磁绝缘电压叠加器功率流的电路计算方法

以已建成的10级直线变压器驱动源系统为依托,以传输线计算方法为基础,通过引入空间电荷限制流和磁绝缘流阻抗模型,对感应电压叠加(IVA)真空功率流的电路计算方法进行了探索,开发了包含磁绝缘过程的全电路计算程序,提供了一种快速评估该IVA系统真空功率流的方法。计算结果表明：对磁绝缘状态下流阻抗的描述是该方法准确计算的关键;解决好算法的数值稳定性,避免数值振荡的发生,是将这一方法推广应用的重要前提。     

一种磁绝缘传输线真空功率流的电路计算方法

介绍了基于电报方程的磁绝缘传输线真空功率流电路计算方法的基本原理,开发了相应的计算程序,对Angara-5-1装置4600发次实验进行了计算,电路模拟结果与实验结果符合较好,提供了一种新的计算磁绝缘传输线真空功率流的方法,分析了Angara-5-1装置磁绝缘传输线阻抗突变处损失电流随时间的变化规律,讨论了该方法与TLCODE和Bertha等电路模拟方法的区别,采用该电路模拟方法计算Angara-5-1等工作在超磁绝缘状态的脉冲功率装置,不仅能够保证计算精度而且提高了解的收敛性,使得对磁绝缘传输线损失电流的计算更加自洽。     

一种磁绝缘传输线真空功率流的电路计算方法

介绍了基于电报方程的磁绝缘传输线真空功率流电路计算方法的基本原理,开发了相应的计算程序,对Angara-5-1装置4600发次实验进行了计算,电路模拟结果与实验结果符合较好,提供了一种新的计算磁绝缘传输线真空功率流的方法,分析了Angara-5-1装置磁绝缘传输线阻抗突变处损失电流随时间的变化规律,讨论了该方法与TLCODE和Bertha等电路模拟方法的区别,采用该电路模拟方法计算Angara-5-1等工作在超磁绝缘状态的脉冲功率装置,不仅能够保证计算精度而且提高了解的收敛性,使得对磁绝缘传输线损失电流的计算更加自洽。     

欠匹配型磁绝缘感应电压叠加器次级阻抗优化方法

磁绝缘感应电压叠加器(MIVA)次级阻抗对脉冲功率驱动源和负载之间的功率耦合具有重要影响.基于稳态磁绝缘Creedon层流理论和鞘层电子流再俘获(re-trapping)理论,建立了负载欠匹配型MIVA电路分析方法,数值分析获得了MIVA输出参数(输出电压、阴/阳极电流和电功率)随负载欠匹配程度的变化规律.考虑阴极传导电流作为闪光X射线照相二极管的有效电流,建立了以MIVA末端X射线剂量率最大为目标的次级阻抗优化方法.获得了欠匹配型MIVA次级优化阻抗Z_(op)~*的变化规律:随着X射线剂量率对电压依赖程度提高,欠匹配型MIVA次级优化阻抗Z_(op)~*呈指数降低;负载阻抗越大,Z_(op)~*越大.     

磁绝缘传输线电路模拟与分析

结合磁绝缘传输线运行特征,阐述了磁绝缘传输线的电路模拟方法,开发了基于波过程的磁绝缘传输线电路模拟程序。探讨了磁绝缘传输线运行状态判断、运行阻抗、电子流损失等的物理描述,分析了不同物理模型对电路模拟结果的影响。结果表明：因阻抗过匹配所致电子流损失是Z箍缩装置磁绝缘传输线电路模拟中需重点关注的问题。建立在现有物理模型基础上的电路模拟是后验的,可为丝阵负载结构优化设计、负载电流和内爆特性评估提供参考,可满足磁绝缘传输线一级近似设计要求。但对未来更高电流参数下磁绝缘传输线的设计还需从试验和理论上深入理解磁绝缘现象和运行过程。     

磁绝缘传输线电路模拟与分析

结合磁绝缘传输线运行特征,阐述了磁绝缘传输线的电路模拟方法,开发了基于波过程的磁绝缘传输线电路模拟程序。探讨了磁绝缘传输线运行状态判断、运行阻抗、电子流损失等的物理描述,分析了不同物理模型对电路模拟结果的影响。结果表明:因阻抗过匹配所致电子流损失是Z箍缩装置磁绝缘传输线电路模拟中需重点关注的问题。建立在现有物理模型基础上的电路模拟是后验的,可为丝阵负载结构优化设计、负载电流和内爆特性评估提供参考,可满足磁绝缘传输线一级近似设计要求。但对未来更高电流参数下磁绝缘传输线的设计还需从试验和理论上深入理解磁绝缘现象和运行过程。     

