脉冲形成网络能量传递效率分析

采用无感陶瓷电容器作为储能介质,相邻电容器采用宽度为2 cm、厚度为0.2 cm的金属铝条相连接,设计了2.5Ω,200 ns低阻抗Blumlein型脉冲形成网络。理论计算表明,当频率等于2.5 MHz时,相邻电容器之间导线的高频电阻约为3.2 mΩ;基于Pspice仿真软件的模拟结果表明,设计的脉冲形成网络能量传递效率可以达到94.92%;实验研究结果表明,在2.6Ω负载条件下,该脉冲形成网络的电压传递效率约为93.53%,能量传递效率约为93.22%。实验结果与理论分析结果基本吻合。     

紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源

 讨论了一种低阻抗、高储能密度、可输出中等高压的百ns脉冲形成技术,其输出波形质量较好;采用磁感应电压叠加技术将该脉冲形成装置输出的中等高压脉冲叠加到应用需求的高电压高功率脉冲。研究表明单个感应模块可在2.8 Ω的负载上获得脉冲宽度为220 ns,前沿为50 ns的中等高压脉冲。     

紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源

讨论了一种低阻抗、高储能密度、可输出中等高压的百ns脉冲形成技术,其输出波形质量较好;采用磁感应电压叠加技术将该脉冲形成装置输出的中等高压脉冲叠加到应用需求的高电压高功率脉冲。研究表明单个感应模块可在2.8 Ω的负载上获得脉冲宽度为220 ns,前沿为50 ns的中等高压脉冲。     

基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计

 设计了基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源单元模块。双路阻抗各为20 Ω的Blumlein 脉冲形成网络对称连接于直线变压器驱动源(LTD)的初级绕组上,此种接法降低了脉冲形成网络(PFN)的设计难度,有利于形成更好的脉冲。在LTD次级绕组所接的10 Ω匹配负载上输出高压脉冲,实验结果表明,单个LTD模块输出脉冲半高宽约200 ns,前沿约为55 ns,平顶约为100 ns。     

陡化前沿Marx发生器的阻抗特性

 利用50 kV无感电容器与固体电阻制作了10级陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。使用不同阻值的水电阻负载研究了发生器的阻抗特性,并进一步制作了金属膜电阻负载进行实验,测定90 Ω负载可以使发生器处于临界阻尼放电状态,从而确定发生器的内部阻抗约为45 Ω。当充电电压为40 kV时,在金属膜电阻负载上得到了幅值约为210 kV,脉宽约为40 ns,前沿约为5 ns的快前沿高压脉冲。利用此发生器成功地驱动了强流二极管,当二极管阴阳极间距为15 mm时,在30 kV充电情况下,其输出电压约为154 kV,束流约为1 kA。     

基于PFN-Marx技术的200 keV脉冲X射线源设计与实验

基于PFN-Marx技术路线研制了200 kV脉冲驱动源,采用了超前触发技术,实现了在40 Ω水电阻负载上输出电压约200 kV、前沿约25 ns、脉冲宽度约62 ns的脉冲高压。设计了工作电压为200 kV的“Washer-Needle”型二极管,在二极管电压210 kV、电流5 kA条件下,输出X射线脉冲宽度约40 ns,X射线焦斑直径1.2 mm,1 m处照射剂量约15 mR。     

200 kV/200 kA脉冲源的研制

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源,脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关,使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究,并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。     

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。     

200kV长脉冲功率源研究

介绍了采用脉冲形成网络（PFN）获得长脉冲功率源的基本原理,用PSpice模拟Marx型脉冲形成网络的结果,以及200 kV长脉冲功率源的设计过程。建立了一台对匹配负载输出200 kV的长脉冲功率源,功率源电路结构采用5级Marx-PFN型脉冲形成网络,网络阻抗为14 Ω左右。实验得到该功率源输出电压脉冲前沿小于500 ns,平顶宽度为3 μs,脉冲半高宽为4.3 μs,电压脉冲平顶波动小于1%,脉冲电压幅度为200 kV左右。     

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF₆气体绝缘等设计,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW,峰值功率密度大于150 GW/m3,实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50 ns以下,脉宽约130 ns。     

一种紧凑型高功率脉冲调制器

 研制了一种基于水介质单同轴脉冲形成线型的高功率脉冲调制器,该调制器由初级储能电容器、脉冲变压器、水介质同轴脉冲形成线、氢气主开关和场发射真空二极管等组成。用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟,并用有限元软件分析了脉冲形成线的电场分布。当初级储能电容器组充电电压为35 kV, 氢气主开关导通电压高达520 kV时,在调制器场发射二极管输出电压约230 kV, 束流30 kA,脉宽约60 ns的高电压脉冲。此外,对主开关充不同类型的气体进行了实验研究,结果表明:氢气主开关的脉冲调制器能够在二极管上获得前沿更陡的高电压脉冲,并能有效地改善二极管电子束的性能。理论分析与实验结果基本一致。此种类型的调制器具有运行稳定、体积小、结构紧凑的特点。     

固态高压脉冲形成线研究

 为了实现高压脉冲形成线小型化,开展了平板固态脉冲形成线研究。实验研究了两种作为储能介质的固态材料的高压体击穿特性、沿面闪络特性和频率响应特性,一种是特种复合材料,其相对介电常数在50～250之间,另一种是功能陶瓷,其相对介电常数在200～1 000之间。在此基础上,研制了两种平板固态脉冲形成线。特种复合介质固态脉冲形成线试验电压为3 kV左右,输出电压脉冲半高全宽（FWHM）可以达到58 ns;功能陶瓷介质固态脉冲形成线的试验充电电压超过120 kV,输出电压脉冲半高全宽为92 ns。     

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。     

200kV水介质高压脉冲延时线

介绍了200 kV水介质高压脉冲延时线的基本设计参数,阻抗为23.4Ω,电长度为300 ns;分析了该延时线的耐压特性,并对其传输脉冲幅度衰减率进行了估算。加工了一套高压脉冲延时线装置,并进行了实验研究。实验中,利用Blumlein线产生两路高压方波脉冲输出,一路经高压电缆-延时线-高压电缆到匹配负载,另一路经过高压电缆到匹配负载,两负载上的脉冲等效认为是延时线的输出脉冲和输入脉冲。实验结果表明,该延时线工作电压大于200 kV,输入方波脉冲前沿为30 ns,输出方波脉冲前沿增加到34.5 ns,方波脉冲幅度损耗率为1.8%。     

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。     

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。     

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。