Application of dielectric ceramics on solid-state pulse forming lines

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微波陶瓷制备的同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.     

玻璃-陶瓷脉冲形成线的充放电特性

采用熔融-快冷-可控结晶工艺，制备了(Pb，Sr)Nb₂O₆-NaNbO₃-SiO₂大尺寸玻璃陶瓷，开展了其介电性能以及脉冲充放电特性研究。实验结果表明:该玻璃陶瓷材料的介电常数约为340，具有良好的温度稳定性和正的偏压特性。基于该材料制备的固态脉冲形成线输出脉冲脉宽约为89 ns，具有良好的脉冲平顶和窄的上升沿。在19 kV充放电电压、1 kHz的充放电频率、4 kA的放电电流条件下，固态脉冲形成线充放电寿命大于100万次。     

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。     

介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为:陶瓷介质长度300mm,宽度15mm,厚度1mm;银电极长度280mm,宽度2mm。电性能参数为:相对介电常数约23.5,特征阻抗约26Ω,电长度约4.5ns,直流耐压场强大于20kV/mm,在μs量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23kV。     

大功率固态脉冲形成线研究进展

 固态化是脉冲功率技术发展的新趋势。综述了中国工程物理研究院流体物理研究所在大功率固态脉冲形成线方面的研究进展,给出了基于铁电陶瓷及玻璃-陶瓷复合材料的固态脉冲形成线绝缘强度、脉冲放电特性等方面的最新结果。对基于铁电陶瓷及玻璃-陶瓷复合材料的固态脉冲形成线的脉冲特性进行了分析和探索。     

全固态脉冲功率源驱动Ka波段相对论返波管振荡器

利用基于SOS的固态脉冲功率源进行了Ka波段相对论返波管振荡器(RBWO)的实验研究。该固态脉冲功率源工作电压200~360 kV,工作电流约2.6 kA,脉宽约20 ns,脉冲上升前沿约9 ns。SOS固态脉冲功率源驱动Ka波段BWO的实验结果为:微波频率36~38 GHz,脉宽约10 ns,峰值功率约50 MW,重复频率10 Hz。     

加工工艺对微波窗材料介电性能的影响

聚四氟乙烯、聚乙烯、有机玻璃等介质材料因其良好的透波性能和优异的机械性能被广泛用作高功率微波的输出窗口,但关于窗口加工处理工艺对材料介电性能的影响却少有研究。利用高压电桥及高阻计对不同介质材料不同工艺下的基本介电参数进行了测量,利用静电感应法对不同介质材料表面0.8~0.9 eV浅能级的电子陷阱密度分布进行了测试,利用波导口开展了S波段800 MW、百ns微波脉冲作用下的介质击穿实验,考察了材料表面粗糙度、划痕对介质窗表面击穿的影响。结果表明:烘烤工艺在一定程度上降低了材料的耐击穿性能,增加了介质损耗;平行于电场方向的划痕形成了材料表面击穿的通道,而该通道的存在又进一步加剧了击穿的发生。     

脉冲形成线用CaO-TiO2-Al2O3基介质陶瓷介电性能

设计了一种脉冲形成线用新型CaO-TiO2-Al2O3基介质陶瓷体系,采用传统固相法通过优化组分和制备工艺,调控材料的微结构,获得了介电性能优异的介质陶瓷。其介电常数在15~35之间可调,介电损耗小于0.002,频率稳定性好。在厚度为1 mm时,介电强度高达50 kV/mm。研究了厚度对CaO-TiO2-Al2O3基介质陶瓷介电强度的影响规律,当厚度从1 mm减小到0.1 mm时,介电强度呈非线性增大,从50 kV/mm（1 mm厚样品）提高到92 kV/mm（0.1 mm厚样品）,可见,CaO-TiO2-Al2O3基介质陶瓷的电击穿与其机械损坏具有相似性。结合CaO-TiO2-Al2O3基介质陶瓷的化学组分和微观结构,CaO-TiO2-Al2O3基介质陶瓷优越的电击穿特性可以用弱点击穿理论解释。     

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。     

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。     

X波段馈源输出窗高功率微波击穿实验装置

为了开展高功率微波(HPM)馈源输出窗介质击穿实验研究,设计了一种组合型X波段高功率微波(HPM)喇叭馈源击穿实验装置。装置采用变张角喇叭与可移动介质输出窗组合的结构,通过调节变张角喇叭口面与输出窗间的距离,使得介质输出窗内表面电场强度可调。数值模拟结果表明:在满足馈源喇叭驻波比小于1.15,E面和H面基本等化的情况下,当调节变张角喇叭口面与介质输出窗距离在0~400 mm范围内变化时,HPM馈源输出窗上的电场强度变化为32.6~87.0 kV.cm-1,满足了在真空度3×10-3Pa、脉冲宽度20 ns条件下,HPM介质击穿对电场强度变化的要求。根据数值模拟结果,设计加工了HPM介质击穿实验装置,并成功地应用于GW级HPM馈源输出窗介质击穿实验研究。     

