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。     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

 建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。     

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。     

1KHz,30KV磁脉冲调制器

本文介绍一台小型磁脉冲调制器的实验。实验已得到30kV以上,上升时间15ns,半高宽50ns的较好输出波形。该系统以猝发脉冲方式工作。脉冲串重复率为1Hz,脉冲重复率大于1kHz,串内脉冲数为10。实验的初步成功标志着建造高功率磁脉冲调制器完全可能。     

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。     

结构紧凑陶瓷电容器型脉冲调制器

设计了一种结构紧凑的陶瓷电容器型脉冲调制器,对其电路进行了理论计算,分析了主要参数对调制器输出波形的影响,并用PSpice软件建立电路模型进行验证,模拟结果与理论计算结果相符较好。该调制器能够产生上升前沿小于10 ns、脉宽30~40 ns、幅度为100~200 kV的可调高电压脉冲。该调制器用陶瓷电容器作为储能器件,用SF6作为绝缘介质,是一种无液体的脉冲调制器,具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点。     

“闪光二号”加速器适应性改造北大核心CSCD

针对系统电磁脉冲效应研究需求,项目组对"闪光二号"加速器进行了适应性改造,以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构,重点进行了水开关设计,并完成了实验调试。装置输出电压650kV^1.3 MV稳定可调,脉冲宽度60ns,前沿由改造前的80ns缩短至改造后的30ns,在国内首次成功驱动串级二极管,产生前沿29ns、射线宽度约53ns的脉冲硬X射线。     

全固态电感储能形成线纳秒短脉冲功率调制器北大核心CSCD

全固态电感储能型脉冲形成线调制器是实现高重复频率、电压高增益和短脉冲输出的一种全新方案。但开关非理想的动态特性和传输线固定的物理空间尺寸限制,难以实现高压短脉冲的产生和调控。为解决上述难题,通过电磁场分析建立了碳化硅场效应器件开关驱动模型,发现高速驱动和开关器件低寄生参数能有效改善开关动态特性,提出了板上高速开关及驱动集成设计解决方案。基于波过程分析和多开关时序逻辑控制理论,提出多开关削波电路拓扑方法和主动负载阻抗调制技术。实验结果表明,该调制器可产生上升时间2.1 ns,下降时间3.5 ns,脉冲宽度5.1 ns的方波短脉冲,并且脉冲宽度5~20 ns连续可调。10级叠加后验证了调整器高压能力,初级储能充电电压25 V时,电压增益可达336倍,重复频率200 kHz。     

紧凑型脉冲形成网络的优化设计

利用PSpice软件,在考虑互感的情况下对直线型、L型和U1型结构的脉冲形成网络进行电路仿真,同时采用瞬态场路同步协同仿真方法对5种不同连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真,并对这5种不同连接结构的脉冲形成网络进行实验,实验结果显示:5种不同结构脉冲形成网络的输出波形的上升沿约为45 ns;U1,U2型和U3型结构的脉冲形成网络输出脉冲的半高宽分别为166,158和154 ns,且其平顶处存在较大波动。将电路和瞬态场路同步协同方法得到的仿真结果和实验结果进行分析和比较,结果表明:瞬态场路同步协同仿真方法能很好地模拟脉冲形成网络的工作过程和输出波形,实验中的匹配负载和开关电感都要比仿真中的大,U型结构脉冲形成网络有利于实现脉冲功率源系统结构的紧凑化和小型化。     

折叠型螺旋长脉冲调制器的实验研究

对折叠型同轴螺旋脉冲调制器开展了研究,该调制器将螺旋线与折叠线两种产生长脉冲的技术相结合,使得调制器结构更为紧凑。利用求解电报方程的方法,对调制器负载电压进行了解析求解,利用PSpice软件进行了仿真研究。最后在高压情况下开展了实验研究,开关导通电压720 kV时,在负载上得到了电压360 kV,电流24 kA,脉宽264 ns的高压脉冲,装置设计达到了预定指标要求。     

