一种重复频率脉冲导引磁场的设计

介绍了一种重复频率脉冲磁场作为高功率微波源的导引磁场的设计,该磁场电源具有功耗低、发热量小、结构紧凑等优点,符合高功率微波朝重复频率方向发展的需求。从产生脉冲磁场的电流表达式出发,根据涡流损耗不能太大、品质因数要高和电容储能要小的原则,给出了脉冲磁场产生系统的储能电容和充电电压的优化设计方法。最后将此方法应用于Ka波段返波振荡器导引磁场的设计,确定出产生脉冲磁场电路的电容和充电电压的值,并进行了仿真和实验研究,结果与理论要求吻合较好,在重复频率10 Hz条件下能稳定运行,验证了设计的合理性。     

低阻无箔渡越辐射振荡器励磁系统

为开展L波段低阻无箔渡越辐射高功率微波发生器的单次实验,设计了一种满足需要的电容器储能脉冲磁场系统。系统储能电容5.4 mF,设计的螺线管线圈长45 cm,其理论电感和电阻值分别为42 mH和0.66 。基于该设计,绕制了磁场线圈并搭建了实验平台,线圈实际电感和电阻值分别为40 mH和0.61 。目击靶实验进一步证实了励磁系统产生的导引磁场能够较好地约束电子束。     

4.8MJ脉宽调制型励磁电源设计

利用脉宽调制技术,设计了一台为高功率微波源提供导引磁场的脉宽调制型励磁电源,它可在励磁线圈中产生一定持续时间的准稳态强磁场。励磁电源的储能部分采用容量15 F、最高充电电压800 V的储能密度较高的超级电容器,最大储能为4.8 MJ,内阻小于0.25Ω。在储能电容充电645 V的情况下,对电感约为60 mH、电阻约0.40Ω的励磁线圈进行了励磁实验,获得了持续时间为1.9 s、幅值为900 A准稳态电流,电流波动幅度为5%,对应线圈中的最大轴向磁场为2.2 T。实验结果与理论计算基本一致,表明所研制的励磁电源达到了设计要求。     

4.8 MJ脉宽调制型励磁电源设计

利用脉宽调制技术,设计了一台为高功率微波源提供导引磁场的脉宽调制型励磁电源,它可在励磁线圈中产生一定持续时间的准稳态强磁场。励磁电源的储能部分采用容量15 F、最高充电电压800 V的储能密度较高的超级电容器,最大储能为4.8 MJ,内阻小于0.25 Ω。在储能电容充电645 V的情况下,对电感约为60 mH、电阻约0.40 Ω的励磁线圈进行了励磁实验,获得了持续时间为1.9 s、幅值为900 A准稳态电流,电流波动幅度为5%,对应线圈中的最大轴向磁场为2.2 T。实验结果与理论计算基本一致,表明所研制的励磁电源达到了设计要求。     

基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源

针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络（PFN）储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5?上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶（90%～90%） 74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84?负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。     

低磁场谐振腔切仑科夫振荡器-锥形放大器的初步实验研究

设计了一种能工作在低磁场高功率的慢波器件,该器件通过谐振腔将切仑科夫振荡器与锥形放大器有机地结合,充分利用电子的能量,实现了高效的微波产生。给出了初步的实验结果,在束流电压450 kV,电流2.3 kA,导引峰值磁场0.6T的情况下,得到230 MW,频率为10.33 GHz,模式TM01的微波输出,效率达到23%。实验结果与粒子模拟结果基本吻合。     

高功率重复频率脉冲充电电源设计与实验研究

基于高功率重复频率脉冲功率源的需求,开展了高功率脉冲充电电源的重复频率特性研究,分析了基于全桥串联谐振充电原理的恒流充电技术。根据高功率Marx型脉冲功率源的工作要求,计算了串联谐振充电的各个关键参数。研制的紧凑型高功率脉冲充电电源,最大输出电压±50 kV,充电电流2.5 A,重复频率1~50 Hz连续可调,可在重复频率条件下长时间稳定运行。该充电电源体积小、质量轻、抗干扰能力和抗负载短路能力强,已经应用于高功率重复频率脉冲功率源技术研究,实现了10万次重复频率无故障运行。     

