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闪光照相测试系统

介绍了一种基于Marx发生器原理设计的200 kV闪光照相测试系统,该系统具有延时功能,可按照实验要求,在预定时刻产生脉冲X射线进行闪光照相测试。设计了一台10级同轴结构的Marx发生器,采用了正负极充电,极间电容耦合为Z形回路的Marx发生器线路,利用开关与屏蔽外筒间的结构电容来锐化高压脉冲的输出,同时采用紧凑性、低电感设计获得窄脉冲的输出。在充电电压为25 kV的情况下,75 的负载上获得了脉宽小于100 ns、幅度大于200 kV的高压脉冲,通过高压电缆驱动闪光X射线二极管, 在距光源25 cm处获得了剂量大于910-6 C/kg、脉冲宽度约为70 ns的闪光X射线。     

150kV脉冲X射线测试系统

基于Marx发生器原理设计了150kV脉冲X射线测试系统,该系统采用正负极充电的双边Marx发生器线路,Marx发生器设计为15级同轴结构,采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。实验结果表明,X光机设计合理,获得了窄脉宽、高幅度的高压脉冲输出:在充电电压为20kV的情况下,X射线管电压150kV;X射线脉宽约60ns;25cm处剂量约7.8×10-6 C/kg;焦斑直径2.5mm。搭配计算机X射线摄影系统,成像面积可达30cm×40cm,分辨力大于1lp/mm,可以满足一般低能闪光照相的需要。     

紧凑型纳秒高压脉冲发生器研制

研制了一台紧凑型纳秒高压脉冲发生器。该发生器主要由铁芯变压器、脉冲形成线、油间隙自击穿开关组成。在变压器和形成线之间加入了一个50 pF的谐振电容和1.15 mH的谐振电感,通过三谐振设计,使发生器在不降低输出电压的情况下,降低了变压器次级绕组的电压,实现了脉冲发生器小型化。对该发生器进行了详细的设计、模拟和实验,结果表明:该发生器可在二极管上输出峰值约500 kV、脉宽2.2 ns的高压脉冲;电子束二极管产生的X射线在距二极管靶窗20 cm处辐射剂量为20 mR,可用于辐射探测系统闪烁体的时间响应测量。     

150kV脉冲X光机

介绍了基于Marx发生器原理设计的脉冲X光机,在设计Marx发生器时选择了正负极充电,极间电容耦合为Z形回路的Marx发生器线路,采用低抖动场畸变开关和固体低感电阻为结构元件,低感陶瓷电容作为储能元件。Marx发生器通过高压电缆和X射线管连接,得到脉冲X光机特性为:输出电压100~150kV;0.25 m处的X射线剂量约为90.3×10-7C/kg;脉冲宽度约为70 ns。具有性能稳定、结构紧凑、使用方便等特点。     

可调间隙亚纳秒气体开关的研制

 设计了一种高工作电压、高重复频率的亚纳秒气体开关,该开关由Peaking间隙和Chopping间隙组成,可以将纳秒信号转化为亚纳秒脉冲。开关腔外有两组调节旋钮,分别用来调节Peaking间隙和Chopping间隙,使输入脉冲的前后沿能同时得到锐化。对设计的开关进行的实验研究结果表明：在系统重频5 Hz运行时,开关能稳定输出电压278 kV、脉宽620 ps的脉冲;在系统重频100 Hz运行时,开关能稳定输出电压270 kV、脉宽700 ps的脉冲。     

650kV/2ns高压脉冲发生器研制

研制了一套峰值650kV、脉宽2ns的窄脉冲发生器,具有结构紧凑、体积小巧、便于移动和产生优质的纳秒高压脉冲等优点。该发生器基于三谐振脉冲变压器原理和脉冲形成压缩实现窄脉冲输出,采用紧凑双锥形绕组铁芯变压器、LC调谐回路和27pF,30Ω脉冲形成线组成三谐振回路,油介质自击穿开关导通后在负载上获得高压脉冲。实验结果表明,该窄脉冲发生器可在80Ω电阻负载上输出脉冲峰值约650kV,脉宽约2ns,与理论分析的结果相吻合。     

