星载X频段1600 W高幅相一致性脉冲行波管放大器

空间高分辨率合成孔径雷达（SAR）系统对大功率脉冲行波管放大器的带宽、输出脉冲能力、幅相一致性提出了更高的要求,基于宽带功率合成的kW级脉冲行波管放大器技术是空间应用的关键技术问题。研究了大功率脉冲行波管放大器宽带高幅相一致性控制技术和宽带功率合成技术,提出了空间用小型化脉冲双路合成行波管放大器集成结构,在3 GHz宽带内,实现了大于95%的合成效率,多台产品相位一致性≤±10°。     

用于脉冲中子探测器的小型化高压模块性能研究

高压电源的性能特性对闪烁中子探测器的性能有着十分重要的影响。为克服传统高压供电设备体积大、便携性差的问题,在便携式脉冲中子探测器研制中拟采用内部集成小型化高压模块为光电倍增管提供高压的技术路线。根据实验结果,选用的高压模块最高输出高压可达2.5 kV并且具有良好的输出一致性,可适应16~36 V的工作电压,连续工作稳定性及温度稳定性优良,可以满足脉冲中子探测器研制的要求。     

1MV密装式Marx发生器

众所周知,对产生强流电子束的脉冲高压电源的主要要求是低电感和可靠性。本文介绍的1MV密装式Marx发生器便是作为这种脉冲高压电源研制的。它还可作为产生脉冲X射线或爆炸丝等实验的高压脉冲电源。发生器以电容器为贮能元件,高压直流电源给电容器并联充电,经控制触发点火,使电容器串联放电,输出脉冲高压。由于设计上采用了密装式的结构,故具有结构紧凑、体积小的特点。发生器的标称输出电压为1MV,贮能为6kJ。经几年长期工作的考验,性能良好,稳定可靠。     

多注速调管放大器的自适应均衡器研制*

多注速调管放大器对激励功率有十分苛刻的要求。文章提出了采用可编程控制器研制自适应均衡器的方法,自适应均衡器根据速调管输出微波峰值功率大小自动控制电调衰减器,从而达到控制速调管激励功率的目的。它可以克服信号电平、行波管增益、线路衰减与速调管特性诸多因素的影响,保证速调管始终工作在最佳激励状态,获得最大的功率输出。     

多注速调管放大器的自适应均衡器研制*

 多注速调管放大器对激励功率有十分苛刻的要求。文章提出了采用可编程控制器研制自适应均衡器的方法，自适应均衡器根据速调管输出微波峰值功率大小自动控制电调衰减器，从而达到控制速调管激励功率的目的。它可以克服信号电平、行波管增益、线路衰减与速调管特性诸多因素的影响，保证速调管始终工作在最佳激励状态，获得最大的功率输出。     

高功率密度电容器充电电源

针对高压脉冲电容器充电电源高功率小型化的发展需求,采用谐振软开关技术和热设计技术研制了开关频率为50 kHz的充电电源,要求在电源10 kV的额定输出电压下充电速率达到20 kJ/s（额定输出电压下峰值功率40 kW）,功率密度达到2 MW/m3。分析了分布参数的存在对高频逆变器工作特性的影响,介绍了针对不同分布参数影响的应对措施。初步试验研究了间歇工况下高功率小型化电源热设计技术,基于电源间歇工作特点,结合不同电源组件发热特性,设计了不同的散热措施,给出了各器件的温升数据。完成了充电电源性能测试实验,实验结果表明:电源功率密度达到2.15 MW/m3。     

高功率密度电容器充电电源

针对高压脉冲电容器充电电源高功率小型化的发展需求,采用谐振软开关技术和热设计技术研制了开关频率为50 kHz的充电电源,要求在电源10 kV的额定输出电压下充电速率达到20 kJ/s（额定输出电压下峰值功率40 kW）,功率密度达到2 MW/m3。分析了分布参数的存在对高频逆变器工作特性的影响,介绍了针对不同分布参数影响的应对措施。初步试验研究了间歇工况下高功率小型化电源热设计技术,基于电源间歇工作特点,结合不同电源组件发热特性,设计了不同的散热措施,给出了各器件的温升数据。完成了充电电源性能测试实验,实验结果表明:电源功率密度达到2.15 MW/m3。     

