水介质Blumlein型螺旋脉冲形成线的研究

分析了螺旋线脉冲形成线脉宽加宽的原理,利用程序对Blumlein型螺旋脉冲形成线进行了模拟研究,模拟结果与理论分析得到的脉宽表达式吻合较好,并可以给出螺旋线中筒的电场和磁场分布。加工了一套Blumlein型螺旋脉冲形成线,并开展实验研究,解决了绝缘支撑耐压问题,得到充电电压550 kV,二极管电压500 kV,电流28 kA,半高宽128 ns的脉冲输出。     

螺旋型水介质Blumlein线的初步研究

在高功率脉冲技术应用中，一般采用水介质Blumlein线来形成脉冲。因水介质的相对介电常数比较大（约80），故开展了低阻抗强流电子束加速器的研究。但水介质同轴Blumlein脉冲形成线只能得到较短的脉冲（否则体积上就显得庞大）和较低的特征阻抗（以致难以与小型闪光X光机脉冲X光管的较高阻抗匹配）而无法满足需求。随着脉冲功率技术的发展，长脉冲形成线的研究越来越受到关注，螺旋型Blumlein脉冲形成线的单位电感大，采用它可得到较长的脉冲和较高的特征阻抗，能够满足对此类脉冲功率源的应用需求。     

螺旋Blumlein脉冲形成线的放电分析

利用拉普拉斯方法严格求解双电报方程,得到了内外线传输时间不相同的螺旋Blumlein脉冲形成线在纯电阻负载上输出电压波形的解析表达式,分析并讨论了螺旋Blumlein脉冲形成线内线传输时间等于外线、小于外线和大于外线等3种情况下输出电压的特点,同时与波过程分析方法进行了比较,结果完全一致。研究结果表明,对于内外线非等传输时间的螺旋Blumlein脉冲形成线,与传统Blumlein脉冲形成线相比,具有其显著的特点。     

10 GW甘油介质双螺旋Blumlein脉冲形成线

为实现脉冲驱动源的高储能密度和紧凑化,研制了一种以甘油为储能介质,具有中筒螺旋和内筒螺旋的高功率双螺旋Blumlein脉冲形成线(BPFL)。首先,综合绝缘稳定性和储能密度考虑,分别计算BPFL的外线和内线尺寸。利用增加中筒和内筒螺旋的方式增加输出脉宽和形成线阻抗,实现BPFL的紧凑化设计。其次,利用场路协同仿真软件计算形成线内的瞬态场位形变化,结合瞬态场分布分析电压波在形成线内的传输过程,给出外线和内线传输时延的仿真结果。在此基础上,对中筒螺旋匝数、内筒螺旋匝数,以及开关电感等影响输出波形质量的情况进行详细分析。最后,根据仿真优化结果搭建基于双螺旋BPFL的10 GW实验平台。利用脉冲变压器对BPFL充电600 kV,在10 Hz重频条件下运行10 s,于50Ω负载上产生峰值电压712 kV、半高宽136 ns的准方波脉冲,单脉冲能量与BPFL体积比达到10.8 kJ/m³,脉冲平顶峰峰值抖动为3.8%,与仿真结果吻合度较高。     

螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计与改进

 设计了长2.2 m、直径0.40 m、工作电压400 kV、脉宽200 ns的螺旋线型水介质脉冲形成线加速器,并进行了实验研究。为消除输出脉冲的前沿上冲和后沿拖尾现象,分析了脉冲形成线中的连接段与螺旋线阻抗的不匹配对输出波形的影响。用高分子材料加工了内径为10 cm,外径为18 cm的高阻抗环套在螺旋线与主开关之间的连接段上,使这一段的阻抗与螺旋线阻抗接近,并使其电长度减小,消除了前沿上冲,减弱了后沿拖尾,得到了上升沿约18 ns、下降沿约40 ns的近似方波高电压脉冲输出。     