100 GW快脉冲直线型变压器功率源

基于已经研制完成的100 kV/100 kA快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）原型模块,设计研制了输出电压/电流分别为1 MV/100 kA（功率为100 GW）的快脉冲LTD装置。装置由10级100 kV/100 kA快脉冲LTD模块串联而成,总储能为20 kJ,装置直径约1.5 m,长度约2.2 m。最终在85 kV充电电压下,二极管负载上获得的电流约为116 kA,电压约为1.1 MV,电压上升时间53 ns,电压脉宽146 ns,二极管阻抗约为9.4 。     

100 GW快脉冲直线型变压器功率源

基于已经研制完成的100 kV/100 kA快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）原型模块,设计研制了输出电压/电流分别为1 MV/100 kA（功率为100 GW）的快脉冲LTD装置。装置由10级100 kV/100 kA快脉冲LTD模块串联而成,总储能为20 kJ,装置直径约1.5 m,长度约2.2 m。最终在85 kV充电电压下,二极管负载上获得的电流约为116 kA,电压约为1.1 MV,电压上升时间53 ns,电压脉宽146 ns,二极管阻抗约为9.4 。     

磁绝缘传输线电流损失的计算方法

磁绝缘传输线电流损失的计算方法是丝阵Z箍缩电路模拟的关键问题之一。以传输线模拟方法TLCODE为基础,将磁绝缘传输线分成若干段有损传输线单元,每个单元由一段无损传输线及一个对地损失电阻组成,根据磁绝缘准则判断单元的磁绝缘状况,磁绝缘形成之前损失电流由空间电荷限制流与传导电流的定量关系来计算,磁绝缘形成之后则根据阻抗匹配关系及流动阻抗模型来计算;同时将丝阵负载内爆动力学方程与TLCODE表达式、流动阻抗方程进行耦合,可求解磁绝缘传输线、丝阵负载在电压脉冲作用下全时空域的动态响应特性。     

磁绝缘传输线电流损失的计算方法

 磁绝缘传输线电流损失的计算方法是丝阵Z箍缩电路模拟的关键问题之一。以传输线模拟方法TLCODE为基础,将磁绝缘传输线分成若干段有损传输线单元,每个单元由一段无损传输线及一个对地损失电阻组成,根据磁绝缘准则判断单元的磁绝缘状况,磁绝缘形成之前损失电流由空间电荷限制流与传导电流的定量关系来计算,磁绝缘形成之后则根据阻抗匹配关系及流动阻抗模型来计算;同时将丝阵负载内爆动力学方程与TLCODE表达式、流动阻抗方程进行耦合,可求解磁绝缘传输线、丝阵负载在电压脉冲作用下全时空域的动态响应特性。     

磁绝缘传输线电压的初步测量

针对快脉冲直线变压器驱动源装置上的真空磁绝缘传输线（MITL)电压测量的需求,开展了微分型电容分压器和电感分压器的设计、标定和实验。通过不同的电压值、负载阻抗的装置实验中探头输出结果的分析和比较,讨论了测量方法的可行性和适用范围。实验结果表明：微分型电容分压器能够应用于完全磁绝缘状态下的MITL电压测量,但容易受阴极电子发射的影响导致探头输出波形发生畸变。电感分压器受分布电容和电感的影响导致输出信号存在寄生振荡,采用波形重建的方法初步获得了合理的测量结果。     

电感支撑磁绝缘传输线的设计与初步实验

 为了研究电感支撑内筒对磁绝缘传输线(MITL)功率流传输的影响,设计了一套电感支撑的MITL及其诊断系统,对MITL各个位置电参数进行了测量,获得了MITL阴阳极电流波形和MITL电压波形。其中一发支撑前阴极电流为90.08 kA,支撑后阴极电流为93.88 kA,阴极电流传输效率为95.96%,多次实验传输效率平均值为92.8%,证实了电感支撑MITL的可行性。     

电感支撑磁绝缘传输线的设计与初步实验

为了研究电感支撑内筒对磁绝缘传输线(MITL)功率流传输的影响,设计了一套电感支撑的MITL及其诊断系统,对MITL各个位置电参数进行了测量,获得了MITL阴阳极电流波形和MITL电压波形。其中一发支撑前阴极电流为90.08 kA,支撑后阴极电流为93.88 kA,阴极电流传输效率为95.96%,多次实验传输效率平均值为92.8%,证实了电感支撑MITL的可行性。     

