磁绝缘传输线电压测量用自积分式电容分压器研制

研制了一种用于磁绝缘传输线（MITL）电压测量的自积分式电容分压器;利用PSpice软件和标定实验数据,建立了该分压器等效电路模型,给出了分压器系统传递函数,并分析了分压器频率响应特性。计算结果表明:该分压器对于被测信号大于5 MHz频率分量部分的相频和幅频响应无明显畸变。基于强光一号长1.0 m、阴阳极间隙2 cm的同轴型MITL实验平台对该分压器实际工作性能进行了考核。实验结果表明,在相对少量场致发射电子抵达阳极表面的条件下,该分压器能够有效测量MITL沿线电压波形（2.07 负载条件下,电压峰值约600 kV、峰值时间约80 ns）。     

磁绝缘传输线电压的初步测量

针对快脉冲直线变压器驱动源装置上的真空磁绝缘传输线（MITL)电压测量的需求,开展了微分型电容分压器和电感分压器的设计、标定和实验。通过不同的电压值、负载阻抗的装置实验中探头输出结果的分析和比较,讨论了测量方法的可行性和适用范围。实验结果表明:微分型电容分压器能够应用于完全磁绝缘状态下的MITL电压测量,但容易受阴极电子发射的影响导致探头输出波形发生畸变。电感分压器受分布电容和电感的影响导致输出信号存在寄生振荡,采用波形重建的方法初步获得了合理的测量结果。     

磁绝缘传输线电流测量差模式B-dot探头

研制了一种用于磁绝缘传输线（MITL）电流测量的差模式B-dot探头;利用PSpice商用软件和标定实验数据,建立了该探头等效电路模型,给出了探头系统传递函数,并分析了探头频率响应特性。计算结果表明,该探头对于被测信号大于2.5 MHz频率分量部分的相频响应基本保持不变,而幅频响应曲线呈较好的直线性。该探头已用于强光一号1.0 m长、2 cm阴阳极间隙的同轴型MITL电流传输特性研究实验,并获得了较好的测量波形。测量结果表明:短路负载条件下,传输线沿线不同位置B-dot 电流测量结果基本相同,峰值电流约1.0 MA、峰值时间约125 ns。即传输线沿线电流损失几乎可以忽略,该实验结果与短路负载MITL工作特性理论较好地吻合。     

同轴型磁绝缘传输线电流损失特性实验研究

基于强光一号装置设计了1 m长、2 cm阴阳极间隙的同轴型磁绝缘传输线（MITL）实验平台,实验研究了负载阻值0,2.07,4.12和5.68 条件下该MITL沿线电流损失特性。实验结果显示:满足磁绝缘准则条件下,该MITL沿线电流损失主要发生在阻抗剧变区域;2.07 负载阻值条件下,传输于阴阳极间隙的真空电子流可达传输线电流的17.4%,并且其比例随着负载阻值的增大而不断增大。基于空间电子流理论,对上述实验现象进行了定性的机理分析与解释。     

测量强光一号负载电压的电容分压器

以“强光一号”加速器为例,给出了一种可以对其阴阳极间负载电压进行直接测量的自积分式电容分压器。介绍了自积分式电容分压器的结构,并通过静电场模拟分析了该分压器结构并不会对阴阳极间隙电场造成明显影响,在此基础上利用方波电压源对其进行了响应实验从而获得其频率响应,并对电容分压器的分压比进行了在线标定,最终给出了利用该自积分式电容分压器测量短路状态时阴阳极间隙电压测量结果。     

测量强光一号负载电压的电容分压器

 以“强光一号”加速器为例,给出了一种可以对其阴阳极间负载电压进行直接测量的自积分式电容分压器。介绍了自积分式电容分压器的结构,并通过静电场模拟分析了该分压器结构并不会对阴阳极间隙电场造成明显影响,在此基础上利用方波电压源对其进行了响应实验从而获得其频率响应,并对电容分压器的分压比进行了在线标定,最终给出了利用该自积分式电容分压器测量短路状态时阴阳极间隙电压测量结果。     

15 MA Z箍缩装置真空磁绝缘传输线鞘层电子流分析

基于建立的15 MA Z箍缩装置等效电路模型,获得了外层磁绝缘传输线(magnetically-insulated transmission line,MITL)鞘层电子流分布规律:从时间上看,鞘层电子流幅值先减小、后增大,波形呈“马鞍”型;从空间上看,鞘层电子流沿着功率流方向逐渐减小.分析了MITL参数,包括恒阻抗段真空阻抗、恒间隙段间距,以及柱孔盘旋面位置半径对MITL末端鞘层电子流的影响.计算结果显示:MITL末端鞘层电子流受MITL末端阻抗和柱孔盘旋面位置半径的影响较大.当15 MA装置四层MITL并联真空阻抗从0.42Ω增大到0.84Ω时,在负载聚爆前5 ns时刻,MITL末端鞘层电子流从184.7 kA降低至106.9 kA,负载峰值电流减小约0.5 MA.     

