一种重复脉冲同轴馈电型陶瓷真空界面

真空界面是脉冲功率装置的薄弱环节,对于重频运行的系统,该问题更为突出。介绍了一种应用于重频脉冲驱动源的陶瓷绝缘子真空界面。首先依据真空沿面闪络设计原则给出了一种改进型同轴馈电陶瓷真空界面绝缘结构,该结构采用陶瓷-金属钎焊连接形式;通过采取均压、屏蔽措施,静电场模拟结果显示,陶瓷沿面电场分布均匀,总场强小于100 kV/cm,沿面分量小于70 kV/cm,阴、阳极三结合点场强均小于40 kV/cm;在输出幅值600 kV、脉宽80 ns、重复频率1~5 Hz可调的脉冲功率驱动源上进行了实验测试,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm,运行稳定;采取(0-1)分布对实验结果进行了统计分析,置信度取为0.9时,陶瓷真空界面的可靠度大于97%。最后,还探讨了表面处理工艺对闪络电压的影响,实验发现,增加表面粗糙度可有效提高陶瓷绝缘子的闪络电压。     

一种陶瓷径向绝缘强流二极管耐压结构设计

 对外径230 mm的陶瓷绝缘板,依据强流真空二极管径向绝缘的设计思想,设计加工了“锥-柱”型阳极外壳,并在传输线内筒和阴极杆末端位置增加了均压罩和屏蔽环结构。利用静电场有限元程序计算了陶瓷-真空界面电场分布,通过对外壳细节结构以及均压罩、屏蔽环形状和位置的调整,使得真空界面上沿面场强和三结合点处场强均得到了有效控制。在单线长脉冲加速器上进行了实验研究,结果显示,二极管能够耐受400 kV、脉宽大于200 ns的脉冲电压,运行稳定,达到了理论设计要求。     

微秒长脉冲有磁场高功率微波二极管真空界面设计

介绍了一种微秒长脉冲有磁场的真空二极管界面的设计和实验结果。采取了三种措施来抑制沿面闪络:一是阴极电子束挡板,用来拦截来自阴极和电子束漂移管的回流电子束;二是接地屏蔽板,使电场等势线和界面成约45°角,使阴极三结合点处发射的电子远离绝缘板;三是降低阴极三结合点处的场强,并使用一悬浮电位的金属环阻止电子倍增过程。计算了二极管内电场、磁场分布和电子束的运动轨迹并据此优化了真空界面的结构,实验验证了该二极管真空界面可以在400 kV、800 ns条件下正常工作,可以支持长脉冲高功率微波器件的研究。     

高能闪光X射线二极管设计与模拟

 为了研制出便携式的具有较高性能的高能闪光X射线系统,需要发展新型紧凑型的高能闪光X射线二极管,要求其体积小,能工作在较高电压下。简要介绍了冷阴极X射线二极管的结构和工作原理;阐述了二极管绝缘结构设计原则,设计了一种新型的紧凑型轴向绝缘结构的X射线二极管;在高压端和地电极之间采用绝缘环和金属均压环交替叠加进行轴向绝缘,有利于减小二次电子发射几率,降低绝缘体表面爬电几率,缩短轴向绝缘距离。二极管工作电压为1 MV,轴向绝缘距离约260 mm,结合ANSYS数值模拟软件进行了静电场数值计算。二极管轴向绝缘区最大工作场强为95 kV/cm,各阳极三相点最大场强为26 kV/cm。计算结果表明：二极管的工作场强低于真空闪络场强;所有三相点的工作场强均满足绝缘要求。     

“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时,火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象,直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此,对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析,用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计,有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度,其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm,阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm,绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理,降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。     

直流高压加速管轴向绝缘的优化设计

 为了降低500 mA直流高压加速管高梯度区的电位梯度，对加速管轴向绝缘结构进行优化设计。首先分析了沿面闪络的机理和该加速管轴向绝缘体结构。根据SEEA理论并通过数值模拟，发现阴极、真空和绝缘体三结合点处电场畸变是产生高场强的原因，并分别对4种绝缘体结构进行模拟分析，最终确定出比较理想的结构：绝缘体沿面与阴极电极夹角为+45°，绝缘体两端开槽并均匀嵌入金属电极环，绝缘体均匀嵌入阳极电极片内。     

