非匹配传输线产生宽谱脉冲实验研究

介绍了基于短路开关-锐化开关组合的非匹配传输线的工作原理,通过数值模拟分析了开关的导通时间、导通延时以及形成线的长度对输出宽谱振荡脉冲的影响。设计了非匹配传输线的实验装置并在500 kV Marx发生器上开展了实验研究。在短路开关间距为4 mm、腔体内充入SF6气体的压力为1.15 MPa,锐化开关间距为2.5 mm、腔体内SF6气体的压力为1.0 MPa的条件下,在50 传输线上测得的峰值功率为3.3 GW,振荡脉冲的中心频率为169 MHz,百分比带宽为22.9%。     

非匹配传输线型宽谱振荡器实验研究

设计了基于低阻形成线对非匹配传输线充电型宽谱振荡器,介绍了振荡器的工作原理。在数值模拟分析的基础上,完成了低阻形成线、非匹配传输线的结构设计。此宽谱振荡器在1 MV Marx实验平台上开展了实验研究,在主开关的间隙为14 mm、气压1.5 MPa,短路开关间隙为6 mm、气压1.0 MPa,锐化开关间隙为4 mm、气压1.1 MPa的条件下,实现了宽谱脉冲重复频率20 Hz稳定输出,中心频率达到260 MHz。采用低阻形成线对非匹配传输线充电技术,既实现了高功率宽谱振荡脉冲又提高了脉冲的中心频率。     

200kV小型低电感气体开关

为减小脉冲功率源装置的体积,对场畸变三电极轨道气体开关和两电极轨道气体开关结构进行了小型化低电感设计,采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化,对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同气压(0~0.3MPa)和不同气体介质(N2,SF6,以及二者混合)条件下的击穿电压及导通电感等进行了研究。研究表明:小型触发开关和自击穿开关在0~0.3MPa气压范围内自击穿电压随气压具有较好的线性关系;相同气压下SF6气体的自击穿电压约为N2气体的两倍;N2与SF6压力按3∶2混合的自击穿电压约为纯SF6气体的0.8~0.9倍;内部充入0.25MPa气压的SF6气体时,触发开关和自击穿开关均可在190kV左右正常工作。根据实验中出现的开关沿面击穿现象,对开关的沿面绝缘能力进行了优化设计,并得到了实验验证。另外通过短路放电测试,得到触发开关电感约22nH,自击穿开关电感约20nH,开关导通电流大于20kA,多次放电后电极烧蚀痕迹分布均匀。     

200 kV小型低电感气体开关

为减小脉冲功率源装置的体积,对场畸变三电极轨道气体开关和两电极轨道气体开关结构进行了小型化低电感设计,采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化,对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同气压（0～0.3 MPa）和不同气体介质（N2,SF6,以及二者混合）条件下的击穿电压及导通电感等进行了研究。研究表明：小型触发开关和自击穿开关在0～0.3 MPa气压范围内自击穿电压随气压具有较好的线性关系;相同气压下SF6气体的自击穿电压约为N2气体的两倍;N2与SF6压力按3∶2混合的自击穿电压约为纯SF6气体的0.8～0.9倍;内部充入0.25 MPa 气压的SF6气体时,触发开关和自击穿开关均可在190 kV左右正常工作。根据实验中出现的开关沿面击穿现象,对开关的沿面绝缘能力进行了优化设计,并得到了实验验证。另外通过短路放电测试,得到触发开关电感约22 nH,自击穿开关电感约20 nH,开关导通电流大于20 kA,多次放电后电极烧蚀痕迹分布均匀。     

开关火花电阻对脉冲前沿的影响

分析气体火花开关的电阻特性是研究开关能量损耗、电弧通道的热等离子过程、开关间隙绝缘恢复及输出脉冲特性的重要基础。基于气体开关的导通机理,建立了开关导通工作的电路模型,给出了与形成线、传输线联通的开关等效电路和开关电流表达式,分析了开关电感、电阻对电流增长（脉冲前沿）的影响。研究结果表明：对于大间距、高电压气体开关,火花电阻是影响开关输出脉冲前沿的主要因素。     

50 kV半绝缘GaAs光导开关

设计了横向结构的半绝缘GaAs光导开关,开关由600 μm厚的半绝缘GaAs晶片制成,电极间隙为20 mm。在不同的直流偏置电压下,使用波长为1 064 nm、能量为9.9 mJ的激光脉冲触发使开关导通,开关置于0.2 MPa的SF6气体环境中。在施加直流50 kV电压的情况下,使用Rogowski线圈测得开关的最大导通电流为1.1 kA。对实验结果进行分析表明：随着初始偏置电压的升高,回路流过的电荷与电容初始储存的电荷的比值不断提高,但都没有达到100%,即非线性模式下光导开关的关断原因并不是由于外电路的能量已经耗尽。对非本征光电导的情况,计算出开关的通态电阻为2.71 Ω。     

高功率宽谱开关振荡器

采用1/4波长开关同轴谐振器技术路线,开展了高功率宽谱微波产生及耦合输出技术研究。设计振荡器工作在200 MHz,低阻抗1/4波长同轴传输线与传输线一端的环形多通道气体火花开关构成谐振器,耦合器由集中电容和分布电感构成,实现宽谱微波的能量提取。通过数值模拟研究了振荡器的振荡及耦合输出过程,分析了高压脉冲馈入方式、谐振器阻抗特性及开关齿槽结构对环形开关导通特性的影响。数值模拟和实验结果证明,采用直馈方式、高阻结构和齿槽结构有利于形成开关多通道导通,并提高开关导通的稳定性。在输出电压为500 kV的Marx脉冲功率源平台上构建了高功率宽谱微波产生实验装置,实验得到的宽谱微波振荡频率为195 MHz,辐射因子约150 kV,频谱带宽约30%。     