负载阻抗对直线变压器驱动源传递效率的影响

从理论及模拟仿真分析了负载阻抗变化对双线型脉冲形成网络直接给负载放电,以及通过直线变压器(LTD)给负载放电时电压传递效率、能量传递效率以及峰值功率传递效率的影响。基于设计加工的LTD单元模块实验平台,通过调节水电阻负载阻值进行了一系列实验。实验研究结果表明:当负载阻值基本与双线型脉冲形成网络的阻抗2.5Ω相匹配时,可获得最大能量传递效率80.5%,此时电压传递效率、峰值功率传递效率分别为84.1%,73.9%;增大负载阻抗至3.4Ω时,可实现99.0%的电压传递效率,而能量传递效率、峰值功率传递效率仅减小3.5%,0.3%。根据对实验结果的分析可知,通过增大负载阻抗可以有效地提高系统的电压传递效率,且当负载阻抗变化不是太大时,对系统的能量传递效率以及峰值功率传递效率影响较小。     

欠匹配二极管有效电流评估

 介绍了一种基于Creedon磁绝缘层流理论,预测磁绝缘传输线（MITL）中反射波前沿经过后由电子再俘获引起MITL工作点变化的方法。当二极管相对于MITL欠匹配时,如果MITL前行波工作点和二极管阻抗已知,该方法可以定量求解反射波前沿经过后MITL的阴极电流,进而得到二极管中用于产生X射线的有效电流。与PIC模拟对比表明：该方法具有较高的准确性,可用来评估近轴二极管、磁浸没式二极管等负载用于产生X射线的最大有效电流。     

电感支撑磁绝缘传输线的设计与初步实验

 为了研究电感支撑内筒对磁绝缘传输线(MITL)功率流传输的影响,设计了一套电感支撑的MITL及其诊断系统,对MITL各个位置电参数进行了测量,获得了MITL阴阳极电流波形和MITL电压波形。其中一发支撑前阴极电流为90.08 kA,支撑后阴极电流为93.88 kA,阴极电流传输效率为95.96%,多次实验传输效率平均值为92.8%,证实了电感支撑MITL的可行性。     

11kV大功率SiC光电导开关导通特性

采用高质量半绝缘碳化硅(SiC)单晶材料制作了超快高耐压大功率SiC光电导开关。应用氟化氪准分子脉冲激光器作为激发光源,得到了脉宽为40 ns,上升沿为9.6 ns的超快响应的电脉冲,开关的上升沿存在两个不同阶段。测试开关两端电压从1 kV到10 kV时开关导通的电压波形表明,开关的导通电阻随电压的增加不发生明显变化,开关在导通态时导通电阻在12Ω左右。采用92Ω精密电阻作为负载,计算得到开关两端外加11 kV电压时通过其电流峰值高达159 A,此时峰值功率达到1.4 MW,在此范围内未出现载流子饱和现象。     

气体火花开关放电通道半径及电阻测量

搭建低电感实验回路平台,利用高速分幅相机拍摄火花开关放电通道发展过程,分析照片光强和放电通道半径的对应关系,根据图片光强测定不同时刻放电通道的半径,提出适合实验条件的放电通道半径计算公式。依据高压探头和Pearson线圈测量得到的放电通道电压和电流波形,计算放电通道的电阻,再利用测量的放电通道半径进而得到其电导率。放电通道半径随着放电通道的发展逐渐增大,有饱和的趋势,放电电流2 kA时电流峰值处放电通道半径约0.6 mm;随着放电电流峰值的增大,放电通道电阻下降速率增大,达到稳定值所需的时间减小,稳定值也随之减小,其电阻稳定值最小能达到0.08 。     

气体火花开关放电的数值模拟

 基于Rompe-Weizel火花动态电阻公式,数值计算了电容器经火花开关放电时负载电阻上的输出电压。在相同电参数条件下,计算所得的峰值电压为54 kV,前沿为2.0 ns,与实验所得的55 kV和2.3 ns基本吻合。基于Braginskii火花动态电阻公式,在假定火花开关电导率恒定与电导率渐变的条件下,利用传输线放电电路数值计算了气体火花开关的非线性动态电阻。与已有实验测量结果(0.7～0.9 Ω)对比,发现电导率渐变模型(0.5～0.8 Ω)更适合用于反映火花开关的动态电阻变化过程。进而在此模型中引入了负载电阻项,通过计算负载端的透射电流,数值计算得单脉冲形成线对负载放电时的电压脉冲前沿为7～9 ns,而利用单线经高压氢气自击穿火花开关放电得到初步实验结果为8 ns。     