真空绝缘堆均压环的结构优化

采用数值模拟法和有限元网格细化法对比给出电场的合理参考范围,分别选取距离阴极三结合点(0.005)(21/2d)处(d是绝缘体的厚度)和距离阳极三结合点(0.008 5)(21/2d)处的电场强度为参考点。通过优化均压环形状,采用阴极激发闪络和阳极激发闪络两种模型来控制三结合点处的场强,优化得出阴极三结合点处场强值为2.55 kV/mm,阳极三结合点处场强值为23 kV/mm。     

REB二极管的电场计算和实验研究

在百焦耳准分子激光实验中，采用了径向绝缘的大面积强流相对论电子束二极管（简称ＲＥＢ二极管）。对“天光一号”的ＰＦＬ线、有机玻璃隔板以及二极管腔内区域进行了二维轴对称电场计算，得到了直观的等位线图和电场分布图。结合二极管实验对计算结果进行了分析，用耐压因子概念解释沿面滑闪问题。另外，对一台焦耳级准分子激光加速器的二极管进行了优化电场设计。进行了有关改善三结合处电场分布的实验研究，给出三结合处电场强度在小于３ｋＶ／ｃｍ时，不会发生真空沿面击穿的结论。     

真空中A-B-A绝缘结构的电场分析

提出了一种变插入层电导率和介电常数的三层(A-B-A)绝缘结构。分析了插入层(A)电导率和介电常数对三层绝缘结构真空-绝缘子-阴极三结合点处和真空-插入层绝缘子(A)-主绝缘子(B)三结合点处电场的影响,结果发现通过控制插入层电导率和介电常数可以有效降低真空-绝缘子-阴极三结合点处的电场又不至于使真空-插入层绝缘子-主绝缘子三结合点处电场过高。考虑了介质表面带电的情况,分析插入层介质表面带不同极性电荷对真空-绝缘子-阴极和真空-插入层绝缘子-主绝缘子两个三结合点电场分布的影响。估计了三层绝缘结构真空沿面闪络电压的变化趋势,发现在插入层电导率或介电常数不断增大时,真空沿面闪络电压会呈现先上升后下降,最后趋于稳定。     

圆形平板电极与薄膜层叠结构的沿面闪络性能

强电磁脉冲模拟装置中用于脉冲压缩的陡化电容器常采用电极与薄膜介质层叠的结构,其主要绝缘失效模式为沿面闪络。采用圆形平板电极,在SF₆绝缘环境中和加载电压为前沿约30 ns的纳秒脉冲电压的条件下,实验研究了陡化电容器关键结构参数和气压对沿面闪络性能的影响。结果表明:（1）电极厚度、气隙和表面涂覆均不能明显改变层叠结构的沿面闪络电压;（2）气压可以提高层叠结构的沿面闪络性能,但是存在饱和趋势;（3）薄膜介质层数与沿面闪络电压近似线性比例关系;（4）增长薄膜介质伸出长度能显著提高沿面闪络电压。基于流注理论对上述结果进行了探讨,认为极不均匀场中,闪络起始主要由高场强区域决定,但是闪络通道的形成和发展主要由闪络路径上的背景电场决定,因此减小层叠结构三结合点处电场对闪络性能影响不大,但减小闪络通道发展路径上的背景电场,可以有效提高层叠结构的沿面闪络电压。     

长脉冲强流二极管径向绝缘研究

 介绍了一种应用于长脉冲强流二极管的径向绝缘结构。简介了真空表面闪络机理，径向绝缘结构的设计思路。采用锥形绝缘结构，使用计算机模拟静电场分布优化设计了几何结构参数，在脉宽为200ns的脉冲源上进行了实验研究。二极管最高输出电压为750kV，平均绝缘子表面耐电场强度约50kV/cm，达到了设计要求。     

用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关

为了提高多间隙气体开关壳体的寿命、绝缘可靠性和装配的一致性,基于堆栈式多间隙气体开关开展了陶瓷封装多间隙气体开关工艺及击穿特性的研究。对比分析了不同封接工艺对陶瓷金属界面场分布的影响,优选了合理的封接结构。研制了用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关并对其自击穿特性和触发特性开展了测试,结果表明:开关充干燥空气气压0.3 MPa、耐压±100 kV、峰值电流约30 kA条件下,5 000次放电的触发平均时延36.4 ns,抖动2.8 ns。该结果展示了陶瓷封装气体开关在产品化和免维护方面的优势,在FLTD模块中具有广阔应用前景。     