高功率激光器电光调Q技术研究

通过分析激光速率方程得出增加初始态粒子反转数与阈值态粒子反转数比值(Ni/Nt),可以提高激光峰值功率,减小激光脉冲建立时间.采用双Q开关技术有效地抑制自激振荡,提高了Ni/Nt比值.设计了触发管高压脉冲发生电路,产生下降沿很快的高压脉冲信号,提高了Q开关速度,从而使得激光输出峰值功率达50 MW,效率达1.37%,对提高固体激光器的峰值功率与效率具有参考价值.     

500 kV亚纳秒脉冲X光机研制

高能量亚纳秒脉冲X射线可用于精确定标辐射探测系统的时间响应特性和探测灵敏度,对于脉冲辐射场诊断技术研究具有重要意义。研制了一种小型化、可移动的亚纳秒脉冲X射线源,装置占地区域尺寸为1.2 m×40 cm,重142 kg。设计了双锥形绕组同轴结构变压器,采用新颖的三谐振变压技术,将纳秒脉冲形成线充电至520 kV,通过油介质自击穿开关放电,输出370 kV,3.8 ns的高压脉冲。设计了多级过匹配传输线提升输出电压,并利用油介质peaking-chopping开关进行脉冲压缩,产生了峰值520 kV、半高宽0.5 ns、功率1.8 GW的高压脉冲。基于Child-Langmuir定理,设计了刀刃阴极X光管,在520 kV电压下的运行阻抗为150 Ω,管前20 cm处的X射线峰值能量注量率约为1×10¹⁶ MeV·cm^-2·s^-1,累积照射量为4.1 mR。     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

 介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

10kW峰值功率高脉冲能量全光纤结构2μm掺铥光纤激光器

基于增益开关技术在高掺杂浓度掺铥光纤中获得了稳定的2μm种子脉冲激光,输出激光中心波长为1 979.4nm,脉冲重复频率在1~100kHz之间可调,输出脉冲宽度变化范围为60~200ns。采用两级掺铥光纤放大器对该种子脉冲激光进行放大实验,当种子脉冲激光重复频率为20kHz时获得最大输出平均功率为17.2W,输出光谱没有观察到明显的放大自发辐射噪声。最大功率输出时,脉冲宽度为82ns,对应单脉冲能量为0.86mJ,脉冲峰值功率高于10kW。     

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF₆气体绝缘等设计,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW,峰值功率密度大于150 GW/m³,实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50 ns以下,脉宽约130 ns。     

HL-2A装置ECRH系统回旋管次高压电源研制

ECRH作为一种有效的加热手段，在托卡马克聚变装置实验中运用广泛，HL-2A装置ECRH系统采用了双高压电源模式的电子回旋管。这种结构的回旋管最大优点是输出效率高，对主高压电源要求相对较低。为了满足实验要求，使回旋管正常工作并得到较大的输出功率，研制性能稳定可靠、控制方便并具有较高技术指标的次高压电源必不可少。     

基于脉冲调制技术的LHCD大功率阴极高压电源

为满足HL-2A装置低杂波电流驱动等辅助加热系统的需要,分析设计了基于脉冲调制技术的大功率高压电源,为速调管提供阴极高压。高压电源采用了模块化串联的系统结构,通过控制算法的调节,电源输出连续可调,使低压低频直流脉冲电源转化为高压高频直流脉冲电源,还具有高功率、高稳定、高冗余的特点。重点对模块的器件参数、选型、工艺等进行详细设计分析,利用多绕组变压器的漏感作为模块的滤波电感,选用特性更好的金属薄膜电容、绝缘栅双极晶体管等器件,优化模块结构;设计了29个副边绕组的多绕组高压隔离变压器,设计了电源控制系统,得出适合本电源控制的控制算法,易于调整高压的幅值以及高压的上升下降时间。最后给出大量实验结果,验证电源的保护能力,两种主要的电源控制算法的可操作性及实用性。试验证明,此套电源不仅满足负载提出的快速保护的要求,其电源工作的稳定度等其他参数也满足设计要求。     