Na0.25K0.25Bi0.5TiO3无铅压电陶瓷的介电特性研究

用固相反应法制备了Na_0.25K_0.25Bi_0.5TiO₃ (NKBT50)陶瓷，研究了该陶瓷在室温至400℃温度范围内的介电性能.发现该陶瓷的介电温谱与烧结气氛、极化状态有关.在空气中烧结的未极化样品在70℃附近存在介电和损耗峰，而极化后及在氧气氛中烧结的样品并不存在该介电、损耗峰.分析认为70℃的介电和损耗峰与氧空位形成的缺陷偶极子的极化弛豫有关.热激电流显示，陶瓷的去极化温度为225℃，与此相对应的介电、损耗峰也 关键词： 介电性能 氧空位 极化弛豫 钛酸铋钠钾     

Study on the dielectric properties of Mg-doped NaBiTi_6O_(14) ceramics

With the interest in using lead-free materials to replace lead-containing materials increasing,the use of Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(NBT) has come into our sight.We studied the composition of NBT and found that NaBiTi_6O_(14) ceramics can be compositionally tuned by Mg-doping on the Ti-site to optimize the dielectric properties.In this study,Mg-doped NaBiTi_6O_(14)(NaBi(Ti_(0.98)Mg_(0.02))_60_(14-d)) ceramics were prepared by a conventional mixed oxide route at different sintering temperatures,and their dielectric properties have been studied at a wide temperature range.X-ray diffraction(XRD) patterns of the NBT-based ceramics indicate that all samples have a pure phase without any secondary impurity phase.The experimental data show that after Mg-doping,the relative permittivity and dielectric loss become lower at 1040,1060,and1080 ℃ except 1020 ℃ and at different frequencies from 10 kHz,100 kHz to 1 MHz.Take 1060 ℃ for example,when the sintering temperature is 1060 ℃ at 1 MHz,the minimum relative permittivity of NaBiTi_6O_(14) is 32.9 and the minimum dielectric loss is 0.01417,the relative permittivity of NaBi(Ti_(0.98)Mg_(0.02))_60_(14-δ) under the same condition is 25.8 and the dielectric loss is 0.000104.We explored the mechanism of Mg-doping and surprisingly found that the dielectric property of NaBi(Ti_(0.98)Mg_(0.02))_60_(14-δ) becomes better owing to Mg-doping.Thus,NaBi(Ti_(0.98)Mg_(0.02))_60_(14-δ) can be used in microwave ceramics and applied to new energy materials.     

铁电-铁磁多铁性脉冲形成线特性

对"多铁性"脉冲形成线输出特性进行了研究。利用镍锌铁氧体-钛酸钡陶瓷复合多铁性材料制作了脉冲形成线。在不同的磁回路条件下得到了不同脉冲宽度的电脉冲方波,其中以高磁导率材料组合成的闭合磁回路得到了脉冲宽度约201 ns的方波输出。推算出脉冲形成线的相对介电常数接近2 000,相对磁导率大于1.4。基于有效磁导率的概念,分析了多铁性脉冲形成线几何构型对脉冲输出特性的影响。分析表明:平板状"多铁性脉冲形成线"的有效磁导率不仅取决于平板介质的磁导率,还取决于周围介质的磁导率,因而有效磁导率通常较小,其输出表现出明显的铁电性而只有"弱"的铁磁性;相比之下,同轴结构的"多铁性脉冲形成线"具有更高的有效磁导率,其输出可同时表现出强的铁电性和铁磁性,即更明显的"多铁性"。"多铁性脉冲形成线"有可能在紧凑型脉冲功率系统中获得应用。     

非线性传输线高功率实验北大核心CSCD

设计了基于交叉耦合铁氧体非线性传输线高功率射频微波产生系统,系统由脉冲形成线、非线性传输线以及高功率匹配负载(或组合振子辐射天线)组成。由100kV高压电源和高压微波电缆构成单传输线高功率脉冲形成线,形成线输出脉冲幅度35kV,脉冲半宽60ns。高压脉冲经过非线性传输线的脉冲压缩和调制,与高功率匹配负载相连时,实验得到了峰峰值31kV、中心频率308 MHz、3dB带宽为13%的射频振荡脉冲;与组合振子天线相连时,实验得到了中心频率380MHz、3dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。     

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。     

Eu3+掺杂的铌酸钠钾陶瓷的制备及性能研究

采用固相烧结法制备了Eu³⁺掺杂的铌酸钠钾（KNN）陶瓷。用X射线粉末衍射仪、荧光光谱测试仪和LCR精确阻抗测试仪等对其结构、发光性能和介电性能进行表征。XRD结果显示样品为钙钛矿结构。荧光分析结果表明,致密度对KNN陶瓷材料发光性能有一定的影响,Eu³⁺掺杂量是影响其发光性能的重要因素。其中掺杂Eu摩尔分数为4%的样品在930℃焙烧后其发光最强,在396 nm紫外光激发下,发射光谱最强峰在614 nm,对应于Eu³⁺的⁵D₀-⁷F₂电偶极跃迁。样品经3 kV/cm、110℃极化30 min后进行压电性能检测,结果表明提高Eu³⁺掺杂量以及陶瓷的致密度,可改善压电性能。其中掺杂4%Eu的KNN压电常数D₃₃最大为98 pC/N,在1 kHz、100℃时,介电常数最小为217,介电损耗tanθ=0.199,且仍然保持较高的居里温度T_c=426℃。