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。     

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。     

4MV/80kA IVA型脉冲X射线照相装置研制进展

介绍了西北核技术研究院研制的4 MV脉冲X射线闪光照相装置("剑光二号")系统组成和实验结果。装置基于感应电压叠加器(IVA)驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术,主要由前级脉冲功率源、感应电压叠加器和RPD等组成。前级脉冲功率源由两台3.2 MV低电感Marx发生器和四路同轴水介质线组成。每台Marx同时给两路脉冲形成线(特征阻抗6Ω、电气长度30 ns)充电,充电峰值时间约370 ns。每路水介质线采用两级脉冲压缩,为感应腔馈入约1 MV/160 kA/60 ns电脉冲。电触发SF6气体开关、自击穿水开关分别用作主同步开关和脉冲陡化开关。感应电压叠加器采用四级1.5 MV感应腔串联,每级感应腔采用单点馈入结构。次级采用真空绝缘传输线实现电压叠加和功率传输,特征阻抗由30Ω线性增大至120Ω。采用4 MV电压下综合性能较优的RPD来产生强脉冲X射线。装置目前达到技术指标:输出电压4.3 MV、脉冲前沿(10%~90%)21 ns、半高宽约70 ns、二极管电流85 kA,X射线半高宽约55 ns,整机延时(从Marx触发器输出到X射线产生)约749 ns,标准偏差约7 ns。当RPD阳极采用直径2 mm钨针时,正前方1 m处剂量约15.5 rad(LiF),正向焦斑约1.4 mm。     

快前沿紧凑型X光机研制

介绍了一种基于Marx发生器原理设计的快前沿紧凑型X光机,采用Marx发生器直接驱动X射线管的线路设计,封装在一个直径约为15 cm、长约1.2 m的不锈钢圆筒内。Marx发生器设计为15级单极性同轴结构,利用锐化开关与屏蔽外筒间的杂散电容来减小脉冲前沿,同时采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。Marx发生器最大储能90 J,在充电电压为30 kV的情况下,75Ω负载上获得了前沿10 ns、脉宽40 ns、幅度360 kV的高压脉冲。实验结果表明X光机设计合理,实现了设备小型化目标,获得了快前沿高幅度的高压脉冲。研制的X光机的主要的参数为:脉宽35 ns;0.3 m处剂量约2.58×10~(-5)C/kg;焦斑2 mm。     

脉冲形成网络的设计与实验研究

 采用陶瓷无感电容器作为储能介质,设计了一种低阻抗高储能密度的中等高压脉冲形成网络。该脉冲形成网络采用无感陶瓷电容器作为储能介质,每一个电容器的容值为1.7 nF。电容器采用相对介电常数较高的钛酸钡作为材料,单个电容器的直径为6 cm、高度为4 cm,该电容器在变压器油中的工作电压可以达到50 kV。实验结果表明,设计的单线型中等高压脉冲形成网络可在1 Ω的匹配负载上获得半高宽220 ns,前沿为40 ns的高压脉冲,能很好满足脉冲功率系统小型化的应用要求。实验研究还表明,设计的低阻抗Blumlein型脉冲形成网络,在工作电压为44 kV时可在2.5 Ω的低阻抗负载上获得脉宽230 ns,前沿约为50 ns的脉冲。     

爆炸驱动铁电体电源快脉冲产生技术

以发展轻小型高电压脉冲驱动源为出发点,提出采用爆炸驱动铁电体作为初级电源,通过电感储能与电爆炸丝断路开关进行脉冲压缩和功率放大,探索基于爆炸驱动铁电体电源的小型化高电压快脉冲产生技术。从爆炸驱动铁电体电源的全电路模型和铁电陶瓷材料特性出发,通过理论分析和仿真研究,分别对大电流模式和高电压模式的爆炸驱动铁电体电源的物理参数进行了设计,获得了铁电体电源工作模式和电路参数对产生高电压脉冲的影响规律,认为铁电体电源高电压模式更适合于与断路开关技术结合产生高电压快脉冲,并通过实验对该技术原理进行了验证。实验中铁电体电源输出电流约360 A、脉宽约3.8 μs,对17.5 nF电容器充电至75 kV,电容器放电后在电爆炸断路开关中产生峰值大于12 kA的脉冲电流,最终在X射线二极管负载上获得了电压峰值大于180 kV、前沿3 ns、脉宽30 ns、电流峰值3.4 kA的高电压快脉冲。     

初次级等效比为1:43.4分数比脉冲变压器

 在理论分析分数比脉冲变压器输出脉冲上升时间与变压器次级绕组匝数、磁芯截面积和伏秒积等参数关系的基础上,设计建造了一台初次级等效比为1∶43.4分数比脉冲变压器,等效到次级的漏感为157.3 μH,分布电容为412.4 pF。低电压实验得到负载上的脉冲上升时间为894 ns,高电压实验得到负载上的脉冲上升时间为917 ns,电压幅值42.7 kV,表明所设计建造的分数比脉冲变压器达到了设计要求。     

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。     

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。