高功率超宽谱脉冲产生实验

介绍了纳秒传输线充电技术的原理,利用该原理设计了高功率超宽谱脉冲产生实验装置,通过电路模拟计算分析了实验装置的工作过程。结合1.2 MV高压脉冲电源开展了实验,实验中对输出脉冲形状、输出脉冲功率和工作稳定性进行了调试,在2.7 Ω负载上获得输出功率大于30 GW,脉冲宽度1.6 ns,重复频率100 Hz。系统运行稳定,达到设计要求。     

基于脉冲调制技术的LHCD大功率阴极高压电源

为满足HL-2A装置低杂波电流驱动等辅助加热系统的需要,分析设计了基于脉冲调制技术的大功率高压电源,为速调管提供阴极高压。高压电源采用了模块化串联的系统结构,通过控制算法的调节,电源输出连续可调,使低压低频直流脉冲电源转化为高压高频直流脉冲电源,还具有高功率、高稳定、高冗余的特点。重点对模块的器件参数、选型、工艺等进行详细设计分析,利用多绕组变压器的漏感作为模块的滤波电感,选用特性更好的金属薄膜电容、绝缘栅双极晶体管等器件,优化模块结构;设计了29个副边绕组的多绕组高压隔离变压器,设计了电源控制系统,得出适合本电源控制的控制算法,易于调整高压的幅值以及高压的上升下降时间。最后给出大量实验结果,验证电源的保护能力,两种主要的电源控制算法的可操作性及实用性。试验证明,此套电源不仅满足负载提出的快速保护的要求,其电源工作的稳定度等其他参数也满足设计要求。     

W波段折叠波导行波管振荡抑制

为了抑制W波段折叠波导行波管研制中的自激振荡,保证行波管正常放大工作,分析了折叠波导慢波结构中反射振荡、返波振荡和带边振荡的产生原因,开展了折叠波导行波管振荡抑制技术研究,通过优化设计和工艺研究采用周期跳变作为关键技术用于W波段折叠波导行波管的研制。通过模拟检验和实验验证,证明采用了振荡抑制技术后行波管自激振荡得到了有效的抑制,W波段脉冲行波管在20%占空比时脉冲输出功率大于100 W,带宽大于5 GHz。     

HL-2A装置辅助加热高压电源控制系统的设计与实现

研制了HL-2A装置LHCD和ECRH系统使用的高压电源,其电源拓扑分别为晶闸管交流调压型和星点控制型高压电源,通过高压脉冲调制器给LHCD和ECRH系统供电,采用了波头补偿、前馈和反馈相结合的控制方法,弥补了电源拓扑本身固有的瞬态特性不足和发电机输出的不稳定性,使电源输出电压输出平顶的稳定度优于1%。介绍了高压电源的主回路结构,对高压电源的控制进行了论述,同时给出了实验结果。     

W波段折叠波导行波管振荡抑制

为了抑制W波段折叠波导行波管研制中的自激振荡,保证行波管正常放大工作,分析了折叠波导慢波结构中反射振荡、返波振荡和带边振荡的产生原因,开展了折叠波导行波管振荡抑制技术研究,通过优化设计和工艺研究采用周期跳变作为关键技术用于W波段折叠波导行波管的研制。通过模拟检验和实验验证,证明采用了振荡抑制技术后行波管自激振荡得到了有效的抑制,W波段脉冲行波管在20%占空比时脉冲输出功率大于100 W,带宽大于5 GHz。