快脉冲高电压大电流测量探头标定方法

基于脉冲形成原理提出了一种快脉冲高电压大电流测量探头的在线标定方法。利用闪光二号加速器输出线和二极管作为脉冲形成线,结合研制的低电感开关和负载,产生一个前沿小于3 ns、脉宽20 ns的准方波,对二极管电压测量探头微分型电容分压器和电流测量探头微分环进行了在线标定,得到测量探头在实际使用环境中的时间响应小于4 ns。该方法消除了非在线标定环境和实际环境无法统一对标定结果的影响,可推广应用于传输线型脉冲功率装置的探头标定。     

一种测量脉冲高电压的电容分压器

 研制一种测量脉冲高电压的电容分压器, 该分压器对方波脉冲的响应时间为2.8ns。已用它测量Tesla变压器型强流电子束加速器的主开关导通的脉冲电压和Tesla变压器的谐振特性曲线。     

CMOS电路瞬态辐照脉冲宽度效应的实验研究

 在“强光一号”加速器上,对两种CMOS反相器和一种CMOS存储器进行了长脉冲状态和短脉冲状态下的辐照实验,测量了CMOS电路的瞬时辐照效应规律,得到了CMOS电路辐射损伤阈值与脉冲宽度的关系,分析了CMOS电路在不同脉冲宽度下的效应差异。实验结果表明：CMOS电路的辐射损伤阈值随脉冲宽度的增加而降低,在20 ns的脉冲宽度辐照下,CMOS反相器4007和4069的闩锁阈值大约为150 ns脉冲辐照下的2倍,CMOS存储器6264的翻转阈值在20 ns脉冲宽度辐照下为150 ns脉冲宽度辐照下的3倍。     

Simple electro-optic technique to generate temporally flat-top laser pulses

A simple technique is presented to generate temporally flat-top shaped laser pulses using electro-optic modulator (Pockels cell). It involves splitting of input laser pulse into two halves of equal intensity and then stacking together with appropriate optical delay to get a temporally flat-top laser pulse. It also allows generation of other pulse shapes by varying the relative intensity, delay, and phase between two halves of the input laser pulse. Temporally flat-top laser pulses of duration ~ 9 ns have been generated using ~ 7 ns duration incident laser pulses from a flash lamp pumped Q-switched Nd:glass laser oscillator. The rise and fall-time of the shaped pulse is limited by speed of electro-optic switch (Pockels cell), which is ~ 2 ns in the present case.     

短脉冲高剂量率γ射线源技术研究

 介绍了“强光一号”加速器产生宽度约20 ns的高剂量率脉冲γ射线的工作过程;分析了短脉冲γ射线源二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能;说明了等离子体断路开关的工作特性;阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则与设计参数。给出了不同短脉冲γ射线源的实验结果,得到了3种辐射参数：脉冲宽度约20 ns,辐射面积为2,30和100 cm²时,相应的辐射剂量率为10¹¹,0.7×10¹¹和10¹⁰ Gy/s。     

高频高变比脉冲变压器耦合固态刚管调制器

调制器输出脉冲宽度存在两种模式,输出脉冲宽度为10μs时,工作频率0~8kHz可调,输出脉冲宽度为200μs时,工作频率0~400Hz可调。为了实现了调制器的小型化,初级电压设计为700V,初级储能电容可采用高储能密度的电解电容,且可降低绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联的风险,次级输出电压为70kV,采用变比为100的脉冲变压器。概述其各个组成部分及其工作原理,重点对IGBT固态开关的驱动、保护电路、损耗和吸收回路进行了分析讨论,并对高变比的变压器进行了理论分析。对调制器进行了实验测试,脉冲前沿2.2μs,脉冲后沿1.65μs,过冲小于7%,脉冲顶降小于1%。     

单模块直线变压器脉冲前沿

 从理论上对直线变压器驱动源（LTD）输出脉冲波形的前沿进行了分析,研究了不同前沿畸变情况下对应的电路参数,并给出了计算方法,得到了相对电压和相对时间的关系曲线。根据理论分析设计了单模块LTD,并根据设计参数进行了数值模拟,模拟得到的输出脉冲前沿约30 ns、平顶约130 ns、幅值约125 kV。最后进行了单模块LTD实验,测得输出脉冲前沿约35 ns、平顶约130 ns、幅值约125 kV的输出脉冲,与模拟结果基本一致。由于负载不完全匹配等因素的影响,波形后沿较差且有振荡,但仍符合设计要求。