低磁场谐振腔切仑科夫振荡器-锥形放大器的初步实验研究

设计了一种能工作在低磁场高功率的慢波器件,该器件通过谐振腔将切仑科夫振荡器与锥形放大器有机地结合,充分利用电子的能量,实现了高效的微波产生.给出了初步的实验结果,在束流电压450kV,电流2.3 kA,导引峰值磁场0.6T的情况下,得到230 MW,频率为10.33 GHz,模式TM01的微波输出,效率达到23%.实验结果与粒子模拟结果基本吻合.     

串联谐振高压电容充电电源设计及分析

针对高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求,基于全桥串联谐振恒流充电技术,研制了一台紧凑型串联谐振高压电容充电电源,平均充电功率12 kW。该电源采用超级电容器预储能和全桥串联谐振电路,大幅降低了场地供电需求,结合模块化集成设计,实现了一体化、便携式设计。针对脉冲驱动源工作需求,分析了全桥串联谐振电路的基本原理和工作过程,给出了电路参数设计方法和Pspice电路仿真结果,利用该电源对等效电容量为0.3 μF的脉冲驱动源进行了充电测试,实现了45 ms内充电60 kV以上,实验结果表明, 其输出能力满足PFL-Marx脉冲驱动源的20 Hz重频充电需求。     

重复频率脉冲磁场初级能源

为产生重复频率脉冲磁场的螺线管,研制了一种新型的初级能源,它采用半桥串联谐振恒流充电拓扑结构,可在0~2.5 kV范围内实现输出可调,最大平均充电功率达4.7 kW。该电路最大特色在于无需使用外加谐振元件,只利用变压器的漏感和半桥桥臂电容组成谐振元件。简要分析了电路的工作过程,给出了电路参数设计方法和设计实例,并进行电路仿真和初步实验研究,结果表明,该设计基本达到要求。最后,进行了带螺线管负载的实验研究,实验证明该能源在重复频率10 Hz条件下运行稳定可靠。     

重复频率脉冲磁场初级能源

为产生重复频率脉冲磁场的螺线管,研制了一种新型的初级能源,它采用半桥串联谐振恒流充电拓扑结构,可在0～2.5 kV范围内实现输出可调,最大平均充电功率达4.7 kW。该电路最大特色在于无需使用外加谐振元件,只利用变压器的漏感和半桥桥臂电容组成谐振元件。简要分析了电路的工作过程,给出了电路参数设计方法和设计实例,并进行电路仿真和初步实验研究,结果表明,该设计基本达到要求。最后,进行了带螺线管负载的实验研究,实验证明该能源在重复频率10 Hz条件下运行稳定可靠。     

固态化高功率长脉冲驱动源重频特性

基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键技术, 提出并研制了一台固态化高功率长脉冲驱动源。在前期通过2 GW单次实验验证技术方案的基础上, 研制了中等电压等级的重复频率初级电源;改进了两级磁脉冲压缩系统的复位和绝缘特性;优化了系统整体电路结构, 利用感应电压叠加器完成充电磁开关和脉冲升压的双重功能;设计了合理的复位路径, 实现了各部分磁芯的在线直流复位;并开展了重频运行研究。在电阻负载上获得了输出功率2.1 GW、脉宽约170 ns、重复频率20 Hz及运行时间1 s的实验结果, 脉冲波形的重叠一致性好。     

