脉冲氙灯放电过程分析与实验测定

脉冲氙灯是一种新型光源,利用量子理论以及气体放电理论分析了脉冲氙灯放电过程,设计了放电测试系统,实验测定了放电过程中的电压、电流和光脉冲信号。结果表明：在预电离阶段自由电子浓度较低,能量较低;气体放电阶段灯内形成电子崩,使得自由电子浓度的增大,放电电流迅速上升,电压下降;离子复合时释放出光子形成光脉冲,氙灯脉冲的光能量输出和光谱特性与复合电子能量、氙气复合能级相关,而当输入能量与氙灯的能耗不一致的时候,将导致充电电容反复充放电,而使电路产生振荡。对于分析脉冲氙灯放电过程,优化放电回路参数设计和脉冲氙灯的生产具有重要意义。     

平台式和斜坡式表面放电辐射源放电特性的比较

 介绍了平台式和斜坡式两种结构的表面放电辐射源,研究了在1.0 μF和1.5 μF储能电容、15~30 kV充电电压等实验条件下两种辐射源的放电特性,并对实验结果进行了比较分析。得到如下结论：对于斜坡式辐射源,增加电极间距可导致放电回路面积增大,因此等效电阻和等效电感也将增加;在相同电压及电容值条件下,斜坡式辐射源的放电电流、平均沉积功率均小于平台式辐射源的相应值,但放电沉积效率略大;电压升高使放电周期、电流达到峰值时间及放电沉积效率呈减小趋势,对于同一种辐射源,使用1.5 μF电容时放电回路参数更加匹配,放电沉积效率得到提高。     

小型球形脉冲氙灯光谱分析与实验测定

作为分析仪器和医疗仪器光源,脉冲氙灯的光谱特性直接影响着仪器的整体性能。为了研究脉冲氙灯放电回路参数及几何参数对其光谱特性的影响,利用气体放电理论分析了脉冲氙灯发光过程,设计了光谱检测系统,实验测定了脉冲氙灯在不同放电参数下的光谱特性。结果表明：脉冲氙灯光谱由连续谱和线状谱组成,连续谱有离子复合和韧致辐射产生,线状谱由电子能级跃迁产生。相对光谱辐射能量随着放电电压升高呈近似线性增长、并随着储能电容的变大而变大。在放电电压较低时,弧长较短时相对光谱辐射能量较大;在放电电压较大时,弧长越长相对光谱辐射能量越大。对于脉冲氙灯工作参数选取以及应用生产具有重要的意义。     

可用于高速摄影脉冲氙灯的研究

为了研究储能电容初始电压、电极间距、充气压及灯管内径等条件对脉冲氙灯电流脉冲和发光脉冲的影响,在电极间距100~300mm、充气压13.33~53.32kPa、灯管内径6~12mm、储能电容初始电压1.75~4.25kV的条件下,分别测量了脉冲氙灯的电流脉冲和发光脉冲的变化状况。测量得到脉冲氙灯的电流脉冲宽度和发光脉冲宽度均在15~45μs之间。对比发现:储能电容初始电压较高有助于获得高峰值、窄脉宽且滞后时间短的电流脉冲;具有较高充气压或较长电极间距的脉冲氙灯其电流脉冲与发光脉冲的峰值较小、脉冲宽度较大,且发光脉冲滞后时间较长;较粗灯管内径虽然可以增加电流脉冲的峰值,但电流脉冲的宽度被增宽,发光脉冲峰值减小,发光脉冲宽度展宽,且延长了发光脉冲的滞后时间.     

外电路参数对GaAs光导开关导通过程的影响

通过研究不同外电路参数条件下半绝缘GaAs光导开关的输出电流波形的差异,分析了外电路电参数对GaAs光导开关导通过程和工作模式的影响。实验开关由600μm厚的半绝缘GaAs晶片制成,电极间隙为12 mm。使用波长为1 064 nm,5.2 mJ的激光脉冲进行了开关的触发实验。使用皮尔森电流探头测量开关放电电流波形。实验发现储能电容、回路电感等外电路参数对开关放电电流波形存在决定性影响,回路电感影响了导通电流的上升前沿,储能电容对于开关非线性模式的维持起决定作用,储能电容较大时才能够提供非线性模式维持所需的偏置电场。     

高功率氙灯脉冲放电过程中石英管壁热损伤机理

基于高功率激光装置对脉冲氙灯工程运行可靠性的要求,利用现有的能源模块开展了氙灯放电考核实验。实验结果表明:虽然氙灯运行在安全的能量负载水平,当能源模块单个放电回路的峰值功率超过300MW时,氙灯石英玻璃管壁存在热损伤风险。肉眼观察到管壁损伤后在反射器对侧的灯管内壁出现乳白色沉积层。经扫描电镜和X射线光电子能谱测试分析,证实热损伤形成的乳白色沉积物为二氧化硅。为探究管壁热损伤机制,采用高速摄影观测了氙灯放电等离子体沟道发展过程。图像显示放大器内金属反射器的几何形状对放电沟道的分布产生了显著影响,尤其是在侧灯箱,灯内电弧沟道会靠近反射器一侧集中分布,因此,导致等离子体对灯管的偏烧。当放电峰值功率超过石英热负载极限时,管壁表面二氧化硅材料会被烧蚀至蒸发、气化,并随后沉积在灯管较冷部位。研究结果表明放电回路的放电峰值功率过高、放大器内金属反射器均会对氙灯造成热损伤。     

激励电压对沿面介质阻挡放电特性的影响分析

近年来, 沿面介质阻挡放电(SDBD) 用作大气压下气流控制的等离子体激励器因其众多的优点受到了广泛的关注. 然而, 国内外对沿面介质阻挡放电及其应用的研究尚处于探索阶段, 对其放电特性的影响因素缺乏规律性的认识. 因此, 对SDBD 相关特性和影响因素进行研究具有重要理论意义和应用价值. 本文使用频率5 ~20 kHz,峰值电压0~30 kV 的可调正弦交流电源激励大气压环境下的 SDBD 装置. 通过调节激励电压大小, 研究了其与SDBD 放电特性之间的关系, 对等离子体放电电流、 放电形貌、 功率损耗、 诱导气流以及机械效率进行了分析. 实验结果表明,SDBD 消耗功率、 放电强度和诱导气流均会随着激励电压的增大而增大, 但机械效率存在先增大后减小的趋势, 说明等离子体流动控制中研究中存在最佳效率点.     

不同电流下气体开关电极烧蚀特性实验研究

在不同短路电流条件下,进行了不锈钢(1Cr18Ni9Ti)电极气体火花开关连续多次自击穿放电实验,通过测量电极质量损失、表面粗糙度和自击穿电压的变化,研究电极烧蚀特性及其对自击穿性能的影响。实验结果表明:随着放电电流峰值和周期增大,电极材料烧损速率与电容电荷量呈线性增加,而电极表面烧蚀粗糙度与电流峰值呈线性增大,自击穿电压变化达到峰值和稳定区的放电次数减少,但稳定阶段的自击穿电压值及其相对标准偏差同时减少,五种放电电流情况下,自击穿电压概率密度分布均遵循高斯函数。     

基于改进ICCOS的放电电流可关断脉冲源研究

针对超导脉冲变压器的剩余能量回收电路中断路开关两端存在的高压威胁,提出了一种基于改进ICCOS逆流回路的放电电流可关断结构,分析了该电路的工作过程,研究了改进ICCOS逆流回路对断路开关的电压抑制能力,讨论了逆流电容变化对系统关键参数的影响。仿真结果表明：改进的ICCOS逆流回路有效抑制了断路开关的高电压,提高了负载电流脉冲的峰值,系统具有较高的能量传输效率。当逆流回路的电容数值选取合适时,能够实现电容预充电压的自恢复充电。     

串联谐振充电电源分析及设计

 推导了串联谐振充电电源不同工作模式下的电流、电压计算公式，给出了计算不同周期电流、电压值的递推公式；应用递推公式说明了这种电源的脉动恒流充电特性；给出了负载电容不完全放电情况下电源参数的计算方法。在负载电容完全放电的情况下，电源的平均输出功率为最大输出功率的一半，在负载电容电压基本维持恒定的情况下，电源平均输出功率与最大输出功率相等；最后给出了一台为Tesla型加速器初级储能电容充电的谐振电源的设计实例，电源的实测结果和计算结果一致，在100Hz重复频率下运行稳定可靠。     

基于反激拓扑与RC隔离触发网络的短弧脉冲氙灯电源设计

针对现有的短弧脉冲氙灯电源存在明显的阻尼振荡等现象,提出了一种基于反激拓扑方法与RC隔离触发网络的短弧脉冲氙灯驱动电源设计。驱动电源采用24 V输入,主电压通过反激拓扑结构产生700～1000 V连续可调输出,脉冲触发电压电路采用二级级联升压电路产生5～7 kV脉冲输出,主电压和脉冲触发电压经过RC隔离触发网络后对脉冲氙灯进行驱动点亮。对驱动电源各个模块进行了设计与实现,将RC隔离触发网络仿真与实际触发波形对比,并比较分析了主电压在不同电压下的充放电波形。实验结果表明,所设计的驱动电源点亮短弧脉冲氙灯的成功率达100%,验证了所设计驱动电源的可行性;所设计的驱动电源充放电总时间最大值为5.63 ms,为短弧脉冲氙灯提供了较高的闪烁频率;所设计的驱动电源与文献对比将阻尼振荡范围从32.24%降低到4.7%,有效抑制了放电产生的阻尼振荡,避免对储能电容造成二次充电,有效提高了储能电容及短弧脉冲氙灯的放电次数及寿命。     

闪光灯泵浦钛宝石可调谐激光器

为了提高灯泵钛宝石激光器的输出能量和效率，对灯泵钛宝石激光器进行了大量的试验研究工作。对国产氙灯进行了快速放电和寿命试验；测得了在不同放电电流密度情况下的氙灯发光光谱分布；试验采用双灯串接泵浦，双棱镜色散光学谐振腔，平平腔型，调谐范围为７５０～９５０ｎｍ，在中心波长８００ｎｍ处得到激光输出能量为８９３ｍＪ，电光转换效率为０．８９％。该激光器的阈值约为１５Ｊ。     

