双脉冲高功率脉冲调制器的设计

采用螺旋线和折叠线技术相结合的方法,设计了一种基于水介质高功率脉冲调制器。该调制器采用了两个开关,通过控制两个开关的导通时刻,可以在两个负载上得到脉冲长度相等的两个脉冲。对该种折叠型传输线的波过程进行了详细分析,给出了过渡段部分阻抗等参数对负载电压的影响;用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟;最后利用高压同轴电缆,对该种类型调制器进行了低压情况下的验证实验,实验结果与理论分析、模拟研究一致。此种类型的调制器具有结构紧凑、可同时输出两个脉冲的优点。     

折叠型螺旋长脉冲调制器的实验研究

对折叠型同轴螺旋脉冲调制器开展了研究,该调制器将螺旋线与折叠线两种产生长脉冲的技术相结合,使得调制器结构更为紧凑。利用求解电报方程的方法,对调制器负载电压进行了解析求解,利用PSpice软件进行了仿真研究。最后在高压情况下开展了实验研究,开关导通电压720 kV时,在负载上得到了电压360 kV,电流24 kA,脉宽264 ns的高压脉冲,装置设计达到了预定指标要求。     

折叠型螺旋长脉冲调制器的实验研究

对折叠型同轴螺旋脉冲调制器开展了研究,该调制器将螺旋线与折叠线两种产生长脉冲的技术相结合,使得调制器结构更为紧凑。利用求解电报方程的方法,对调制器负载电压进行了解析求解,利用PSpice软件进行了仿真研究。最后在高压情况下开展了实验研究,开关导通电压720 kV时,在负载上得到了电压360 kV,电流24 kA,脉宽264 ns的高压脉冲,装置设计达到了预定指标要求。     

高功率多脉冲调制器研究

 研制了能产生多脉冲的高功率脉冲调制器,该调制器由初级储能系统、带绕式变压器、水介质Blumlein线和场发射二极管组成。在场发射二极管上获得3个峰值功率大于20 GW,半高脉宽约60 ns,脉冲间隔约15 ms,电压约400 kV的高功率电脉冲。理论计算、模拟计算与实验结果基本一致。分析表明主开关恢复时间是影响调制器输出脉冲时间间隔的主要因素。     

一种紧凑型高功率脉冲调制器

 研制了一种基于水介质单同轴脉冲形成线型的高功率脉冲调制器,该调制器由初级储能电容器、脉冲变压器、水介质同轴脉冲形成线、氢气主开关和场发射真空二极管等组成。用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟,并用有限元软件分析了脉冲形成线的电场分布。当初级储能电容器组充电电压为35 kV, 氢气主开关导通电压高达520 kV时,在调制器场发射二极管输出电压约230 kV, 束流30 kA,脉宽约60 ns的高电压脉冲。此外,对主开关充不同类型的气体进行了实验研究,结果表明:氢气主开关的脉冲调制器能够在二极管上获得前沿更陡的高电压脉冲,并能有效地改善二极管电子束的性能。理论分析与实验结果基本一致。此种类型的调制器具有运行稳定、体积小、结构紧凑的特点。     

一种紧凑型高功率脉冲调制器

研制了一种基于水介质单同轴脉冲形成线型的高功率脉冲调制器,该调制器由初级储能电容器、脉冲变压器、水介质同轴脉冲形成线、氢气主开关和场发射真空二极管等组成。用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟,并用有限元软件分析了脉冲形成线的电场分布。当初级储能电容器组充电电压为35 kV, 氢气主开关导通电压高达520 kV时,在调制器场发射二极管输出电压约230 kV, 束流30 kA,脉宽约60 ns的高电压脉冲。此外,对主开关充不同类型的气体进行了实验研究,结果表明:氢气主开关的脉冲调制器能够在二极管上获得前沿更陡的高电压脉冲,并能有效地改善二极管电子束的性能。理论分析与实验结果基本一致。此种类型的调制器具有运行稳定、体积小、结构紧凑的特点。     

全固态Marx脉冲调制器设计

固态Marx脉冲调制器是基于IGBT固态器件根据Marx发生器的原理设计的脉冲调制器, 即阵列堆叠的多个单元模块把并联充电的电容串联起来向负载放电. 固态Marx脉冲调制器的设计摒弃了传统高压脉冲调制器中的脉冲变压器、脉冲形成线和重氢闸流管, 基于IGBT固态器件的模块化设计和冗余设计, 提高运行可靠性和效率, 降低建造成本和系统体积. 介绍固态Marx脉冲调制器的设计和关键技术的解决方法, 并给出仿真结果.     