X波段永磁包装相对论返波管研制

设计了一个X波段相对论返波管,通过对器件结构的特殊设计,提高了器件的Q值,同时增大了电子束与慢波结构之间的耦合阻抗,从而实现器件的低磁场运行以便对其进行永磁包装;当引导磁场强度0.46 T、电子束束压750 kV、束流约5.5 kA时,得到频率9.1 GHz、功率1.24 GW的微波输出。根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46 T的小型化永磁磁体,该磁体长48 cm,最大外半径15 cm,总重量约116 kg。开展了永磁包装返波管的实验研究,得到以20 Hz的频率运行1 s时功率900 MW、单次运行时功率940 MW的X波段微波输出。     

X波段永磁包装相对论返波管研制

设计了一个X波段相对论返波管,通过对器件结构的特殊设计,提高了器件的Q值,同时增大了电子束与慢波结构之间的耦合阻抗,从而实现器件的低磁场运行以便对其进行永磁包装;当引导磁场强度0.46 T、电子束束压750 kV、束流约5.5 kA时,得到频率9.1 GHz、功率1.24 GW的微波输出。根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46 T的小型化永磁磁体,该磁体长48 cm,最大外半径15 cm,总重量约116 kg。开展了永磁包装返波管的实验研究,得到以20 Hz的频率运行1 s时功率900 MW、单次运行时功率940 MW的X波段微波输出。     

脉冲磁场对水热法制备Mn掺杂ZnO稀磁半导体的影响

本文以Zn(CH₃COO)₂·2H₂O, Mn(CH₃COO)₂·4H₂O和氨水缓冲溶液为原料, 在4 T脉冲磁场下利用水热法制备了Mn掺杂ZnO稀磁半导体晶体, 通过X射线衍射、 扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、荧光分光光度计及振动样品磁强计等对样品的微观结构及磁性能等进行了表征, 结果表明: Mn掺杂ZnO稀磁半导体晶体仍保持ZnO六方纤锌矿结构, 4 T脉冲磁场下合成的Mn掺杂ZnO稀磁半导体晶体具有明显的室温铁磁性, 其饱和磁化强度(M_s)为0.028 emu/g, 比无脉冲磁场下制备的样品提高一倍以上, 且4 T 脉冲磁场将样品的居里温度提高了15 K.     

固态化高功率长脉冲驱动源重频特性

基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键技术, 提出并研制了一台固态化高功率长脉冲驱动源。在前期通过2 GW单次实验验证技术方案的基础上, 研制了中等电压等级的重复频率初级电源;改进了两级磁脉冲压缩系统的复位和绝缘特性;优化了系统整体电路结构, 利用感应电压叠加器完成充电磁开关和脉冲升压的双重功能;设计了合理的复位路径, 实现了各部分磁芯的在线直流复位;并开展了重频运行研究。在电阻负载上获得了输出功率2.1 GW、脉宽约170 ns、重复频率20 Hz及运行时间1 s的实验结果, 脉冲波形的重叠一致性好。     

矩形栅慢波系统的高频特性分析

对于矩形栅这一经典的慢波结构，采用场匹配法来分析其慢波特性，进而得到其耦合阻抗。其中对槽区内的场处理，保留其高次项，表示为一无限本征驻波之和的形式。然后通过数值实例具体分析了矩形栅的两种典型结构:浅槽栅和深槽栅。当增大槽深后，色散增强，系统通带变窄，同时耦合阻抗有明显增大，工作点移向前向波区，适合用在放大器的慢波结构上。     

低引导磁场下环形强流电子束产生实验研究

针对基于SOS脉冲功率源S-5N的输出特点,利用PIC数值模拟软件,为S-5N设计了能够工作在低引导磁场条件下的无箔二极管系统,并在S-5N脉冲功率源上进行了低引导磁场环形强流电子束产生的实验研究。在引导磁场为0.5 T条件下,无箔二极管电流输出波形近似为梯形波,脉冲上升沿约9 ns,平顶部分约26 ns,二极管电压420 kV,电流2.7 kA,束斑平均半径约16 mm,具有良好的均匀性。