高可靠性脉冲氙灯电源设计

对540 mm18 mm、极间距250 mm、充气压力26 kPa的脉冲氙灯进行分析计算,研制了一台具有手动和外触发功能、氙灯充电电压2.5～4.5 kV、输出脉冲电流幅度3～6 kA、脉冲宽度约230 s的脉冲氙灯电源,给出了单次触发情况下的实验结果。设计基于晶闸管移相调压方式,经由隔离模块、PLC控制构成的闭环反馈回路,控制调压模块对储能电容器线性充电;通过IGBT半导体开关器件产生脉冲信号,经脉冲变压器升压后触发氙灯,使氙灯导通发光。采用简单、可靠的绕丝触发方式和控制信号隔离、电容器一端接地等方法,有效抑制了地电位抬高,提高了氙灯电源的可靠性和抗干扰能力。通过百次的实验,脉冲氙灯电源能100%点亮负载氙灯,满足实际使用要求。     

脉冲功率系统中能量回收电路的改进

串联型能量回收电路从电路结构上保证了异常条件下脉冲功率系统中充电电源的安全,但恒流充电电源经回收电感向储能电容充电时会引起回收电路的振荡,不仅会造成充电电源输出过压和回收电感损耗增加,还会导致充电电压一致性明显变差等问题。在分析了回收电路振荡特性的基础上,提出了在回收电感两端并接旁路开关和双路充电输入的电路结构以及相应的充电控制方法,不仅可以抑制回路振荡从而提高充电一致性,还可以消除回收电感和旁路开关的不必要损耗且控制方法也简单通用。对包含有串接型回收电路的600 V/400 A充电系统进行了电路仿真和实验验证,实验结果表明:在600 V重频条件下,回收电路的改进方案可将储能电容电压的充电一致性偏差由10 V降低到2.6 V,对应的相对偏差由1.7%降低到0.5%以内。     

触发预电离一体化脉冲氙灯电源设计

采用高压触发预电离为一体+脉冲形成网络触发氙灯的技术路线,分别设计了脉冲氙灯电源系统中高压触发、预燃电流维持两个功能单元。根据脉冲氙灯160mm×9mm、极间距70mm的技术指标,成功设计了一台具有手动和电脉冲触发功能的方波脉冲氙灯电源。氙灯充电电压300~900V可调,光脉冲宽度为150μs±20μs,光脉冲上升时间不超过90μs,触发延迟不超过90μs,触发抖动在±2μs范围内。给出了单次触发情况下脉冲氙灯电源输出的实验结果,验证了所采用的设计原理和技术方法的可行性。     

爆轰试验中高速摄影控制及闪光装置改进

研究爆轰试验高速摄影中,闪光灯和摄影机快门失灵引起试验失败问题,提出对试验操控装置和闪光灯电源改进措施。首先,在实验操控上增加防止仅雷管起爆的逻辑控制,并采用集中控制,分布检测设计;其次,在闪光氙灯电源中,采用伪火花开关和多节LC(电感-电容)脉冲形成线技术,解决氙灯存在的自闪、不引燃和光强不均。此外,还解决了装置研制中遇到的电磁干扰、同步引燃等问题。通过改进,有效地防止了爆轰试验中高速摄影光学影像丢失情况和底片曝光不均匀现象,介绍了主要元件、线路和系统、实验结果及研制过程。     

The dynamic characteristics of harvesting energy from mechanical vibration via piezoelectric conversion

As an alternative power solution for low-power devices, harvesting energy from the ambient mechanical vibration has received increasing research interest in recent years. In this paper we study the transient dynamic characteristics of a piezoelectric energy harvesting system including a piezoelectric energy harvester, a bridge rectifier, and a storage capacitor. To accomplish this, this energy harvesting system is modeled, and the charging process of the storage capacitor is investigated by employing the in-phase assumption The results indicate that the charging voltage across the storage capacitor and the gathered power increase gradually as the charging process proceeds, whereas the charging rate slows down over time as the charging voltage approaches to the peak value of the piezoelectric voltage across the piezoelectric materials. In addition, due to the added electrical damping and the change of the system natural frequency when the charging process is initiated, a sudden drop in the vibration amplitude is observed, which in turn affects the charging rate. However, the vibration amplitude begins to increase as the charging process continues, which is caused by the decrease in the electrical damping （i.e., the decrease in the energy removed from the mechanical vibration）. This electromechanical coupling characteristic is also revealed by the variation of the vibration amplitude with the charging voltage.     

氙灯泵浦的NYAB晶体调Q激光运转特性及实验研究

首次报道了氙灯泵浦的自激活自倍频NYAB复合功能晶体的BDN染料片调Q运转,获得了自倍频绿光单脉冲.测量了不同L和T_o情况下的绿光脉冲的能量、脉宽和峰值功率.文中还从理论上推导了自激活自倍频晶体调Q激光器的方程组.数值求解方程组,所得的理论数据与实验结果很好地相符.最后,讨论了进一步提高绿光脉冲峰值功率的途径.