强流束二极管绝缘子结构设计与实验研究

 介绍了一种应用于强流束二极管的径向绝缘结构,并对其在纳秒脉冲条件下的沿面闪络放电现象进行了研究。使用计算机模拟静电场的方法,对锥形结构绝缘子表面的电场分布进行了研究,优化了几何结构参数。在脉宽为40 ns,重复频率100 Hz的脉冲功率源上对绝缘子进行了实验研究。在历时18个月及100 000次脉冲实验后,发现绝缘子表面具有明显的树枝状放电现象,树枝状放电的根部碳化严重,绝缘子深度方向被完全击穿碳化,出现孔洞。基于固-液交界面闪络特性,对树枝状放电的可能原因进行了探讨。     

真空二极管辐射微波的机理分析

在研究真空开关的过程中,发现真空二极管能辐射出宽带微波.这种器件只由带触发装置的阴极和平板阳极组成,不存在金属波纹慢波结构,所以真空二极管的辐射机理与等离子体填充微波器件不同,不能直接套用等离子体填充微波器件的相关理论.本文描述了真空二极管产生辐射的物理过程,建立了真空二极管辐射的数学模型,通过求解波动方程得到产生辐射的色散关系,并绘制出了色散曲线.将理论分析得到的色散曲线与已经测得的微波辐射进行比较,两者能很好地符合.理论分析和实验结果表明,电子束和磁化等离子体的相互作用是真空二极管产生微波辐射的原因.     

二极管爆炸发射阴极等离子体的膨胀扩展

分析了二极管中爆炸发射产生阴极等离子体的演化特征,在考虑了阴极等离子体朝阳极膨胀运动使二极管阴阳极间距缩短这一效应的同时,还计入了阴极等离子体沿发射表面径向扩展运动对二极管有效发射面积的影响。基于Child-Langmuir定律,利用在一个四脉冲强流电子束源装置上得到的电流、电压等实验数据,假定阴极等离子体轴向膨胀和径向扩展速度近似相等,研究了阴极等离子体的膨胀扩展动力学行为。计算结果表明,阴极等离子体朝阳极的膨胀和沿径向的扩展速度为0.9～2.8 cm/s。     

高性能强流脉冲电子束源关键技术研究

强流脉冲电子束源是高功率微波系统的核心部件之一,针对未来应用需求,亟需从绝缘、束流输运和热管理等多个方面提升强流束源技术性能。介绍了国防科技大学在高功率微波源用强流真空电子束源方面的研究进展。针对高功率微波管保真空需求,基于陶瓷金属钎焊,设计并研制了一种强场陶瓷真空界面,耐压大于600 kV、平均绝缘场强达到44 kV/cm、耐受脉宽大于80 ns,重复频率运行稳定;研制了一种基于SiC纳米线的强流电子束源冷阴极,在90 kV/cm的场条件下获得了1.17 kA/cm2的束流密度,相比传统天鹅绒阴极,SiC纳米线阴极的宏观电稳定性、发射均匀性及运行寿命均得到显著提高;针对相对论返波管,研制基于螺旋水槽型的强流电子束收集极,克服了高比能和低流速的矛盾,耐受热流密度达到1012 W/m2,能够满足系统长脉冲、高重复频率运行要求。     

HL-2M 真空室保温层设计及安装

基于 HL-2M 真空室烘烤保温要求，通过有限元分析和原型件实验确定采用陶瓷纤维与纳米级微孔材 料组合作为 HL-2M 真空室保温材料。在 30℃时，保温层的导热系数小于 0.027W⋅m⁻¹·℃⁻¹；300℃时，导热系数 小于 0.038W⋅m⁻¹·℃⁻¹。在保温层厚度 25mm、热面温度 300℃且达到稳态时，冷面可控制在 85℃以下，线圈侧的 温度低于 60℃，整体热损失小于 12kW，满足 HL-2M 真空室烘烤需求。