亚纳秒脉冲高电压测量探头

为测量紧凑型快前沿高电压脉冲源的输出电压,设计了D-dot电压探头。分别进行了刻度因素标定和频响标定,采用前沿约50 ns的高压脉冲信号对探头进行在线标定确定探头的刻度因素。将探头安装在阻抗为50 的传输线上,用亚纳秒脉冲源进行频响标定,表明该探头的响应约为150 ps。高压实验结果表明该探头能够正确获取高电压快脉冲信号,工作稳定可靠。

     

4 MV感应电压叠加器的电压测量

为测量4 MV感应电压叠加器的电压,设计和标定了多个D-dot电压探头。频响测试结果表明探头频率上限大于270 MHz,满足待测电压信号频率响应需求。标定中,由于分压器与探头的安装位置不同,为了避免传输线阻抗失配导致快前沿电压信号在不同测量点的电压波形差异,采用前沿数百纳秒的脉冲信号开展标定。由于探头的低频特性同时满足标定与实测的需求,因而标定的准确性得以保证。考虑装配结构及精度对探头灵敏度的直接影响,次级电压探头采取了在感应腔逐级安装过程中的在线标定方法。由于靠近二极管的电压探头受到电子等影响导致波形畸变,因此直接测量负载电压存在困难。4 MV装置的多发实验结果表明,输出端传输线上电压波形与其下游位置电压波形之差,与用两者之间电感计算的电压波形相吻合,说明采用二极管上游电压探头的测量结果来计算二极管电压是行之有效的。     

一种三传输线型亚纳秒脉冲压缩装置

介绍了一种采用三传输线型形成线压缩技术直接产生高功率亚纳秒脉冲的方法。给出了脉冲压缩的理论分析,设计了相应的脉冲压缩装置,并采用Pspice软件建立了电路模型,计算结果显示脉冲压缩装置的功率增益可达到2.25倍,验证了理论分析。基于现有的CKP1000超宽谱脉冲源,建立了完整的脉冲压缩实验系统并展开实验研究,结果表明：脉冲压缩装置在入射脉冲电压220 kV、脉宽5 ns的情况下,可产生峰值电压295 kV,半高宽约800 ps,前沿400 ps的亚纳秒脉冲,脉冲压缩装置的功率增益约为1.8倍,实验结果与理论值基本相符。     

紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置的设计研制

分析了三传输线型脉冲压缩装置的原理,从提高功率增益和小型化角度,在脉冲压缩装置中设计了一种3起端并联绕线的内置型高阻螺旋线结构。建立电路仿真模型和三维结构电磁场仿真模型,分析了高阻螺旋线特征参数对功率增益的影响。根据优化后的结果研制出紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置,经测试,前级输入脉冲宽度8 ns,功率1 GW时,输出脉冲宽度1.5 ns,功率3.7 GW,功率增益3.7。经过30万次运行考核,装置内部无滑闪和击穿现象,验证了设计可靠性。     

亚纳秒气体开关工作特性

设计了3种结构的同轴Peaking-Chopping组合型亚纳秒气体开关,以半导体开路开关脉冲源为实验平台,分别对它们的击穿特性进行了实验研究。结果表明：亚纳秒气体开关采用环形组合电极Ⅱ时,可以在1～500 Hz稳定工作,输出前沿400 ps、后沿320 ps、脉冲宽度460 ps和电压129.2 kV的脉冲。开关输出脉冲的前后沿、脉冲宽度和电压幅度与开关间隙、气压和重复频率等因素有关,亚纳秒气体开关在小间隙（1～2 mm）、高气压（约10 MPa）时具有良好的重频特性。在开关气压和输入脉冲幅度不变时,输入脉冲上升沿越快,开关的击穿时延越小,击穿电压越高。     

亚纳秒气体开关工作特性

 设计了3种结构的同轴Peaking-Chopping组合型亚纳秒气体开关,以半导体开路开关脉冲源为实验平台,分别对它们的击穿特性进行了实验研究。结果表明：亚纳秒气体开关采用环形组合电极Ⅱ时,可以在1～500 Hz稳定工作,输出前沿400 ps、后沿320 ps、脉冲宽度460 ps和电压129.2 kV的脉冲。开关输出脉冲的前后沿、脉冲宽度和电压幅度与开关间隙、气压和重复频率等因素有关,亚纳秒气体开关在小间隙（1～2 mm）、高气压（约10 MPa）时具有良好的重频特性。在开关气压和输入脉冲幅度不变时,输入脉冲上升沿越快,开关的击穿时延越小,击穿电压越高。     

500 kV亚纳秒脉冲X光机研制

高能量亚纳秒脉冲X射线可用于精确定标辐射探测系统的时间响应特性和探测灵敏度,对于脉冲辐射场诊断技术研究具有重要意义。研制了一种小型化、可移动的亚纳秒脉冲X射线源,装置占地区域尺寸为1.2 m×40 cm,重142 kg。设计了双锥形绕组同轴结构变压器,采用新颖的三谐振变压技术,将纳秒脉冲形成线充电至520 kV,通过油介质自击穿开关放电,输出370 kV,3.8 ns的高压脉冲。设计了多级过匹配传输线提升输出电压,并利用油介质peaking-chopping开关进行脉冲压缩,产生了峰值520 kV、半高宽0.5 ns、功率1.8 GW的高压脉冲。基于Child-Langmuir定理,设计了刀刃阴极X光管,在520 kV电压下的运行阻抗为150 Ω,管前20 cm处的X射线峰值能量注量率约为1×10¹⁶ MeV·cm^-2·s^-1,累积照射量为4.1 mR。     

高压氮气亚纳秒开关放电特性实验研究

 利用幅值约220 kV、脉宽约4 ns的高压纳秒脉冲源，对高压氮气亚纳秒气体开关放电特性进行了实验研究。实验结果表明：当气压在3~10 MPa间变化，间隔距离在0.6~1.2 mm间变化时，氮气间隙击穿电压随气压和间隙距离的增大而增大，并随气压的增大略呈饱和趋势,最高击穿电场约为2 MV/cm。开关输出电压波形的上升时间变化范围为145~190 ps，该上升时间随气压、击穿电场以及间隙距离增大而减小。     

高压氮气亚纳秒开关放电特性实验研究

利用幅值约220 kV、脉宽约4 ns的高压纳秒脉冲源,对高压氮气亚纳秒气体开关放电特性进行了实验研究。实验结果表明：当气压在3~10 MPa间变化,间隔距离在0.6~1.2 mm间变化时,氮气间隙击穿电压随气压和间隙距离的增大而增大,并随气压的增大略呈饱和趋势,最高击穿电场约为2 MV/cm。开关输出电压波形的上升时间变化范围为145~190 ps,该上升时间随气压、击穿电场以及间隙距离增大而减小。     

一种脉冲高电压测量探头的地电位隔离方法

为了消除脉冲功率装置放电时地电位抬升对测试系统造成的影响,在测量探头和测量设备之间使用了共模电感。对等效电路进行了仿真分析,结果表明：对于探头输出的信号,该共模电感等效为传输线;对于共模信号等效为一个较大的电感,可以实现探头地电位隔离。共模电感使用绕制在磁芯上的同轴电缆制作,并进行了快脉冲信号传输和地电位隔离效果实验。实验结果与理论分析一致。该共模电感的响应时间为5.4 ns,隔离了约10 kV的脉冲高压,确保了示波器的安全运行。     

一种在真空中测量脉冲高电压的电阻分压器

为测量快脉冲直线变压器驱动源（LTD）二极管负载的脉冲高电压,设计了在真空环境中使用的电阻分压器。分压器使用绝缘堆结构,采用静电场模拟分析了分压器的电场分布。建立了包含分布参数的等效电路,并进行了频率响应仿真,可得分压器的频响上限为200 MHz。使用标准高压探头对分压器进行在线标定,分压比标定结果为5 400∶1,与设计值相符合。在LTD调试实验中,模块充电85 kV时二极管电压为1.08 MV,与理论估算结果一致。     

一种可调的高压脉冲发生器

介绍了一种可调的高压脉冲发生器,该发生器主要由储能电容器组、氢闸流管、电压调节器、保护电路、高压变压器等部件组成。储能电容器组的电容量、充电电压和与高压变压器的连接端口可灵活地进行调节,从而使高压脉冲发生器可产生正极性或负极性,脉冲底宽为1.4～4.3μs,脉冲幅度为10～200kV的高压脉冲,脉冲的上升沿在0.4～0.6μs之间。该高压脉冲发生器有较强的带负载能力,外接负载只要大于1.2kΩ就能保证性能的稳定。     

