S型平板折叠脉冲形成线特性分析

以FR-4环氧玻璃纤维布为介质材料,研制了一种S型平板折叠式固态脉冲形成线。从理论上和实验上分析了脉冲形成线的放电过程。重点研究了边缘特性对其特性阻抗的影响,给出了改进的特征阻抗表达式; 分析了相邻效应和集肤效应对脉冲形成的影响,给出了脉冲波形中出现高频噪声的原因; 实验上验证了使用寿命与外加电场的关系。采用多级折叠线串并联模块化技术,提高了模块电压,降低了特性阻抗,研制了一种基于串并联技术的Blumlein线模块。该模块的耐压大于120 kV,特性阻抗约为7 Ω,脉冲宽度为138 ns。     

基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

水介质形成线泄漏电阻对充电效率的影响

研制了一种基于直线变压器技术的脉冲功率系统,采用水介质脉冲形成线并联充电作为脉冲形成装置。分析了给形成线充电时泄漏电阻对充电电压效率和能量效率的影响,给出了泄露电阻的能量损耗率计算公式;结合实验参数计算了本实验中水介质形成线的泄漏电阻,介于8.2kΩ与3kΩ之间。根据泄露电阻取值范围,分析了双模块和四模块实验中水介质形成线充电过程中的电压效率与能量效率,结果表明水介质形成线的能量损失占其获得能量的5%～12%;计算结果同时表明:随着实验模块数增加,能量损失逐渐增大。     

卷绕型带状脉冲形成线的特性阻抗

 设计了一种全固态、低阻抗、卷绕型零厚度带状脉冲形成线。通过保角变换将其特性阻抗的计算转化为对非对称型平板带状线特性阻抗的计算,并得出了卷绕型带状线特性阻抗的计算方法。数值模拟结果表明:带状线不对称将使带状线的特性阻抗减小,但当内导体宽与上下外导体间距之比很大时,可忽略不对称带来的影响。给出了不对称度（内导体分别到上下外导体的距离之比）对特性阻抗的影响关系,且不对称度小于3.1时,特性阻抗的变化小于5％,在实际工程设计中可忽略不对称带来的影响。     

卷绕式螺旋形薄膜介质脉冲形成线设计

采用模块化结构,设计了一种卷绕式螺旋形薄膜介质脉冲形成线,并且对绝缘材料、电极材料的选择依据进行了分析。基于模块化卷绕式脉冲形成线,研制的重复频率脉冲方波产生器采用4个开关同步触发四级形成线模块,从而实现多模块的电压串联叠加,以达到产生高压的目的。开关采用气体火花间隙开关,每级开关及充放电采用电感隔离。研制的脉冲产生器输出电压220 kV,脉冲宽度182 ns,前沿50 ns,可10 Hz重复频率稳定运行。     

Blumlein双极脉冲形成线

 为了提高超宽带系统的辐射因子,对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究,介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论,通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线,在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究,分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,Blumlein双极脉冲形成线可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍,辐射因子为4.54 MV。     

螺旋脉冲形成线实验研究

 设计了一种用于长脉冲功率源研究的Blumlein型螺旋脉冲形成线。该形成线主要是将铜带绕在绝缘衬筒上形成螺旋形结构,以蓖麻油为介质,匝数为3.5匝每m,充电时间为1 μs,负载为电子束二极管。给出了形成线参数的理论计算公式以及实验研究结果。在300 kV脉冲功率源上得到的脉冲延迟为200 ns,特征阻抗约100 Ω,形成的脉冲半高宽为180 ns,前沿15 ns,平顶宽度150 ns。实验证明该螺旋脉冲形成线结构能够有效地延长形成脉冲的宽度。最后分析了开关电感、充电时间以及螺旋形结构对形成线输出脉冲前沿及平顶畸变的影响。结果表明：较小的主开关电感是形成较陡的脉冲前沿的关键,获得好的脉冲波形应选择适当的充电周期,螺旋形结构容易导致色散产生,需要选取适当的螺旋角。     

紧凑型脉冲功率驱动源设计与实验研究

利用碳酸钡基材料研制了一种环形脉冲形成线。对脉冲形成线的材料特性、电场分布对耐压影响进行分析和研究,通过优化结构设计、材料特性,提高了环形脉冲形成线的耐压水平。利用此脉冲形成线建立了37级Marx发生器,此发生器通过电感进行并联充电和串联放电工作。使用电磁仿真软件对系统结构进行了三维电场分析,分析结果表明, 采用此环形脉冲形成线能够实现同轴设计,电场更加均匀,确定了满足紧凑化的最佳外形尺寸。实验结果表明, 设计的脉冲功率驱动源在充电电压为±19 kV的条件下,在二极管负载下得到了输出半高宽为65 ns、电压为680 kV的快高压脉冲。     

基于磁开关和带状线的长脉冲超低阻抗脉冲发生器(英文)

设计了一台基于磁开关和带状线的超低阻抗长脉冲脉冲发生器。设计输出脉冲电压20kV,电流40kA,脉宽230ns,由初级储能系统、脉冲变压器、磁开关、带状脉冲形成线、轨道开关和负载组成。脉冲发生器的关键设备是40kV级磁开关,它能将40kV,10μs的脉冲压缩为40kV,2μs的脉冲;超低阻抗卷绕型带状脉冲形成线,其特性阻抗0.5Ω,电长度115ns,由铜带和聚酯薄膜卷绕而成,为全固态化脉冲形成线。在大功率匹配负载上得到了电压17.8kV,电流35.6kA,脉宽约270ns的准方波脉冲。实验结果与理论计算及数值模拟结果基本一致。     

