150kV快前沿低抖动Marx发生器研制

研制了一种主要用于脉冲功率系统前级触发用的Marx发生器,介绍了其工作原理和主要参数。该Marx发生器采用单边充电技术路线和同轴紧凑型结构,高压脉冲采用柔性高压同轴电缆输出,在75Ω匹配负载上获得了超过170kV的高压脉冲输出,脉冲宽度超过200ns,在140~160kV工作区间内其前沿小于3ns,抖动不超过1.5ns。该Marx发生器工作范围宽,稳定可靠,很好地满足了高功率脉冲触发系统的要求。     

MV级近方波Marx发生器的设计

分析了Marx发生器与正弦振荡回路组合直接输出方波脉冲的近方波Marx发生器理论,并设计了一个该类型的方波发生器装置。其中,Marx发生器由16个充电电压为100 kV、容值为40 nF的电容器组成,采用正负充电的S型超前触发回路,正弦振荡回路由5个与Marx发生器同类型的电容器和1个0.5 H的电感组成。通过Spice模拟,在负载为100 时,输出脉冲电压为1.1 MV,脉宽约300 ns。提出了利用Marx发生器触发LC回路的方法,以解决Marx与LC回路的同步触发问题,使输出电压能够有效叠加。     

MV级近方波Marx发生器的设计

分析了Marx发生器与正弦振荡回路组合直接输出方波脉冲的近方波Marx发生器理论,并设计了一个该类型的方波发生器装置.其中,Marx发生器由16个充电电压为100 kV、容值为40 nF的电容器组成,采用正负充电的S型超前触发回路,正弦振荡回路由5个与Marx发生器同类型的电容器和1个0.5 μH的电感组成.通过Spice模拟,在负载为100 Ω时,输出脉冲电压为1.1 MV,脉宽约300 ns.提出了利用Marx发生器触发LC回路的方法,以解决Marx与LC回路的同步触发问题,使输出电压能够有效叠加.     

正负双极性重复频率充电电源研制

针对紧凑型高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求,开展了基于LC全桥串联谐振原理的恒流充电技术研究,并根据紧凑型Marx脉冲功率源的工作方式开展了电源关键参数设计,完成了一种正负双极性充电的紧凑型高压电源研制,实现20 ms内对单边等效负载电容为0.15μF的双极性Marx驱动源充电至±45 kV,平均充电功率大于15.5 kW。该电源采用单个高频高压变压器实现了正负双极性高电压同步输出;采用变压器、整流电路、隔离保护电路、电压检测电路一体化绝缘封装设计,既减小了装置体积又降低了高压绝缘风险;通过隔离保护、电磁屏蔽等设计有效解决了Marx发生器放电过程中瞬时高压信号对电源控制系统的干扰和损伤。     

MV级Marx发生器恒流充电过程分析

设计了一种输出电压为4 MV的超前触发型Marx发生器,为了进一步优化采用电阻充电的Marx发生器输出特性,提高系统的充电效率并且减小级间充电电压不均匀性,对Marx发生器恒流充电过程进行了解析求解。结果表明:各级间充电电压差为与充电电阻、电容和充电速率成正比,与时间无关的定值,充电时间越长电压效率越高,且与电压变化率无关 。该结论具有普遍适用性。结合我们设计的4 MV超前触发型Marx发生器回路,利用PSpice对Marx发生器的恒流充电过程进行了模拟,得到了自洽的结果,并且与恒压充电进行了对比。当充电电阻为10 k,各级电容为400 nF,充电速率为10 kV/s时,恒流充电能量效率达到90%,约为恒压充电能量效率的2倍,充电时间为恒压充电的1/3。     

两电极气体火花开关触发系统

 两电极开关取消了触发电极,需要靠过压触发,要求触发电压的幅值高,上升前沿快。为了满足两电极大电流气体开关对触发电压的特殊要求,介绍了一种用Marx作触发器的触发系统。该系统由8级Marx发生器构成,由电源开关、隔离变压器、L-C充电电路、采样控制电路、光纤控制电路和触发电路组成。Marx发生器采用了低电感电容器和同轴结构布局,减小了电感,触发电压达到120 kV,上升沿小于30 ns。对触发系统建立了PSpice电路模拟,仿真波形与实测波形基本一致。将该触发装置用于200 kA大电流气体开关试验,试验结果表明该触发装置能稳定触发气体开关,操作安全可靠。     

150 kV全固态高压脉冲发生器设计

设计了一种基于全固态MOSFET半导体开关器件的Marx脉冲发生器。充电回路用快恢复二极管代替充电电阻,减小了充电部分功率损耗;将主电路和驱动电路集成在一起,采用自取电模式给驱动电路供电;由光纤传输驱动信号,抑制了放电回路对触发信号的干扰;采用顺/逆时针方向环形分布的紧凑型拓扑结构,不仅减小了回路电感,而且实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的Marx发生器充电部分仅需提供900 V低压,用180级单元串联,获得最高幅值为150 kV、脉宽1~5 s可调的高压快脉冲,前沿控制在500 ns以内。利用该脉冲发生器在50 k电阻和5 pF电容并联的等效负载上进行了一系列实验;比较分析了脉冲发生器工作过程中影响脉冲上升沿的几个主要因素,包括回路电感、MOSFET驱动电压及主回路分布电容等,并讨论了提升脉冲前沿的技术措施。     