阳加速器水传输线D-dot的设计、标定和实验

 应用D-dot探测器进行了阳加速器水传输线电压测量,利用探头与高压电极之间的结构电容获得脉冲电压的微分信号,通过RC积分取得电压信号。利用Pspice软件的瞬态分析功能模拟结合实验结果估算了探测器的杂散参数,进行了幅频响应特性分析;运用频响分析解释了测试结果。在加速器低电压短路实验状态下,用电阻分压器对其进行了在线标定。测量结果表明D-dot探测器获取了正确的电压波形,且工作稳定可靠。     

一种高功率三平板传输线电压测量探头的设计

 为测量高功率水介质三平板传输线的电压,设计、标定了一种D-dot探头,安装在三平板线的入口和出口处,探头感应脉冲电压的微分信号。探头与基座之间的绝缘层为浇注的环氧树脂,可以在满足密封去离子水的要求下,使探头对地电容较小,从而获得良好的高频响应。利用ANSYS对探头结构进行了优化设计,使三相点位置的电场强度得到有效降低。使用经线下标定过的电阻分压器进行标定。实验中采用电容器放电,用一段高压电缆作为脉冲形成线获得逐级上升的快前沿（约70 ns）电压脉冲,并将之作为标定信号源,标定得到三平板线入口、出口探头的灵敏度分别为386 kV/V和402 kV/V。探头测量结果与电路模拟结果一致。在三平板线耐压实验中,板线出口电压达到了3.1 MV,探头的绝缘结构设计能够满足要求。实验结果表明该探头适合高功率三平板传输线电压的测量。     

一体化D-dot探头在传输线电压测量中的设计和应用

设计一种一体化D-dot探头开展脉冲功率装置中传输线高电压测量工作。D-dot探头安装在传输线外筒上,主要由基座、密封电缆头、探头外壳、绝缘层、信号电极和连接杆构成。采用同轴螺纹连接及限位结构将探头各部件形成一个整体,实现结构的紧凑性和拆装过程的完整性。利用密封BNC探头和无氧铜密封圈实现良好的密封性能,同时减小探头的弹性余量保证测量的准确性。设计了较小的探头对地电容,从而获得良好的高频响应。采用OrCAD/Pspice开展电路模拟,结果显示设计的探头满足信噪比和前沿响应要求。采用CST开展静电场模拟,结果显示设计的D-dot探头可以满足1 MV传输线电压下的绝缘要求。标定和实验结果表明该探头可以响应前沿为几十ns的信号,能够满足测量需要。     

一种脉冲高电压测量探头的地电位隔离方法

 为了消除脉冲功率装置放电时地电位抬升对测试系统造成的影响,在测量探头和测量设备之间使用了共模电感。对等效电路进行了仿真分析,结果表明：对于探头输出的信号,该共模电感等效为传输线;对于共模信号等效为一个较大的电感,可以实现探头地电位隔离。共模电感使用绕制在磁芯上的同轴电缆制作,并进行了快脉冲信号传输和地电位隔离效果实验。实验结果与理论分析一致。该共模电感的响应时间为5.4 ns,隔离了约10 kV的脉冲高压,确保了示波器的安全运行。     

新型半导体开关高压电磁脉冲产生技术

基于独特结构和物理特性的两类高性能新型高压半导体开关漂移阶跃恢复二极管和快速离化开关,提出一种新型高功率高压纳秒电磁脉冲产生方法,其技术路径是通过高压漂移阶跃恢复二极管开关将高贮能电感能量向高压快速离化开关及负载转移,产生高功率、高重复频率纳秒电磁脉冲,并用实验验证该方法在高重复频率（120,200,300 kHz）下产生高功率、高重复频率纳秒脉冲的有效性,输出脉冲电压分别为1.62,1.41,1.36 kV。     

一种可调的高压脉冲发生器

 介绍了一种可调的高压脉冲发生器，该发生器主要由储能电容器组、氢闸流管、电压调节器、保护电路、高压变压器等部件组成。储能电容器组的电容量、充电电压和与高压变压器的连接端口可灵活地进行调节，从而使高压脉冲发生器可产生正极性或负极性，脉冲底宽为1.4～4.3μs，脉冲幅度为10～200kV的高压脉冲，脉冲的上升沿在0.4～0.6μs之间。该高压脉冲发生器有较强的带负载能力，外接负载只要大于1.2kΩ就能保证性能的稳定。