灵敏度系数可调同轴脉冲电压探头

针对采用TEM小室或GTEM室校准测试时从输入端获取信号的需求,设计了一种同轴型脉冲电压探头;该探头为微分型输出,采用数值积分可获得脉冲电压波形;其灵敏度系数可调。仿真分析了不同结构探针对探头内部电场峰值分布及对端口特性阻抗的影响,对采用尖针形探针的同轴脉冲探头进行了实验验证,得到了其频域响应曲线和灵敏度系数,分析了灵敏度系数随探针到内导体中心距离变化的规律。仿真和实验结果表明,同轴脉冲探头内嵌的探针采用尖针形时,对端口特性阻抗的影响及内部电磁场的扰动都很小,可满足ns级瞬变脉冲测试校准需要。     

百纳秒近方波高压脉冲形成模块的设计与实验研究

基于高功率脉冲功率系统小型化和模块化发展要求,研制了一种集储能和脉冲形成功能为一体的脉冲形成模块。通过发展非均匀脉冲形成技术,成功将传统脉冲形成网络的级数降至两级,并保持其输出波形为近方波,大幅降低了近方波脉冲形成模块的体积重量。模块内部电容采用串联分压结构以提高其耐电压值,采用折叠式薄膜电容以提高其储能密度,结合薄膜/变压器油混合绝缘方式,实现了紧凑化、耐高压设计。利用PSpice电路仿真,结合最坏情况模拟等方法,分析了模块内部电参数对其输出特性的影响,并进行了实验验证。模块耐电压值可达120 kV,单次储能密度高达41 kJ·m-3,可输出脉宽约180 ns的近方波高压脉冲。该模块将传统需要五级以上的脉冲形成网络的实际应用发展到两级,有利于实现多级高压方波Marx系统的紧凑化、模块化设计。     

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。     

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。     

层叠Blumlein纳秒脉冲形成线设计与实验

研究了一种结构紧凑型的多级层叠Blumlein纳秒脉冲形成线,从理论上分析了放电时回路各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出电压的影响,并利用PSpice模拟验证了各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出结果的影响,发现开关的导通电阻是制约输出电压幅值的主要因素,开关的分布电感对输出波形的影响大于负载分布电感的影响,基于时域有限差分法原理,利用XFDTD软件模拟了两级层叠Blumlein线的电磁耦合效应。开展了多级层叠Blumlein脉冲形成线实验,结果表明,基于陶瓷固态传输线和GaAs光导开关的层叠Blumlein脉冲形成线能够实现输出电压叠加,可用于产生ns量级脉宽的脉冲高压。     

双脉冲高功率脉冲调制器的设计

采用螺旋线和折叠线技术相结合的方法,设计了一种基于水介质高功率脉冲调制器。该调制器采用了两个开关,通过控制两个开关的导通时刻,可以在两个负载上得到脉冲长度相等的两个脉冲。对该种折叠型传输线的波过程进行了详细分析,给出了过渡段部分阻抗等参数对负载电压的影响;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;最后利用高压同轴电缆,对该种类型调制器进行了低压情况下的验证实验,实验结果与理论分析、模拟研究一致。此种类型的调制器具有结构紧凑、可同时输出两个脉冲的优点。     

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。     

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。     

紧凑型脉冲成形模块的设计与实验研究

采用了人工线、开关和直线变压器结构一体化的设计方法,为重复运行的长脉冲直线变压器驱动源(LTD)装置研制了一种紧凑型低阻抗脉冲成形模块。为优化空间结构、减小分布参数、提高波形质量,脉冲单模块由两条20ΩBlumlein脉冲成形网络(PFN)并联储能,人工线采用相向L型布局,通过一个同轴开关同步放电,分两路向直线变压器初级线圈对称馈入快前沿的高压电脉冲。为了进一步减小线路电感,缩短脉冲前沿,研制了新型的嵌入式激光触发开关。与同轴开关相比,引线长度缩短了一半,脉冲前沿减小了10%。两级LTD模块实验装置在18.5Ω负载上获得了电压240 kV、半宽180 ns的脉冲输出,重复频率可达25 Hz。     

螺旋线型μs量级高压长脉冲形成线设计

 详细介绍了一种螺旋线型μs量级高压长脉冲形成线的设计方案,率先将螺旋线的结构形式应用于μs量级高压长脉冲发生器设计。形成线的内导体为螺旋线,工作介质为去离子水,形成线的等效电容为41.25 nF,等效电感为6.06 μH,特性阻抗为12.1 Ω,输出脉冲宽度1 μs,最高充电电压1 MV,最大储能20.6 kJ,匹配状态下输出电压约500 kV。设计结果表明:与采用传统的单筒直线结构相比,在获取同等脉冲宽度的条件下,采用螺旋线结构可使脉冲形成线的长度缩短75%左右。     

Z箍缩初级实验平台模块样机

 正在研制的Z箍缩实验装置（Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置）,由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。