介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为:陶瓷介质长度300mm,宽度15mm,厚度1mm;银电极长度280mm,宽度2mm。电性能参数为:相对介电常数约23.5,特征阻抗约26Ω,电长度约4.5ns,直流耐压场强大于20kV/mm,在μs量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23kV。     

Application of dielectric ceramics on solid-state pulse forming lines

开展了固态脉冲形成线相关材料的研究,基于脉冲形成线的特性参数与材料介电性能之间的关联性,可实现固态脉冲形成线材料的筛选和评估.对不同类型材料介电性能的比较和固态脉冲形成线性能的分析表明:介电常数可调的微波陶瓷是制备固态脉冲形成线较为理想的材料.以Ba-Nb-Ti微波陶瓷制备的同态脉冲形成线可获得高压脉冲前沿5～6 ns,脉宽为13 ns,脉冲平顶为5～6 ns,击穿场强超过17.5 kV/mm.     

陶瓷介质在固态脉冲形成线中的应用

开展了固态脉冲形成线相关材料的研究,基于脉冲形成线的特性参数与材料介电性能之间的关联性,可实现固态脉冲形成线材料的筛选和评估。对不同类型材料介电性能的比较和固态脉冲形成线性能的分析表明:介电常数可调的微波陶瓷是制备固态脉冲形成线较为理想的材料。以Ba-Nb-Ti微波陶瓷制备的固态脉冲形成线可获得高压脉冲前沿5~6 ns,脉宽为13 ns,脉冲平顶为5~6 ns,击穿场强超过17.5 kV/mm。     

玻璃陶瓷Blumlein线的传输特性

研究了以不同电极宽度的玻璃陶瓷平板传输线所搭建的Blumlein线传输特性。为获得高压快脉冲输出,实验采用了正失配负载以及通过激光二极管触发的高工作场强光导开关。在几种不同电极宽度的平板Blumlein脉冲形成线实验中获得了具有平顶的脉宽9ns的高压脉冲,脉冲幅值可达20kV以上;由于开关偏置电压较低,导致开关内阻变大,输出效率变低。     

基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源

针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络（PFN）储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5?上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶（90%～90%） 74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84?负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。     

高介电常数复合介质固态Blumlein线

 以陶瓷聚合物复合介质作为储能介质,砷化镓光导半导体开关作为开关,设计了带状Blumlein线并对其进行了实验研究。实验结果表明,复合介质Blumlein介电常数高达80～250,在21 Ω的匹配负载上获得电压幅值为2 kV,前沿小于5 ns,半高宽约34 ns,波动约±1%的平顶宽为22 ns的电压脉冲,能满足脉冲功率系统小型化的应用要求。     

脉冲形成网络的设计与实验研究

 采用陶瓷无感电容器作为储能介质,设计了一种低阻抗高储能密度的中等高压脉冲形成网络。该脉冲形成网络采用无感陶瓷电容器作为储能介质,每一个电容器的容值为1.7 nF。电容器采用相对介电常数较高的钛酸钡作为材料,单个电容器的直径为6 cm、高度为4 cm,该电容器在变压器油中的工作电压可以达到50 kV。实验结果表明,设计的单线型中等高压脉冲形成网络可在1 Ω的匹配负载上获得半高宽220 ns,前沿为40 ns的高压脉冲,能很好满足脉冲功率系统小型化的应用要求。实验研究还表明,设计的低阻抗Blumlein型脉冲形成网络,在工作电压为44 kV时可在2.5 Ω的低阻抗负载上获得脉宽230 ns,前沿约为50 ns的脉冲。     

玻璃-陶瓷脉冲形成线的充放电特性

采用熔融-快冷-可控结晶工艺，制备了(Pb，Sr)Nb₂O₆-NaNbO₃-SiO₂大尺寸玻璃陶瓷，开展了其介电性能以及脉冲充放电特性研究。实验结果表明:该玻璃陶瓷材料的介电常数约为340，具有良好的温度稳定性和正的偏压特性。基于该材料制备的固态脉冲形成线输出脉冲脉宽约为89 ns，具有良好的脉冲平顶和窄的上升沿。在19 kV充放电电压、1 kHz的充放电频率、4 kA的放电电流条件下，固态脉冲形成线充放电寿命大于100万次。     

PCB板折叠形成线模块设计与实验

采用FR-4型PCB板材为传输介质,设计了一种五条线并联的形成线模块。为优化形成线电场分布,绝缘介质层内部嵌有屏蔽电极,分析得到内嵌导体对形成线的特征参量以及传输特性无影响;形成线绝缘介质层厚度为4 mm,耐受电压超过200 kV,根据绝缘寿命公式分析,形成线可以在50～80 kV长时间工作;将PCB板折叠线通过并联以及封装组成形成线模块,外观尺寸为700 mm550 mm40 mm,特征阻抗为5.35 ,通过搭建Blumlein装置进行实验,在充电50 kV条件下,测得输出电压为45 kV,脉冲半高宽140 ns,平顶宽度75 ns,前沿65 ns。     