用于脉冲功率装置调试的高功率电阻分压器型负载

 介绍了电阻分压器型负载的结构、分压原理和设计方法,分析了高频作用下趋肤效应对负载阻值的影响,计算了负载和真空腔内的电场强度分布以及负载的等效电感和等效电容,利用Pspice程序模拟了回路参数对输出信号的影响。对负载的分压比进行了标定,标定结果为7.59×10^-5。为避免闪络现象的发生,设计加工接地金属套筒,用来降低负载阴极三结合点处的电场强度。负载工作电压幅值428 kV,电流幅值9.48 kA,工作阻抗45 Ω,电压和电流波形与设计值符合得较好,满足设计要求。     

快脉冲直线变压器驱动源模块的原理及实验

 介绍了直线型变压器驱动源（LTD）产生快脉冲的基本原理及技术优势,阐述了快脉冲LTD模块设计的要点,设计了输出脉冲上升时间小于100 ns的快脉冲LTD模块,并进行了初步的实验研究。实验得到该LTD模块充电±16 kV时,短路放电的电流峰值为23.7 kA,电流振荡1/4周期为69.6 ns;充电±50 kV驱动0.85 Ω负载时,电流峰值为41.4 kA,上升时间为36.8 ns（10%~90%）和60.8 ns（0~100%）。     

3 MV感应电压叠加器的磁感应腔研制

 根据脉冲驱动源和负载参数,提出了3 MV感应电压叠加器磁感应腔的设计指标为1.2 MV/70 ns。由感应腔的电流传输效率和真空同轴线绝缘要求,确定了磁芯的几何尺寸;研制了矩形比为0.5的预退火非晶磁环,明确磁环数量不少于6只;在30 T/s时,实验测量的最大脉冲相对磁导率与饱和波模型计算结果相当;估算磁感应腔的等效激磁电感约为7.3 μH,涡流损耗电阻约为139 Ω。根据临界击穿场强的经验公式,采用电场数值分析方法,确定了磁感应腔的电气结构;实验验证了磁感应腔设计有效性;建立了基于磁感应腔的3 MV感应电压叠加器全电路模型,阳极杆箍缩二极管电压、电流计算波形,与实验结果基本相符。     

同轴电缆连续波电磁辐照的终端负载响应

为了揭示设备互连电缆在连续波电磁辐照条件下的耦合响应规律,以典型射频同轴电缆为受试对象,将电缆终端连接的设备（系统）等效为负载,通过对其进行连续波电磁辐照效应试验研究,分析了受试电缆长度、终端负载状态等对同轴电缆终端负载响应规律的影响。结果表明:同轴电缆对电磁辐照响应具有选频特性,终端负载响应电压的峰值出现在电缆相对长度为1/2整数倍的频点;同轴电缆受到连续波电磁辐照后,感应皮电流通过转移阻抗转化为芯线与屏蔽层之间的差模感应电压,而这一感应电压源的内阻就是同轴电缆的特性阻抗;同轴电缆终端负载阻值的变化不会对其连续波辐照响应曲线的变化规律产生影响,终端负载与等效感应电压源内阻上的电压响应满足分压原理; 同轴电缆皮电流处于谐振状态时,两波节之间的分布感应电压同向,可等效为一个感应电压源,对同轴电缆终端负载响应起直接作用的电压源是最靠近终端负载的等效感应电压源。     

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。     

雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器

雪崩三极管因其快速性、高重复频率等特点被广泛应用于纳秒脉冲发生器。为了提高输出电压,常采用多管串联Marx电路。采用二极管代替传统多管串联Marx电路中的部分限流电阻以减少能量损耗,加快充电速度,提高重复频率,并分析了主电容和限流电阻对输出脉冲幅值和频率的影响。通过雪崩三极管的单管击穿实验,单个三极管的导通内阻最小约为2.5 Ω,多管串联Marx电路中的等效内阻使负载侧的输出电压降低,故采用多路Marx并联电路以提高输出电压幅值。通过改变Marx并联模块数量,研究了电路等效内阻对输出脉冲的影响;通过改变负载电阻值,验证了Marx并联电路在小负载下升压效果更佳。实验结果表明,通过相同的4路Marx并联电路进行放电实验,在50 Ω负载侧输出上升沿为3.4 ns、幅值为2.5 kV、可在15 kHz下稳定工作的脉冲。