高功率超宽带脉冲辐射实验装置

对高功率超宽带脉冲辐射实验装置的理论分析、工程设计及实验等分别进行了介绍。高功率超宽带脉冲辐射实验装置主要由脉冲充电电源、超宽带脉冲产生装置及超宽带脉冲发射天线三部分组成。脉冲充电电源为脉冲产生装置提供充足的前级能源；超宽带脉冲产生装置包括高压储能电容、高压开关、充电电感、低阻脉冲形成线、亚纳秒开关和高功率负载等部分；超宽带脉冲发射天线包括阻抗变换、传输线、同轴到平板过渡段、TEM喇叭馈源、透镜及密封腔、4．5m抛物面等部分。     

螺旋线型微秒级高压长脉冲发生器

为研究长脉冲强流电子束产生技术,设计了一台螺旋线型高压长脉冲发生器。该发生器主要由Marx发生器、充电电感、脉冲形成线、高压开关、脉冲传输线及平板二极管构成,形成线内导体为螺旋线,工作介质为去离子水,其指标为输出电压500 kV,电流40 kA,脉冲宽度1 μs,单脉冲能量20 kJ。简要介绍了该长脉冲发生器的结构、给出了结构和电气参数,讨论了各部分设计应注意的问题。     

螺旋线型微秒级高压长脉冲发生器

为研究长脉冲强流电子束产生技术,设计了一台螺旋线型高压长脉冲发生器。该发生器主要由Marx发生器、充电电感、脉冲形成线、高压开关、脉冲传输线及平板二极管构成,形成线内导体为螺旋线,工作介质为去离子水,其指标为输出电压500 kV,电流40 kA,脉冲宽度1μs,单脉冲能量20 kJ。简要介绍了该长脉冲发生器的结构、给出了结构和电气参数,讨论了各部分设计应注意的问题。     

PTS装置脉冲输出开关

出于开关性能参数和结构要求考虑,PTS装置脉冲输出开关设计为3对自击穿电极间隙的水介质开关,间隙结构采用板-球间隙的同轴-三平板结构。选择水介质自击穿开关作为研究对象,进行了1.5 MV同轴结构开关研究,并在此基础上开展了4 MV同轴-三平板结构开关研究。开关实验达到的技术指标为：自击穿电压3.5 MV,导通电流500 kA,电感65 nH,自击穿时间分散性极差4.0 ns（1.3 ns均方根值）。     

加速器中内置式预脉冲抑制电感的研制

 介绍了预脉冲抑制电感值的选取、大体积电感值的计算、电感在传输线内筒中的绝缘设计和主脉冲在电感上的传输时间以及等效阻抗。根据对电感值与传输线、输出线电压和二极管电流之间关系的数值模拟,预脉冲抑制电感应取值5 μH,并通过实验给出了屏蔽筒中大型电感的计算方法。根据对电感管与传输线内筒之间以及电感匝间电场强度的分析和数值模拟,确定了电感长度630 mm、外径1 160 mm和管径102 mm。通过对电感与传输线内筒之间构成的带绕螺旋传输线等效PSpcie的模拟计算,得到了电感传输线支路上的单次传输时间为349 ns,大于主脉冲的宽度;在主脉冲期间,带绕传输线的阻抗大于25 Ω,也远大于传输线的阻抗。通过内置式预脉冲抑制电感已向水介质同轴线中的气体开关引入了触发高压和工作气体。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上,设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关,设计的最高运行电压为4 MV,放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构,由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流,用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析,结果发现二者差别较大,3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

 在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上，设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关，设计的最高运行电压为4 MV，放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流，用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析，结果发现二者差别较大，3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

基于螺旋线强流电子束加速器初级能源的初步研究

对基于螺旋线的强流电子束加速器的初级能源系统进行了初步的研究,该系统由恒流充电机、低电感高压脉冲电容器、触发场畸变开关和电感保护系统等组成,能够使加速器的变压器初级获得电压幅值为40kV、电流幅值为80kA、脉宽为8μs的高压脉冲,并且能够在5Hz的重复频率下工作.该初级能源系统已经应用在基于螺旋线的强流电子加速器上,具有体积小、效率高、运行稳定可靠等特点.     

0.1 Hz 800 kA驱动源模块研制

介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-FFR）能源的重复频率800 kA快上升沿的线性变压器驱动源（LTD）模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100 kV/40 nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100 ns的800 kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140 kV、25 ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10 s输出一个80 kV/800 kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2 kA、脉宽30 ??s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3 ns。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成,每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关,由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极,直径分别是8 cm和5 cm;无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构,输入电极为平板电极,输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV,开关的击穿电压为3 MV,放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下,有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns,没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

300 kV/3 ns脉冲电压源的研制

 研制了一台300 kV/3 ns快前沿脉冲电压源。为了得到快的前沿,设计了低电感的峰化电容和输出开关。其中峰化电容采用3个薄膜电容同轴串联设计,结构紧凑,分布电感小,电极端部的气隙结构使其能承受更高的脉冲高压,实验证明这种结构的峰化电容能承受前沿17 ns、峰值大于300 kV的脉冲高压。输出开关采用高气压小间隙SF₆开关,最高工作气压1 MPa,具有较小的分布电感和火花通道电感。经实验调试,由该峰化电容和输出开关组成的峰化回路在500 kV Marx发生器的驱动下,在150 Ω负载上可得到峰值电压大于300 kV、前沿小于3 ns的脉冲电压输出。     

