螺旋线型脉冲形成线匝间击穿与输出波形的研究

针对螺旋线型脉冲形成线放电过程的匝间击穿问题,采用数值模拟的方法研究了影响螺旋线上轴向电场的因素,模拟结果表明：螺旋线的螺旋角越大、开关的上升沿越小、负载的阻值越小则越容易造成匝间击穿;针对输出波形的前沿上冲和下凹问题,通过数值模拟和实验方法研究了加速器内阻抗不匹配段对输出波形的影响,结果表明: 改变螺旋线与开关之间连接段的阻抗以及开关和二极管之间过渡段的阻抗,使之接近于螺旋线阻抗,并使电长度减小,可以消除波形的前沿上冲和下凹,得到近似方波的高电压脉冲输出。     

螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计与改进

 设计了长2.2 m、直径0.40 m、工作电压400 kV、脉宽200 ns的螺旋线型水介质脉冲形成线加速器,并进行了实验研究。为消除输出脉冲的前沿上冲和后沿拖尾现象,分析了脉冲形成线中的连接段与螺旋线阻抗的不匹配对输出波形的影响。用高分子材料加工了内径为10 cm,外径为18 cm的高阻抗环套在螺旋线与主开关之间的连接段上,使这一段的阻抗与螺旋线阻抗接近,并使其电长度减小,消除了前沿上冲,减弱了后沿拖尾,得到了上升沿约18 ns、下降沿约40 ns的近似方波高电压脉冲输出。     

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。     

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。     

水介质Blumlein型螺旋脉冲形成线的研究

 分析了螺旋线脉冲形成线脉宽加宽的原理,利用程序对Blumlein型螺旋脉冲形成线进行了模拟研究,模拟结果与理论分析得到的脉宽表达式吻合较好,并可以给出螺旋线中筒的电场和磁场分布。加工了一套Blumlein型螺旋脉冲形成线,并开展实验研究,解决了绝缘支撑耐压问题,得到充电电压550 kV,二极管电压500 kV,电流28 kA,半高宽128 ns的脉冲输出。     

水介质Blumlein型螺旋脉冲形成线的研究

分析了螺旋线脉冲形成线脉宽加宽的原理,利用程序对Blumlein型螺旋脉冲形成线进行了模拟研究,模拟结果与理论分析得到的脉宽表达式吻合较好,并可以给出螺旋线中筒的电场和磁场分布。加工了一套Blumlein型螺旋脉冲形成线,并开展实验研究,解决了绝缘支撑耐压问题,得到充电电压550 kV,二极管电压500 kV,电流28 kA,半高宽128 ns的脉冲输出。     

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。     

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。     

螺旋线型μs量级高压长脉冲形成线设计

详细介绍了一种螺旋线型μs量级高压长脉冲形成线的设计方案,率先将螺旋线的结构形式应用于μs量级高压长脉冲发生器设计。形成线的内导体为螺旋线,工作介质为去离子水,形成线的等效电容为41.25 nF,等效电感为6.06 μH,特性阻抗为12.1 Ω,输出脉冲宽度1 μs,最高充电电压1 MV,最大储能20.6 kJ,匹配状态下输出电压约500 kV。设计结果表明:与采用传统的单筒直线结构相比,在获取同等脉冲宽度的条件下,采用螺旋线结构可使脉冲形成线的长度缩短75%左右。     

负载回路电感对低阻抗脉冲形成线输出波形的影响

 介绍了一个基于带状脉冲形成线的低阻抗实验平台,针对该平台设计了两种不同类型结构的匹配负载,并分别进行了实验研究,得到了不同的输出脉冲波形,发现轨道结构的水负载具有很低的负载回路电感,适于作为低阻抗脉冲形成线的匹配负载。实验结果表明：在开关电感一定的情况下,负载回路电感是影响低阻抗形成线输出波形的决定性因素。对于0.5 Ω的带状脉冲形成线,只有将负载回路电感控制在30 nH以内,才能获得波形较好的输出脉冲,高压实验结果也验证了此结论。利用数值模拟的方法,分析了负载回路电感对不同阻抗形成线输出波形的影响,结果表明：随着形成线阻抗的增加,负载回路电感对波形的影响越来越小。     

负载回路电感对低阻抗脉冲形成线输出波形的影响

介绍了一个基于带状脉冲形成线的低阻抗实验平台,针对该平台设计了两种不同类型结构的匹配负载,并分别进行了实验研究,得到了不同的输出脉冲波形,发现轨道结构的水负载具有很低的负载回路电感,适于作为低阻抗脉冲形成线的匹配负载。实验结果表明：在开关电感一定的情况下,负载回路电感是影响低阻抗形成线输出波形的决定性因素。对于0.5 Ω的带状脉冲形成线,只有将负载回路电感控制在30 nH以内,才能获得波形较好的输出脉冲,高压实验结果也验证了此结论。利用数值模拟的方法,分析了负载回路电感对不同阻抗形成线输出波形的影响,结果表明：随着形成线阻抗的增加,负载回路电感对波形的影响越来越小。     

