多级磁阱装置脉冲电源系统研制

为了实现高压等离子体放电的研究,研制了一套满足负载要求的脉冲电源系统。该电源系统采用脉冲电容型电源拓扑方案并结合理论计算,为实际电源研制提供关键的指导方案。为了更好地进行器件参数选型,采用PSpice软件搭建仿真模型,通过响应波形分析得到满足系统要求的器件参数。此外,为该电源系统研制一套满足等离子体放电要求的控制系统。该控制系统采用通信方式为串口通信、Labview搭建上位机界面以及FPGA完成下位机的逻辑系统配置,系统简单高效。     

脉冲功率电源模块时序放电控制系统设计

设计了一套用于控制30个脉冲功率电源模块按时序进行放电的控制系统。该控制系统使用高速数字信号处理器作为主要控制芯片,采用高速光电转换器件及光纤作为触发信号传输系统,利用脉冲隔离变压器作为电源开关触发系统的主要隔离元件,在硬件方面实现了时序放电触发信号的高精度传输和高压隔离。同时,该控制系统使用优化的软件算法对数字信号处理器进行软件编程,实现了放电时序计算的优化控制,而且利用简易的计算机语言对上位机软件进行编写,实现对放电时序进行精确的设置,从而保证了时序放电的精确度。将该控制系统用于实际的30路脉冲功率电源放电装置的实验中,得到了良好的放电电流实验波形。根据时序触发波形及放电波形进行分析,该时序放电控制系统每路电源放电时间最小间隔可达到20 μs,电流波形反映的触发时刻与放电时序设置时刻的延时误差分布在10~15 μs,整个控制系统的性能符合设计的要求。     

μs振荡脉冲电源激励下同轴电极介质阻挡放电特性

 采用μs振荡脉冲电源激励同轴电极结构产生空气中介质阻挡放电(DBD),通过电压-电流波形的测量及发光图像拍摄研究了放电特性,计算得到了放电功率及传输电荷量等重要放电参量,研究了电压幅值、气隙距离对放电特性及放电参量的影响,在分析放电机理的基础上对实验结果进行了解释。结果表明:μs振荡脉冲电源激励下,DBD平均放电功率可达上百W,传输电荷量可达几千nC;增大电压幅值和减小放电气隙距离能获得更剧烈的放电,平均放电功率和传输电荷量均增加。     

μs振荡脉冲电源激励下同轴电极介质阻挡放电特性

采用μs振荡脉冲电源激励同轴电极结构产生空气中介质阻挡放电(DBD),通过电压-电流波形的测量及发光图像拍摄研究了放电特性,计算得到了放电功率及传输电荷量等重要放电参量,研究了电压幅值、气隙距离对放电特性及放电参量的影响,在分析放电机理的基础上对实验结果进行了解释。结果表明:μs振荡脉冲电源激励下,DBD平均放电功率可达上百W,传输电荷量可达几千nC;增大电压幅值和减小放电气隙距离能获得更剧烈的放电,平均放电功率和传输电荷量均增加。     

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明：s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。     

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明:s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。     

小型高压重复频率微秒脉冲电源及其放电应用

针对实验产生等离子体的需求,研制了一种高压微秒脉冲电源,输出电压最大值为30kV,上升沿最小为300ns、脉宽0.5μs。测试结果表明电源的输出特性由负载决定,同时调节输入电压、触发脉宽可以改变电源的输出脉冲。研究了针-针放电负载时,电源重复频率以及针针间隙对于放电模式的影响,并通过研究电源输出随负载的变化来区别不同的放电模式,最后把电源成功应用于介质阻挡放电。     

级联型高压重复频率微秒脉冲源的研制

针对等离子体的应用,基于级联型电压叠加技术研制了一种最高输出电压为20 kV的高压微秒脉冲源,该电源由40个相同的电源模块组成,其单个模块电压等级为500 V,降低了对器件的绝缘耐压要求。电源的输出电压值在0~20 kV之间可调;重复频率在0~10 kHz之间、脉宽在0~30 μs之间可调;该电源的上升沿和下降沿均在1 μs以内。模块化的设计提高了电源的冗余容错能力。将该电源作为产生等离子体的激励源时,其输出的高压脉冲波形稳定,且根据负载对输出高压波形的要求不同,该电源可以方便地进行调节。     

双极性脉冲磁控溅射电源设计

双极性脉冲电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌溅射处理装置的技术要求,研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度20~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、脉冲电流最大幅值约150 A的双极性脉冲电源,分别给出了该电源在水电阻负载和等离子体负载下的实验结果。设计上采用DSP控制开关电源的方式对储能电容器进行恒流充电;综合应用FPGA,PLC及触摸屏组成人机交互系统,控制输出光脉冲信号,经负压偏置驱动后使桥式结构的脉冲形成网络产生正负交替双极性脉冲。通过大量实验论证,该电源解决了等离子体负载放电打弧等问题,达到了理想的溅射效果,满足了指标要求。     