300 kV/3 ns脉冲电压源的研制

研制了一台300 kV/3 ns快前沿脉冲电压源。为了得到快的前沿,设计了低电感的峰化电容和输出开关。其中峰化电容采用3个薄膜电容同轴串联设计,结构紧凑,分布电感小,电极端部的气隙结构使其能承受更高的脉冲高压,实验证明这种结构的峰化电容能承受前沿17 ns、峰值大于300 kV的脉冲高压。输出开关采用高气压小间隙SF6开关,最高工作气压1 MPa,具有较小的分布电感和火花通道电感。经实验调试,由该峰化电容和输出开关组成的峰化回路在500 kV Marx发生器的驱动下,在150 Ω负载上可得到峰值电压大于300 kV、前沿小于3 ns的脉冲电压输出。     

一种用于触发引燃管的脉冲电源

设计了一种单电源的变压器型高电压、大电流脉冲源。该电源只有一套放电电容,以晶闸管作为放电开关,单原边双副边的脉冲变压器作为传输线。利用二极管的单向导通特性,使变压器根据负载不同的工况运行在不同的状态,分时输出高电压、大电流脉冲。该设计利用变压器在空间上将高压输出回路和低压控制回路隔离,与一般的双电源设计方式相比,降低了驱动电路的成本,减少了装置的体积,有利于设备的小型化和紧凑化。试验结果表明：当原边18 μF的储能电容充电电压为700 V时,通过晶闸管开关控制电容向2 ∶2 ∶20的单原边双副边脉冲变压器放电,副边开路时输出幅值7.6 kV、上升沿432 ns的开路电压,副边短路时输出幅值690 A、半高宽15.6 μs、前沿7.0 μs的短路电流,满足NL37248引燃管的触发要求。     

单开关调制的PFN型层叠Blumlein线发生器

采用平板线加载的陶瓷电容型脉冲形成网络（PFN）构成了单开关调制的层叠Blumlein线发生器。采用传输线理论对短路寄生传输线的短路特性进行了理论分析,结果表明,短路寄生传输线的阻抗可以等效为耦合电感在主传输线的放电频率下产生的感抗。Pspice软件模拟表明,层叠线Blumlein线的电压叠加效率随耦合电感增加而增加。提出了一种磁环增感方法,在4级层叠Blumlein线上实现了3.1倍的脉冲电压叠加。     

单开关调制的PFN型层叠Blumlein线发生器

采用平板线加载的陶瓷电容型脉冲形成网络（PFN）构成了单开关调制的层叠Blumlein线发生器。采用传输线理论对短路寄生传输线的短路特性进行了理论分析,结果表明,短路寄生传输线的阻抗可以等效为耦合电感在主传输线的放电频率下产生的感抗。Pspice软件模拟表明,层叠线Blumlein线的电压叠加效率随耦合电感增加而增加。提出了一种磁环增感方法,在4级层叠Blumlein线上实现了3.1倍的脉冲电压叠加。     

可饱和脉冲变压器及其在脉冲调制器中的应用

提出了采用多路绕组分组并联结构和同轴结构的两种新型可饱和脉冲变压器(SPT),用来取代寿命较短的气体开关,作为脉冲电容器或几百kV级脉冲调制器的充电变压器兼主开关。采用磁芯自动复位机制的新型SPT,初步解决了普通SPT难以兼具高升压倍数和绕组低饱和电感的问题,实现独立脉冲变压器和磁开关的集成紧凑化。采用初次级绕组间反向互感压制的物理机制,实现SPT次级绕组饱和电感降低到其固有饱和结构电感以下水平的重要特性,为实现低饱和电感磁开关探索了一条新技术路线。新型SPT已在螺旋Blumlein脉冲形成线(HBPFL)型高功率脉冲调制器中获得了应用：其作为变压器实现HBPFL充电200 kV的目标;其作为HBPFL主开关形成了幅度为180 kV、脉宽135 ns、前沿时间60 ns的准方波电压脉冲。此外,提出并验证了新型SPT应用于百kV级集成紧凑化Marx发生器及多路高电压脉冲ns同步等领域的新技术路线。     

可饱和脉冲变压器及其在脉冲调制器中的应用

提出了采用多路绕组分组并联结构和同轴结构的两种新型可饱和脉冲变压器(SPT),用来取代寿命较短的气体开关,作为脉冲电容器或几百kV级脉冲调制器的充电变压器兼主开关。采用磁芯自动复位机制的新型SPT,初步解决了普通SPT难以兼具高升压倍数和绕组低饱和电感的问题,实现独立脉冲变压器和磁开关的集成紧凑化。采用初次级绕组间反向互感压制的物理机制,实现SPT次级绕组饱和电感降低到其固有饱和结构电感以下水平的重要特性,为实现低饱和电感磁开关探索了一条新技术路线。新型SPT已在螺旋Blumlein脉冲形成线(HBPFL)型高功率脉冲调制器中获得了应用:其作为变压器实现HBPFL充电200kV的目标;其作为HBPFL主开关形成了幅度为180kV、脉宽135ns、前沿时间60ns的准方波电压脉冲。此外,提出并验证了新型SPT应用于百kV级集成紧凑化Marx发生器及多路高电压脉冲ns同步等领域的新技术路线。     

模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明：此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明：电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。