Blumlein型脉冲调制器电容等参数的模拟与计算研究

采用有限元方法,针对水介质Blumlein结构的Spark-03加速器进行了相关参数的计算。给出了准确的2维CAD模型,对各个部分做了介绍,计算出加速器内部电场分布;利用对电场能量积分的方法,当Blumlein传输线的内筒、中筒分别充电时,对传输线各个部分进行能量积分,给出了加速器各个部分电容的数值;将计算结果与理论值、实验结果相比较,证明了此方法可以更准确的计算加速器电容。应用此方法,可以对不同类型的电容储能型加速器进行参数的模拟计算。     

Blumlein型脉冲调制器电容等参数的模拟与计算研究

 采用有限元方法,针对水介质Blumlein结构的Spark-03加速器进行了相关参数的计算。给出了准确的2维CAD模型,对各个部分做了介绍,计算出加速器内部电场分布;利用对电场能量积分的方法,当Blumlein传输线的内筒、中筒分别充电时,对传输线各个部分进行能量积分,给出了加速器各个部分电容的数值;将计算结果与理论值、实验结果相比较,证明了此方法可以更准确的计算加速器电容。应用此方法,可以对不同类型的电容储能型加速器进行参数的模拟计算。     

TZ-2型高压脉冲调制器的研制

在HL-2A装置上将开展多项辅助加热实验，其中电子回旋波加热实验研究是等离子体二级加热的手段之一。今年从俄罗斯引进了两只500kW的回旋管，可做1Mw电子回旋共振加热实验。为此，我们根据电子回旋加热实验的要求研制了两套TZ-2型高压脉冲调制器，在今年的物理实验中验证了它的可靠性，其性能的稳定和安全满足了实验的要求。电子回旋加热的功率为200-300kW，脉冲宽度1000ms，在实验中观察到电子温度上升约200eV，同时也观察到热辐射和X射线辐射的上升，为进一步开展大功率长脉冲实验打下了基础。     

紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源

 讨论了一种低阻抗、高储能密度、可输出中等高压的百ns脉冲形成技术,其输出波形质量较好;采用磁感应电压叠加技术将该脉冲形成装置输出的中等高压脉冲叠加到应用需求的高电压高功率脉冲。研究表明单个感应模块可在2.8 Ω的负载上获得脉冲宽度为220 ns,前沿为50 ns的中等高压脉冲。     

紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源

讨论了一种低阻抗、高储能密度、可输出中等高压的百ns脉冲形成技术,其输出波形质量较好;采用磁感应电压叠加技术将该脉冲形成装置输出的中等高压脉冲叠加到应用需求的高电压高功率脉冲。研究表明单个感应模块可在2.8 Ω的负载上获得脉冲宽度为220 ns,前沿为50 ns的中等高压脉冲。     

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。     

450kV高功率速调管调制器系统

研制了一套用于新型速调管测试的450 kV高功率调制器系统。根据系统指标分别设计了脉冲变压器、脉冲形成网络以及充电电路等主要部件。同时,针对高功率脉冲开关的要求,对闸流管相关性能进行了比较研究,并对其触发、保护电路作了优化设计。并利用可编程控制器与触摸屏组合方式实现了调制器和速调管的控制与连锁保护。利用电力电子仿真软件Saber对调制器主电路进行了建模与仿真,脉冲电压波形仿真结果与在水负载上进行的满功率试验结果一致:脉冲宽度2.5μs,脉冲前沿1.1μs,脉冲后沿1.7μs。调制器输出脉冲电压450 kV,脉冲电流600 A,满足速调管测试需要。     

大功率固态调制器的仿真研究

设计了大功率固态调制器的新型固态脉冲开关模块。通过分析电力电子仿真软件Saber中绝缘栅双极晶体管(IGBT)物理模型的概念和等效电路,结合实验数据建立了IXDH20N120型IGBT的模型,研究了Saber环境下,不同参数条件和拓扑结构对调制器电路输出特性的影响。仿真结果表明：动态均压网络在有效地保护开关的同时,可以减少IGBT的开关损耗;电路中器件离散性与系统分布参数会造成调制器输出波形质量下降,效率降低。并对调制器在负载打火情况下,因严重不均流而损坏器件故障的机理作了分析,实验证明仿真结果和分析与实际相符。     

450 kV高功率速调管调制器系统

研制了一套用于新型速调管测试的450 kV高功率调制器系统。根据系统指标分别设计了脉冲变压器、脉冲形成网络以及充电电路等主要部件。同时,针对高功率脉冲开关的要求,对闸流管相关性能进行了比较研究,并对其触发、保护电路作了优化设计。并利用可编程控制器与触摸屏组合方式实现了调制器和速调管的控制与连锁保护。利用电力电子仿真软件Saber对调制器主电路进行了建模与仿真,脉冲电压波形仿真结果与在水负载上进行的满功率试验结果一致：脉冲宽度2.5 μs,脉冲前沿1.1 μs,脉冲后沿1.7 μs。调制器输出脉冲电压450 kV,脉冲电流600 A,满足速调管测试需要。     

大功率固态调制器的仿真研究

 设计了大功率固态调制器的新型固态脉冲开关模块。通过分析电力电子仿真软件Saber中绝缘栅双极晶体管(IGBT)物理模型的概念和等效电路,结合实验数据建立了IXDH20N120型IGBT的模型,研究了Saber环境下,不同参数条件和拓扑结构对调制器电路输出特性的影响。仿真结果表明：动态均压网络在有效地保护开关的同时,可以减少IGBT的开关损耗;电路中器件离散性与系统分布参数会造成调制器输出波形质量下降,效率降低。并对调制器在负载打火情况下,因严重不均流而损坏器件故障的机理作了分析,实验证明仿真结果和分析与实际相符。