螺旋Blumlein脉冲形成线的放电分析

利用拉普拉斯方法严格求解双电报方程,得到了内外线传输时间不相同的螺旋Blumlein脉冲形成线在纯电阻负载上输出电压波形的解析表达式,分析并讨论了螺旋Blumlein脉冲形成线内线传输时间等于外线、小于外线和大于外线等3种情况下输出电压的特点,同时与波过程分析方法进行了比较,结果完全一致。研究结果表明,对于内外线非等传输时间的螺旋Blumlein脉冲形成线,与传统Blumlein脉冲形成线相比,具有其显著的特点。     

螺旋Blumlein脉冲形成线的放电分析

 利用拉普拉斯方法严格求解双电报方程,得到了内外线传输时间不相同的螺旋Blumlein脉冲形成线在纯电阻负载上输出电压波形的解析表达式,分析并讨论了螺旋Blumlein脉冲形成线内线传输时间等于外线、小于外线和大于外线等3种情况下输出电压的特点,同时与波过程分析方法进行了比较,结果完全一致。研究结果表明,对于内外线非等传输时间的螺旋Blumlein脉冲形成线,与传统Blumlein脉冲形成线相比,具有其显著的特点。     

螺旋型Blumlein线的理论研究

 采用薄电流层模型讨论了螺旋型Blumlein线的一种结构,该结构由螺线体内筒、螺线体中筒和导体外筒构成。给出了假定外线独立传输电压波时的螺旋型Blumlein线特征参数的近似计算公式,并进行了简单的原理验证实验。理论计算得到的脉冲电压幅值为543 V、脉宽为24 ns,而实验中分流器测到的电压值为471 V、脉宽为30 ns。为了简化计算,理论计算中对外线独立传输的假设条件不严密,由此造成了与实验结果的差异。提出了Tesla变压器和螺旋型Blumlein线相结合的方案：内置高耦合Tesla变压器的单同轴线构成整个外线的一部分。设计结果表明：外径628 mm、总长2.67 m、充电800 kV的螺旋型Blumlein线可实现电压1.07 MV、功率1.53 GW、脉宽93 ns的脉冲输出,理论输出线能量转换效率50%。     

螺旋型Blumlein线的理论研究

采用薄电流层模型讨论了螺旋型Blumlein线的一种结构,该结构由螺线体内筒、螺线体中筒和导体外筒构成。给出了假定外线独立传输电压波时的螺旋型Blumlein线特征参数的近似计算公式,并进行了简单的原理验证实验。理论计算得到的脉冲电压幅值为543 V、脉宽为24 ns,而实验中分流器测到的电压值为471 V、脉宽为30 ns。为了简化计算,理论计算中对外线独立传输的假设条件不严密,由此造成了与实验结果的差异。提出了Tesla变压器和螺旋型Blumlein线相结合的方案：内置高耦合Tesla变压器的单同轴线构成整个外线的一部分。设计结果表明：外径628 mm、总长2.67 m、充电800 kV的螺旋型Blumlein线可实现电压1.07 MV、功率1.53 GW、脉宽93 ns的脉冲输出,理论输出线能量转换效率50%。     

卷绕式螺旋形薄膜介质脉冲形成线设计

采用模块化结构,设计了一种卷绕式螺旋形薄膜介质脉冲形成线,并且对绝缘材料、电极材料的选择依据进行了分析。基于模块化卷绕式脉冲形成线,研制的重复频率脉冲方波产生器采用4个开关同步触发四级形成线模块,从而实现多模块的电压串联叠加,以达到产生高压的目的。开关采用气体火花间隙开关,每级开关及充放电采用电感隔离。研制的脉冲产生器输出电压220 kV,脉冲宽度182 ns,前沿50 ns,可10 Hz重复频率稳定运行。     