3 MV感应电压叠加器的磁感应腔研制

根据脉冲驱动源和负载参数,提出了3 MV感应电压叠加器磁感应腔的设计指标为1.2 MV/70 ns。由感应腔的电流传输效率和真空同轴线绝缘要求,确定了磁芯的几何尺寸;研制了矩形比为0.5的预退火非晶磁环,明确磁环数量不少于6只;在30 T/s时,实验测量的最大脉冲相对磁导率与饱和波模型计算结果相当;估算磁感应腔的等效激磁电感约为7.3 μH,涡流损耗电阻约为139 Ω。根据临界击穿场强的经验公式,采用电场数值分析方法,确定了磁感应腔的电气结构;实验验证了磁感应腔设计有效性;建立了基于磁感应腔的3 MV感应电压叠加器全电路模型,阳极杆箍缩二极管电压、电流计算波形,与实验结果基本相符。     

磁绝缘传输线的模拟设计与实验

对长距离磁绝缘传输线（MITL）的传输效率和结构变化带来的影响进行了评估。介绍了MITL稳态流与非稳态流理论,为了验证各种条件对传输效率的影响进行了粒子模拟,修改了MITL的结构并设计了若干对应的分解检验实验。通过准确测量同一位置的阴阳极电流和电压验证了Mendel层流理论公式。已完成的电感支撑阴阳极实验结果表明,使用合适量级电感型刚性弹簧对内外筒进行固定可以满足传输效率设计要求。     

感应电压叠加器驱动阳极杆箍缩二极管型脉冲X射线源

介绍了自行研制的用于闪光照相且基于感应电压叠加器和阳极杆箍缩二极管的X射线源的组成、结构和主要参数。输出电压3 MV的Marx发生器给阻抗7.8 Ω水介质脉冲形成线充电,产生脉宽约70 ns,电压约1 MV的高功率脉冲,经过峰化开关和预脉冲开关后分成3路馈入三级感应电压叠加器感应腔进行电压叠加,感应电压叠加器次级采用真空绝缘传输线,阻抗从40 Ω变成60 Ω,驱动阳极杆箍缩二极管,二极管阴极为石墨,阳极为直径1.2 mm的钨杆,石墨阴极产生的电子束在电流自磁场作用下发生箍缩,轰击阳极,产生小焦斑脉冲Ｘ射线。该装置在Marx充电电压为±35 kV时,二极管电压约2.0 MV,二极管电流约为50 kA,半高宽约80 ns;X射线半高宽约为40 ns,剂量约为28 mGy,焦斑约为0.95 mm。利用该X射线源拍摄到了炸药爆炸产生的层裂碎片不同飞行时间的图像。     

磁绝缘传输线的模拟设计与实验

对长距离磁绝缘传输线（MITL）的传输效率和结构变化带来的影响进行了评估。介绍了MITL稳态流与非稳态流理论,为了验证各种条件对传输效率的影响进行了粒子模拟,修改了MITL的结构并设计了若干对应的分解检验实验。通过准确测量同一位置的阴阳极电流和电压验证了Mendel层流理论公式。已完成的电感支撑阴阳极实验结果表明,使用合适量级电感型刚性弹簧对内外筒进行固定可以满足传输效率设计要求。     

感应电压叠加器驱动阳极杆箍缩二极管型脉冲X射线源

 介绍了自行研制的用于闪光照相且基于感应电压叠加器和阳极杆箍缩二极管的X射线源的组成、结构和主要参数。输出电压3 MV的Marx发生器给阻抗7.8 Ω水介质脉冲形成线充电,产生脉宽约70 ns,电压约1 MV的高功率脉冲,经过峰化开关和预脉冲开关后分成3路馈入三级感应电压叠加器感应腔进行电压叠加,感应电压叠加器次级采用真空绝缘传输线,阻抗从40 Ω变成60 Ω,驱动阳极杆箍缩二极管,二极管阴极为石墨,阳极为直径1.2 mm的钨杆,石墨阴极产生的电子束在电流自磁场作用下发生箍缩,轰击阳极,产生小焦斑脉冲Ｘ射线。该装置在Marx充电电压为±35 kV时,二极管电压约2.0 MV,二极管电流约为50 kA,半高宽约80 ns;X射线半高宽约为40 ns,剂量约为28 mGy,焦斑约为0.95 mm。利用该X射线源拍摄到了炸药爆炸产生的层裂碎片不同飞行时间的图像。     

4层圆盘锥形磁绝缘传输线的电流测量

为获取PTS装置磁绝缘传输线的电流,设计、标定了微分环。探头使用镍铬合金膜屏蔽空间电子,采用在线标定。设计相应的馈入结构从负载区分别对不同层磁绝缘传输线馈入信号,在每个三平板传输线出口的板堆过渡区位置安装短路杆,能够在磁绝缘传输线上得到基本均匀的电流,实现电流探头的逐层标定。频响分析表明金属膜屏蔽效应导致探头的高频特性变差。实验表明,贴膜的探头频响上限为50.3MHz,满足被测信号的要求。实测PTS装置磁绝缘传输线电流与负载区电流的测量结果自洽,且各层电流与总电流等结果符合理论预计。