一种100 kV Mini-Marx发生器触发源的设计

根据100kV Mini-Marx脉冲发生器对触发源的技术要求,设计了一种基于VE4141型氢闸流管气体开关器件的高压脉冲触发源。该触发源系统输出高压脉冲幅度达到0～30kV、脉冲前沿小于15ns、脉冲宽度大于500ns,不仅可以接收光、电和手动信号触发,而且还可以通过接口来控制调整100kV Mini-Marx发生器的充电电压以及电压显示。采用固态IGBT半导体开关器件产生预触发和主触发脉冲,控制气体开关氢闸流管VE4141瞬间导通放电输出高压脉冲信号,触发后级Mini-Marx脉冲发生器产生不小于100kV的高压脉冲。     

Compact 1000 pps high-voltage nanosecond pulse generator

A compact high-voltage nanosecond generator is described with pulse repetition rate of up to 1000 pps. The generator includes a 30-Ω coaxial forming line charged by a built-in Tesla transformer with high coupling coefficient, and a high voltage (N₂) gas gap switch with gas circulating between the electrodes. The maximum forming line charge voltage is 450 kV, the pulse duration is ~4 ns, and its amplitude for a matched load is up to 200 kV. The generator has been applied to create powerful sources of ultrawide-band electromagnetic radiation and nanosecond microwave pulses     

S型平板折叠脉冲形成线特性分析

以FR-4环氧玻璃纤维布为介质材料,研制了一种S型平板折叠式固态脉冲形成线。从理论上和实验上分析了脉冲形成线的放电过程。重点研究了边缘特性对其特性阻抗的影响,给出了改进的特征阻抗表达式; 分析了相邻效应和集肤效应对脉冲形成的影响,给出了脉冲波形中出现高频噪声的原因; 实验上验证了使用寿命与外加电场的关系。采用多级折叠线串并联模块化技术,提高了模块电压,降低了特性阻抗,研制了一种基于串并联技术的Blumlein线模块。该模块的耐压大于120 kV,特性阻抗约为7 Ω,脉冲宽度为138 ns。     

皮秒脉冲功率技术理论模型及其优化设计

为了产生100~500 ps,200~500 kV,1~10 kA数量级的皮秒放电脉冲,建立了一个皮秒脉冲发生器理论模型,并提出利用增益系数极值法,确定其最大兼容工作点,相对于纳秒脉冲成形线,皮秒脉冲成形线实现了90%,70%,85%的归一化电压增益、能量增益和放电功率增益。为了最大限度地降低皮秒脉冲成形线的载压时间,提高系统的绝缘安全因子,利用华罗庚0.618优算法,设计了电压传输系数。在纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线阻抗比值等于1.63条件下,在4倍和6倍皮秒脉冲成形线时间之内,归一化电压增益、能量增益和放电功率增益就可以分别达到94%,72%,89%与99%,53%,97%。     

基于磁开关和带状线的长脉冲超低阻抗脉冲发生器(英文)

设计了一台基于磁开关和带状线的超低阻抗长脉冲脉冲发生器。设计输出脉冲电压20kV,电流40kA,脉宽230ns,由初级储能系统、脉冲变压器、磁开关、带状脉冲形成线、轨道开关和负载组成。脉冲发生器的关键设备是40kV级磁开关,它能将40kV,10μs的脉冲压缩为40kV,2μs的脉冲;超低阻抗卷绕型带状脉冲形成线,其特性阻抗0.5Ω,电长度115ns,由铜带和聚酯薄膜卷绕而成,为全固态化脉冲形成线。在大功率匹配负载上得到了电压17.8kV,电流35.6kA,脉宽约270ns的准方波脉冲。实验结果与理论计算及数值模拟结果基本一致。     

快脉冲直线型变压器驱动源同步触发系统

提出了一种基于单传输线脉冲成形技术的模块化快脉冲直线型变压器驱动源的同步触发系统的概念设计,主要由级数较少的Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线及触发引出电缆等组成。利用等效电路模型,研究了Marx发生器与脉冲形成线的配合关系,当发生器同时驱动多路形成线时,可以有效增加触发脉冲的数量,并能提高能量利用效率,但触发脉冲的幅值会降低。研究了水介质线阻抗与引出电缆数量对触发脉冲的影响,结果表明:随着电缆序号的增加,触发脉冲的幅值逐渐降低,并且水介质线的阻抗越高,幅值降低的速度越快。触发脉冲也可同时引出,驱动单路形成线输出60路时,触发脉冲的峰值约为293 kV,前沿约11 ns;当驱动5路形成线输出300路时,触发脉冲的峰值约为151 kV,前沿约11 ns。     

百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100 kV,峰值功率250 MW,重复频率1~100 Hz,输出脉冲宽度约4 ns,前沿约1 ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500 ns降低至150 ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。