基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源建模与仿真

本文采用模块化建模方法,建立脉冲电源驱动导轨型电磁发射的数学模型,利用动态负载取代固定负载,分析加力与非加力两种动态负载、固定负载对放电特性的影响,研究多个高温超导脉冲功率变压器模块的并联放电特性,并探究多个模块驱动的轨道式电磁发射特性。仿真结果表明,当负载电阻和电感分别固定在1. 2 mΩ和1μH时,相比于动态负载,固定负载副边电流的脉冲峰值误差为13. 11%,使用动态模型能更精确地研究脉冲电源的放电特性。     

600 kV波形可调快前沿脉冲源的研制

 介绍了一种波形可调的高电压快前沿脉冲源。该脉冲源由Marx发生器、脉冲成型组件、主开关、匹配负载、分流电阻、串联电感等部件构成。各部件自成一体,呈模块化分布。以Marx发生器作为初级储能,通过调节发生器输出端分流电阻、串联电感及脉冲成型组件等模块,可以输出包括双指数波和方波在内的5种脉冲波形。输出脉冲幅值在200~600 kV范围内可调,最小脉冲前沿可达2 ns。     

纳秒级前沿PFN-MARX发生器充放电特性

为了改善脉冲形成网络(PFN)-Marx发生器的输出波形,得到前沿较短、纹波因数尽可能小的输出波形,对单级PFN的特性进了仿真研究,包括PFN中末端电容、末端电感、PFN的阻抗等因素对单级PFN的输出波形的影响;建立了PFN-Marx发生器的整体仿真模型,并对采用耦合电感作为隔离电感和采用分立电感作为隔离电感进行了仿真研究。研究表明：采用耦合电感作为隔离电感可以使各级PFN的充电波形更加一致,效果更好。搭建了一个小型的PFN-Marx发生器,并研究了PFN-Marx发生器中气体开关在不同气压下导通时输出波形的差异,结果表明,升高气压有利于减小PFN-Marx发生器输出波形的前沿持续时间。     

用于等离子体焦点装置的强流装置

研制了用于稠密等离子体焦点的强流装置,该装置采用八台低电感低内阻脉冲电容器和八个低感大电流、可控触发高压开关并联组成初级储能模块,高压开关同步击穿后产生μs级强电流经平行板传输线加载到负载。脉冲电容器和高压开关采用一体化设计,结构紧凑,使脉冲电容器与高压开关间的连接电感尽可能小;平板传输线为扇形结构,一个扇形平板传输线连接一个高压开关,平行板传输线可以将电感做得较小,有利于大电流回路的传输。在脉冲电容器充电20 kV时,假负载上可以得到500 kA的电流,电流上升时间约为3.7 μs。     

基于晶闸管的大电流脉冲发生器研制

采用串并联结合的Marx发生器结构,以晶闸管作为开关元件,设计了大电流脉冲发生器。通过导通回路电流分析了脉冲发生器的自触发原理,并模拟了输出脉冲电流激励磁透镜产生磁场的变化曲线。进行实物电路的研制,采用充电电容参数为600 V/2200 μF,充电电压为550 V。在负载电阻为6 Ω,负载电感为31.5 mH的条件下,获得输出电压峰值为−2.1 kV,半高宽为7.34 ms,脉冲前沿为450 ns;输出电流峰值为−225 A,半高宽为6.3 ms,脉冲前沿为4.11 ms。     

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。     

重复频率脉冲电容器寿命测试平台

通过建立脉冲重复频率寿命测试平台研究ms级脉冲放电领域的脉冲电容器的寿命特性。平台采用的输出功率为30 kW重复频率充电机, 其输出电压0~12 kV;脉冲放电回路采用晶闸管作为开关, 最高重复频率为100 Hz;负载采用电阻和电感调节回路波形。通过该测试平台可以研究各个阶段的经历时间和重复频率对电容器寿命特性的影响以及重复频率工况下脉冲电容器的失效机制。     

重复频率脉冲电容器寿命测试平台

通过建立脉冲重复频率寿命测试平台研究ms级脉冲放电领域的脉冲电容器的寿命特性。平台采用的输出功率为30kW重复频率充电机,其输出电压0~12kV;脉冲放电回路采用晶闸管作为开关,最高重复频率为100Hz;负载采用电阻和电感调节回路波形。通过该测试平台可以研究各个阶段的经历时间和重复频率对电容器寿命特性的影响以及重复频率工况下脉冲电容器的失效机制。     

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。     

轴线起爆式螺线管型爆磁压缩发生器理论模型

 对轴线起爆式螺线管型爆磁压缩发生器进行了理论模型研究，建立了爆炸管的一维爆轰驱动模型、螺线管内空间磁场强度分布模型、爆炸管外表面磁压力模型和发生器系统的等效电路模型等，对此类发生器的物理过程进行系统描述。在此基础上，编制了相应的零维数值模拟程序CEMG 1.0，利用该程序分别对四种不同模型参数的发生器进行了理论计算和参数优化，并对其中一模型发生器爆炸管外表面的磁压力及其引起的剩余电感进行了计算，给出了剩余电感与初始输入条件及负载电感的关系，从而得到该模型的输出性能极限。对理论模型的正确性进行了实例验算证明。