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。     

紧凑型X箍缩脉冲功率发生器

为研究丝阵负载对X箍缩的影响,设计了一台紧凑型脉冲功率发生器。介绍了该脉冲功率发生器的设计及初步实验。根据装置的结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载内筒,构成回路测量负载电流的探头。结果表明:在对Marx电容器充电60 kV时,输出电流峰值117 kA,脉宽 60 ns,上升沿22 ns,该装置已经成功箍缩出X射线。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

150kV脉冲X光机

介绍了基于Marx发生器原理设计的脉冲X光机,在设计Marx发生器时选择了正负极充电,极间电容耦合为Z形回路的Marx发生器线路,采用低抖动场畸变开关和固体低感电阻为结构元件,低感陶瓷电容作为储能元件。Marx发生器通过高压电缆和X射线管连接,得到脉冲X光机特性为:输出电压100~150kV;0.25 m处的X射线剂量约为90.3×10-7C/kg;脉冲宽度约为70 ns。具有性能稳定、结构紧凑、使用方便等特点。     

200 kV/200 kA脉冲源的研制

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源,脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关,使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究,并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。     

300 kV高压脉冲发生器

介绍了脉冲X光机驱动源300 kV高压脉冲发生器的研制,高压脉冲发生器选择双边充电回路的Marx发生器结构,采用紫铜火花隙开关和隔离电感为发生器的结构元件,低感陶瓷电容为储能元件,这种结构不仅减小了回路电感,同时实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的高压脉冲发生器在75 负载上获得脉冲半高宽小于等于100 ns、幅值200～300 kV可调的输出电压。高压脉冲发生器内可直接安装X光管也可通过高压电缆与X光管连接,很好地满足了X光机的需要,研制的高压脉冲发生器具有性能稳定、结构紧凑、使用方便等特点。     

450 kV数字化X光照相诊断系统

介绍了450 kV数字化X光照相诊断系统的研制,该系统由450 kV脉冲X光机和抗辐照X光CCD相机组成。450 kV脉冲X光机输出的X射线脉冲半高宽为40 ns,1 m处剂量为5.210-6 C/kg,焦斑2~5 mm,2.5 m处可穿透20 mm的Fe。抗辐照X光CCD相机接收X光能谱范围为10~450 keV,有效成像面积最高可达100 mm100 mm,空间分辨率最高可达3 lp/mm,具有很强的抗电磁干扰能力。进行爆轰实验时在总防护为40 mm铝板的情况下,450 kV数字化X光照相诊断系统的照相视场可视范围超过70 mm,空间分辨率优于1.2 lp/mm。     

Compact 1000 pps high-voltage nanosecond pulse generator

A compact high-voltage nanosecond generator is described with pulse repetition rate of up to 1000 pps. The generator includes a 30-Ω coaxial forming line charged by a built-in Tesla transformer with high coupling coefficient, and a high voltage (N₂) gas gap switch with gas circulating between the electrodes. The maximum forming line charge voltage is 450 kV, the pulse duration is ~4 ns, and its amplitude for a matched load is up to 200 kV. The generator has been applied to create powerful sources of ultrawide-band electromagnetic radiation and nanosecond microwave pulses     

全电感隔离型重复频率Marx发生器

 介绍了发生器的结构特点,采用有限元数值方法对开关腔体内静电场进行了3维模拟计算,通过理论分析和实验研究,研制了1台12级重复频率Marx发生器,该发生器采用正负双边恒流充电方式及全电感隔离,其主要元器件间基本呈无感排列,结构简单、紧凑。实验结果显示：发生器输出电压为532 kV,脉冲前沿约40 ns,建立时间约32 ns;开关腔内充纯净SF6气体,可以在重复频率1~50 Hz下稳定运行。     

快前沿紧凑型X光机研制

介绍了一种基于Marx发生器原理设计的快前沿紧凑型X光机,采用Marx发生器直接驱动X射线管的线路设计,封装在一个直径约为15 cm、长约1.2 m的不锈钢圆筒内。Marx发生器设计为15级单极性同轴结构,利用锐化开关与屏蔽外筒间的杂散电容来减小脉冲前沿,同时采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。Marx发生器最大储能90 J,在充电电压为30 kV的情况下,75Ω负载上获得了前沿10 ns、脉宽40 ns、幅度360 kV的高压脉冲。实验结果表明X光机设计合理,实现了设备小型化目标,获得了快前沿高幅度的高压脉冲。研制的X光机的主要的参数为:脉宽35 ns;0.3 m处剂量约2.58×10~(-5)C/kg;焦斑2 mm。