甘油介质在同轴形成线中的击穿特性研究

针对甘油介质在形成线中的应用,总结了甘油作为储能介质已开展的相关研究工作,并在缩比的同轴电极试件中进行了电极表面、磁场、耐压极性、含气量等条件对甘油介质击穿特性影响的实验研究。搭建了基于晶闸管控制的空心脉冲变压器升压实验平台,设计了浸没于脉冲磁场中的同轴电极击穿试件,实验平台最大输出电压500 kV,上升时间26 s,最大磁场1 T,可通过控制晶闸管的先后触发使击穿过程发生于准稳衡磁场中,并制作了外形一致、表面不同的砂纸打磨、羊毛抛光、金属电镀和非金属电镀四种电极。实验结果表明：甘油的击穿是没有极性的;1 T量级磁场对甘油介质的击穿特性无影响;不同电极表面微观形貌差异较大,使甘油介质具有不同的击穿特性,说明甘油击穿在电极表面的过程具有较大影响;充分的排气能减少甘油中直径较大的气泡,减少概率性的低击穿场强,击穿后产生的大量微小气泡会整体降低甘油的击穿阈值,使甘油的平均击穿场强降低。     

铁电-铁磁多铁性脉冲形成线特性

对“多铁性”脉冲形成线输出特性进行了研究。利用镍锌铁氧体-钛酸钡陶瓷复合多铁性材料制作了脉冲形成线。在不同的磁回路条件下得到了不同脉冲宽度的电脉冲方波,其中以高磁导率材料组合成的闭合磁回路得到了脉冲宽度约201 ns的方波输出。推算出脉冲形成线的相对介电常数接近2 000,相对磁导率大于1.4。基于有效磁导率的概念,分析了多铁性脉冲形成线几何构型对脉冲输出特性的影响。分析表明:平板状“多铁性脉冲形成线”的有效磁导率不仅取决于平板介质的磁导率,还取决于周围介质的磁导率,因而有效磁导率通常较小,其输出表现出明显的铁电性而只有“弱”的铁磁性;相比之下,同轴结构的“多铁性脉冲形成线”具有更高的有效磁导率,其输出可同时表现出强的铁电性和铁磁性,即更明显的“多铁性”。“多铁性脉冲形成线”有可能在紧凑型脉冲功率系统中获得应用。     

铁电-铁磁多铁性脉冲形成线特性

对"多铁性"脉冲形成线输出特性进行了研究。利用镍锌铁氧体-钛酸钡陶瓷复合多铁性材料制作了脉冲形成线。在不同的磁回路条件下得到了不同脉冲宽度的电脉冲方波,其中以高磁导率材料组合成的闭合磁回路得到了脉冲宽度约201 ns的方波输出。推算出脉冲形成线的相对介电常数接近2 000,相对磁导率大于1.4。基于有效磁导率的概念,分析了多铁性脉冲形成线几何构型对脉冲输出特性的影响。分析表明:平板状"多铁性脉冲形成线"的有效磁导率不仅取决于平板介质的磁导率,还取决于周围介质的磁导率,因而有效磁导率通常较小,其输出表现出明显的铁电性而只有"弱"的铁磁性;相比之下,同轴结构的"多铁性脉冲形成线"具有更高的有效磁导率,其输出可同时表现出强的铁电性和铁磁性,即更明显的"多铁性"。"多铁性脉冲形成线"有可能在紧凑型脉冲功率系统中获得应用。     

充电不均匀对脉冲形成系统输出方波脉冲平顶的影响

在对脉冲形成线进行充电时,由于充电时间较短,以及形成线具有一定的长度,往往会使得充电电压在脉冲形成线上存在一定的不均匀性,从而影响到负载输出电压。对此进行了理论和模拟研究,分析了引起充电不均匀的原因和机制;在此基础上,通过求解不均匀充电初始条件下的电报方程,得到负载输出电压,并进行了模拟。结果表明,充电不均匀会引起负载输出电压平顶的起伏。     

电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程

从T模型等效电路出发,在等效电路中磁化电感两端的电压在形成线等效电容充电到第一个峰值之前变化较小这一假设之下,推导了电容器通过变压器对脉冲形成线充电的解析表达式,给出了考虑回路存在电阻和杂散电感下的表达式。最后利用电路模拟来验证解析表达式,结果表明:给出的解析表达式能够较好地分析电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程;在形成线充电的第一个半周期内,解析理论得到的结果与模拟结果比较吻合,在原边电容和形成线等效电容可比较的情况下,从变压器耦合系数较低（不超过0.7）到耦合系数接近于1的情况都适用。     

脉冲功率装置的脉冲形成单元研究

介绍了所研制的脉冲功率装置的组成、脉冲形成单元的设计以及脉冲形成单元实验研究结果。研究了包含脉冲形成线的绝缘设计校验、装置的脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关的抖动的关系。实验结果表明：在3.6 MV脉冲电压作用下,脉冲形成线的前后尼龙隔板未出现表面闪络等绝缘问题,脉冲形成线的绝缘满足设计要求。主同步开关的抖动1.6 ns,脉冲输出开关的抖动小于3.1 ns,脉冲形成单元的整体抖动小于3.0 ns,满足装置同步性能要求。