV左右。可以得出,利用单谐振电路的多模块超导储能脉冲变压器并联放电方式,可以实现大电流脉冲的输出的要求,而且环形结构中各线圈存在的互感更有利于多模块脉冲电源。     

Geometrical optimization of a surface DBD powered by a nanosecond pulsed high voltage

In this study, surface Dielectric Barrier Discharge (DBD) actuators powered by nanosecond pulsed high voltage are investigated. The goal is to experimentally characterize the surface DBD actuators in terms of electrical and geometrical parameters.The actuators are made of two conducting electrodes separated by a thin dielectric (Kapton films) and arranged asymmetrically. The active electrode is connected to a pulsed high voltage power supply (voltage up to ±10 kV, rise and fall times of 50 ns and pulse width of 250 ns) and the second electrode is grounded.The experimental results show that the energy per pulse (normalized by the length of the active electrode) is smaller when one increases the inter-electrode spacing between 1 and 3 mm, the thickness of the dielectric barrier between 120 and 360 μm or the length of the electrodes between 10 and 50 cm, for both applied voltage polarities.Optical characterization of the plasma layer for different electrode gaps has been investigated by using an ICCD camera. Results indicate that the plasma produced by positive and negative rising voltage propagates in a streamer-like regime with numerous and well-distributed channels, for any electrode gap distance. However, the positive and negative falling voltage produces similar discharges only for large electrode gaps. In this case, the plasma layer starts from a corona spot in contact with the active electrode and expands in the direction of the grounded electrode in a plume shape.     

微秒脉冲下碳酸丙烯酯的击穿特性

采用紧凑Tesla变压器型脉冲功率驱动源及球电极击穿试件,通过改变初级充电电压,开展了微秒级充电条件下碳酸丙烯酯及其与碳酸乙烯酯的混合液的击穿实验研究。由结果和分析可知:碳酸丙烯酯理论工作温度可低至-55℃,这意味着它可以成为一种低温下的良好液体电介质;碳酸丙烯酯耐压性能与去离子水相当,且实测电阻率达到了10 MΩ·cm以上;向碳酸丙烯酯中添加碳酸乙烯酯后,介电常数可提高至80以上,耐压强度也有所提升;将碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯混合液用于脉冲形成线作为储能介质无需附加去离子处理系统,有利于装置的紧凑化和小型化。     

模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明:此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明:电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

 设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

基于光导开关及层叠Blumlein线的纳秒脉冲源

设计了一台层叠Blumlein线型脉冲功率源。该脉冲源以平板型Blumlein线为储能器件,使用4个GaAs光导开关作为脉冲形成开关,通过4级Blumlein线层叠结构以获得更高输出电压。分别使用10 mm及3 mm间隙光导开关进行实验,比较了PSpice电路仿真与实验结果。实验测试显示,10 mm开关充电23.5 kV时上升沿较大,可能的原因是偏置电场较低时开关导通时间较长。测试了不同工作电压下功率源的输出电压,结果显示:在10 mm间隙开关条件下,充电23.5 kV时,负载上得到了53 kV的高压脉冲输出;3 mm开关充电13.9 kV时输出电压39.4 kV,输出效率70%。实验结果表明, 随着工作场强的提高,电压输出效率呈现先下降后上升最终趋于饱和的趋势。     

高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化技术研究进展

传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节,同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题,课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式,并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展,包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置:同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20 GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状,为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。     

紧凑小型脉冲功率源ARC-01/02及其应用

脉冲功率技术的重要发展方向是高功率密度、紧凑小型化和高稳定可靠。液体介质由于具有绝缘强度高、易流动、快恢复、散热性好等方面的特点,广泛应用于脉冲形成线型紧凑小型脉冲功率源的电容储能器件作为储能介质。主要围绕紧凑小型脉冲功率源ARC系列的技术难题,开展了关键技术、系统研发及其工程应用等方面的工作。首先,提出了基于液体介质和慢波结构的形成线,采用场均匀和绝缘配合技术,研制出紧凑小型脉冲功率源ARC-01和ARC-02,输出功率1～2 GW、脉冲宽度5～30 ns、重复频率1～100 Hz,紧凑化水平较国际先进同类装置最多提高了2倍。之后,以凑小型脉冲功率源为核心搭建液体介质击穿测试平台,针对变压器油、蓖麻油、甘油、碳酸丙烯酯等常见液体介质,开展了微秒脉冲击穿特性研究,采用统计分析方法建立了数据库,以“小成本”换取“高可靠性”;并采用超高速光学诊断方法,将击穿瞬间流注、冲击波、亚微观断裂面产生、传播、截止过程与张力理论结合,建立了液体介质击穿物理模型。最后,成功将紧凑小型脉冲功率源应用于驱动宽带/窄带微波产生、碳纤维阴极稳定性及寿命测试。