具有螺旋内筒和螺旋外筒的Blumlein线

提出了具有螺旋内筒和外筒的同轴Blumlein线的结构。采用横电磁波传输理论分析脉冲形成过程,该结构具有传统Blumlein线内外线独立传输的典型特征,给出了特征阻抗、慢波系数等参数的表达式;原理实验输出脉冲顶部平坦,顶宽占半宽的80%,输出辐值和半脉宽与理论计算基本一致,验证了该结构产生长脉冲的可行性;指出了该结构容易受周围环境导体的影响,外部环境导体距离越远对脉冲输出的影响越小,在螺旋外筒底部与接地导体平板之间填充铁氧体磁芯,可把两者距离从500 mm缩减至100 mm。     

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

 提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体（含磁体）、螺旋型中筒和外导体（含磁体）构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。     

平板Blumlein线多通道轨道开关

 设计制作了一个有多通道连接的类似轨道的平行电极结构的开关,给出了开关的结构,对开关内的电场分布做出分析,利用Pspice软件对安装在实验装置中的开关的电压电流进行了计算。实验测得此开关在实验系统中耐压约为500 kV,导通时通过阻值为1 kΩ的水电阻负载的电流为400 A左右。实验所得电压电流波形与模拟结果基本吻合。实验证明此开关具有体积小、更适于平板传输线的结构等优点。     

高介电常数复合介质固态Blumlein线

 以陶瓷聚合物复合介质作为储能介质,砷化镓光导半导体开关作为开关,设计了带状Blumlein线并对其进行了实验研究。实验结果表明,复合介质Blumlein介电常数高达80～250,在21 Ω的匹配负载上获得电压幅值为2 kV,前沿小于5 ns,半高宽约34 ns,波动约±1%的平顶宽为22 ns的电压脉冲,能满足脉冲功率系统小型化的应用要求。     

螺旋脉冲形成线实验研究

 设计了一种用于长脉冲功率源研究的Blumlein型螺旋脉冲形成线。该形成线主要是将铜带绕在绝缘衬筒上形成螺旋形结构,以蓖麻油为介质,匝数为3.5匝每m,充电时间为1 μs,负载为电子束二极管。给出了形成线参数的理论计算公式以及实验研究结果。在300 kV脉冲功率源上得到的脉冲延迟为200 ns,特征阻抗约100 Ω,形成的脉冲半高宽为180 ns,前沿15 ns,平顶宽度150 ns。实验证明该螺旋脉冲形成线结构能够有效地延长形成脉冲的宽度。最后分析了开关电感、充电时间以及螺旋形结构对形成线输出脉冲前沿及平顶畸变的影响。结果表明：较小的主开关电感是形成较陡的脉冲前沿的关键,获得好的脉冲波形应选择适当的充电周期,螺旋形结构容易导致色散产生,需要选取适当的螺旋角。     

Tesla变压器与Blumlein线一体化装置设计

介绍了Tesla变压器与Blumlein线一体化装置的基本原理,设计了Tesla变压器及Blumlein线的参数。对装置中绝缘薄弱点进行了电场分析,结果表明:Blumlein线结构设计满足变压器油中绝缘的要求,可以保证装置安全稳定运行。最后对整个装置进行了全电路模拟,模拟结果表明:形成线充电电压可达1.37MV,此时,50Ω上可得到脉冲电压的辐值约为1.4 MV,脉宽约为40 ns,满足设计要求。     

带脉冲形成线的1.0 MV 100 Hz紧凑型Tesla变压器的研制

 介绍了紧凑型Tesla变压器的工作原理和功能特点,在此基础上对电压1.0 MV、重复频率100 Hz的Tesla变压器和阻抗40 W、宽度40 ns的脉冲形成线(PFL)进行了一体化结构设计。用Tesla变压器的两个同轴开环铁芯作为PFL的内外导体,将传统的形成线结合在Tesla变压器中,从而脉冲发生装置具备了体积小、效率高、性能稳定等特点。设计的紧凑型Tesla变压器在CHP01电子束加速器上实现了对600 pF的PFL单次充电电压达到1.3 MV、重复频率100 Hz、平均电压1.15 MV的技术指标,该变压器在其额定电压和频率下的连续运行时间达到5 s以上。