高功率宽谱开关振荡器

采用1/4波长开关同轴谐振器技术路线,开展了高功率宽谱微波产生及耦合输出技术研究。设计振荡器工作在200 MHz,低阻抗1/4波长同轴传输线与传输线一端的环形多通道气体火花开关构成谐振器,耦合器由集中电容和分布电感构成,实现宽谱微波的能量提取。通过数值模拟研究了振荡器的振荡及耦合输出过程,分析了高压脉冲馈入方式、谐振器阻抗特性及开关齿槽结构对环形开关导通特性的影响。数值模拟和实验结果证明,采用直馈方式、高阻结构和齿槽结构有利于形成开关多通道导通,并提高开关导通的稳定性。在输出电压为500 kV的Marx脉冲功率源平台上构建了高功率宽谱微波产生实验装置,实验得到的宽谱微波振荡频率为195 MHz,辐射因子约150 kV,频谱带宽约30%。     

50 kV半绝缘GaAs光导开关

 设计了横向结构的半绝缘GaAs光导开关,开关由600 μm厚的半绝缘GaAs晶片制成,电极间隙为20 mm。在不同的直流偏置电压下,使用波长为1 064 nm、能量为9.9 mJ的激光脉冲触发使开关导通,开关置于0.2 MPa的SF6气体环境中。在施加直流50 kV电压的情况下,使用Rogowski线圈测得开关的最大导通电流为1.1 kA。对实验结果进行分析表明：随着初始偏置电压的升高,回路流过的电荷与电容初始储存的电荷的比值不断提高,但都没有达到100%,即非线性模式下光导开关的关断原因并不是由于外电路的能量已经耗尽。对非本征光电导的情况,计算出开关的通态电阻为2.71 Ω。     

100 kV重频气体开关初步研究及应用

为了减小脉冲功率源装置的体积, 对三电极气体开关和两电极气体开关的结构进行了小型化设计。采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化, 对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同SF6气压（0～0.2 MPa）、不同开关间隙条件下的击穿电压及触发工作电压等进行了实验研究。结果表明:设计的触发开关和自击穿开关在0～0.2 MPa气压范围内, 自击穿电压随气压具有很好的线性关系; 自击穿开关间隙为8 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现自击穿电压90～125 kV可调; 触发开关主间隙为7 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现触发工作电压40～95 kV 可调; 初步估算, 触发开关和自击穿开关的工作电感均约20 nH。利用重频脉冲电源, 测试了开关的重频工作能力, 在工作电压80 kV、导通电流约20 kA的条件下, 重复工作频率在20 Hz以上。此外, 利用研制的开关构建了八级紧凑型Marx发生器, 实现了5和10 Hz重频多脉冲输出。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

 设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成,每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关,由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极,直径分别是8 cm和5 cm;无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构,输入电极为平板电极,输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV,开关的击穿电压为3 MV,放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下,有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns,没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

300 kV/3 ns脉冲电压源的研制

 研制了一台300 kV/3 ns快前沿脉冲电压源。为了得到快的前沿,设计了低电感的峰化电容和输出开关。其中峰化电容采用3个薄膜电容同轴串联设计,结构紧凑,分布电感小,电极端部的气隙结构使其能承受更高的脉冲高压,实验证明这种结构的峰化电容能承受前沿17 ns、峰值大于300 kV的脉冲高压。输出开关采用高气压小间隙SF₆开关,最高工作气压1 MPa,具有较小的分布电感和火花通道电感。经实验调试,由该峰化电容和输出开关组成的峰化回路在500 kV Marx发生器的驱动下,在150 Ω负载上可得到峰值电压大于300 kV、前沿小于3 ns的脉冲电压输出。     

Blumlein双极脉冲形成线

为了提高超宽带系统的辐射因子,对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究,介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论,通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线,在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究,分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,Blumlein双极脉冲形成线可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍,辐射因子为4.54 MV。     

300 kV/3 ns脉冲电压源的研制

研制了一台300 kV/3 ns快前沿脉冲电压源。为了得到快的前沿,设计了低电感的峰化电容和输出开关。其中峰化电容采用3个薄膜电容同轴串联设计,结构紧凑,分布电感小,电极端部的气隙结构使其能承受更高的脉冲高压,实验证明这种结构的峰化电容能承受前沿17 ns、峰值大于300 kV的脉冲高压。输出开关采用高气压小间隙SF6开关,最高工作气压1 MPa,具有较小的分布电感和火花通道电感。经实验调试,由该峰化电容和输出开关组成的峰化回路在500 kV Marx发生器的驱动下,在150 Ω负载上可得到峰值电压大于300 kV、前沿小于3 ns的脉冲电压输出。     

焦耳级放电激励紫外预电离HF激光器

研制了一台采用紫外火花预电离和横向放电结构的非链式电激励脉冲HF激光装置,采用氢闸流管结合一级磁脉冲压缩开关的高功率电激励系统。实验研究了激光工作介质SF6,H2不同压强比和总工作气压对激光输出能量的影响,得出了最佳气体组分,确定了最佳工作气压。总气压在8.8 kPa,气体组分H2与SF6气压比为1:9时,获得最佳的激光输出,输出能量达到1.3 J,激光器的光电转换效率达到2.4%。: