连续/脉冲复合体制高功率固体激光技术研究

常规高功率激光器以连续或者长脉冲方式工作,与物质作用主要是依靠单一“加热”模式,针对其对复杂目标作用能力有限的问题, 提出一种连续和脉冲激光同时输出,脉宽、重频可调的新体制高功率激光技术,激光放大链路以特殊时域模式工作,即高重频脉冲与连续运转同时输出,在重频10 kHz时,实现输出功率4800 W,其中连续激光功率3600 W,脉冲激光功率1200 W,脉冲宽度为3.6 ns;在重频100 kHz时,实现输出功率4920 W,其中连续激光功率3100 W,脉冲激光功率1820 W,脉冲宽度为7 ns,光束质量4.8倍衍射极限 。     

高功率微波脉冲压缩技术实验研究

 建立了利用储能切换法实现微波脉冲压缩的实验装置并进行了实验研究。在输入脉冲功率为2.7MW,脉冲宽度为1.4μs的情况下,脉冲压缩功率增益近40,输出微波脉冲功率为106MW,脉宽为13～14ns。实验结果表明输出功率增益与气压和气体成分没有明显的联系,气体击穿的分散性可能是导致输出功率增益波动的主要原因。     

紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置的设计研制

分析了三传输线型脉冲压缩装置的原理,从提高功率增益和小型化角度,在脉冲压缩装置中设计了一种3起端并联绕线的内置型高阻螺旋线结构。建立电路仿真模型和三维结构电磁场仿真模型,分析了高阻螺旋线特征参数对功率增益的影响。根据优化后的结果研制出紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置,经测试,前级输入脉冲宽度8 ns,功率1 GW时,输出脉冲宽度1.5 ns,功率3.7 GW,功率增益3.7。经过30万次运行考核,装置内部无滑闪和击穿现象,验证了设计可靠性。     

250 kV，1 MHz重复率方波三脉冲源

 阐述了一种新的实现高功率高重复率方波脉冲源的技术途径，利用高压快恢复整流硅堆把三个独立的方波脉冲合成为一个MHz重复率的方波三脉冲。通过合理的串并联设计，可以提高硅堆在高频脉冲下的反向耐压，并使硅堆通过的正向脉冲电流达到kA量级。方波三脉冲源输出指标达到了电压250 kV，脉冲电流10 kA，峰值功率2.5 GW，重复率1 MHz，脉冲上升时间约40 ns，脉冲平顶宽度50 ns。     

重复频率直线变压器在长脉冲高功率源中的应用

在初级脉冲整形的基础上,利用快直线变压器技术,可以使长脉冲高功率微波驱动源的结构紧凑并实现模块化。为此着重分析了直线变压器的传输效率,研究了导致系统输出波形畸变的主要因素。通过工程实验,取得了功率数GW、重复频率25 Hz、前沿约40 ns、宽度约160 ns的长脉冲电子束流输出。     

能量倍增器法微波脉冲压缩

为了开展S波段能量倍增器脉冲压缩实验,对能量倍增器进行了冷测和热测工作,主要包括对能量倍增器的指标、参数的测量以及在高功率下对能量倍增器的输出功率、功率增益等参数的测量。实验中,完成了微波固态源系统的改造,研制了同步信号控制器,研究了输入输出脉冲宽度对输出峰值功率的影响,并对实验中可能的射频击穿问题进行了研究。在输入功率5 MW时,得到了功率增益7.122,输出脉宽260 ns,输出峰值功率35.35 MW。     

脉冲宽度对核电磁脉冲烧毁RS触发器效应的影响

利用实验室自主开发的二维半导体器件-电路联合仿真器对RS触发器在核电磁脉冲注入下的烧毁情况进行研究,发现烧毁发生在RS触发器内n沟道增强型MOSFET栅极和漏极之间的沟道内。RS触发器烧毁的功率阈值随着脉冲宽度的增加而降低,当脉冲宽度大于80 ns后阈值变化很小。根据仿真结果,通过热传导方程对RS触发器的烧毁情况进行建模,得到了不同脉冲宽度核电磁脉冲注入下RS触发器烧毁功率阈值的理论模型,仿真结果证明了理论模型的正确性。     

重复脉冲强流电子束源长时间稳定运行实验研究

 简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理,利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究,实验结果达到：在100 Hz重复频率下连续运行5 s,脉冲变压器能稳定输出电压1.15 MV,强流束二极管输出电压超过800 kV、束流7 kA、脉冲宽度45 ns,阴极电子发射密度超过10 kA/cm²,且运行稳定可靠。利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究,在50 Hz重复频率下连续运行5 s,输出微波功率超过1 GW,脉冲宽度大于25 ns。     

30GHz RF脉冲展宽器

RF脉冲展宽器用来把高功率窄脉冲变换为较低功率的长脉冲,CLIC实验装置CTFⅡ中的功率提取结构已经可以提供功率达280MW,脉宽16ns的30GHz RF脉冲,为了用它来研究加速结构的最高表面场强和脉宽的关系,设计了30GHz RF脉冲展宽器,完成了系统设计,微波部件的设计及加工,系统的调试,最后安装在CTFⅡ上,并成功进行了高功率实验.     

13μs,200ns和2ns脉冲电场对酵母菌杀灭效果分析

研究了脉冲宽度对高压脉冲下细胞膜和细胞器膜跨膜电压的影响及细胞膜能量的变化,以及13μs,200ns和2ns脉冲对酿酒酵母(CICC31180)杀灭作用时脉冲数的影响。结果表明,随着脉冲数增加,13μs,200ns和2ns脉冲对啤酒酵母的灭杀效果均增强。在13μs脉宽,14kV电压和50个脉冲数下,酵母达到最小存活率-4.3个对数;在200ns脉宽,40kV电压和500个脉冲数下,酵母达到存活率-2.6个对数;在2ns脉宽,200kV电压和500个脉冲数下,酵母达到存活率-2.8个对数。三种脉冲对酵母菌杀灭的存活率对数与脉冲数的关系表现不是线性的,脉冲数增加到一定程度,存活率下降变缓。在同等灭杀效果-2.0个对数下,2ns脉冲比13μs脉冲在同轴电极中损耗的能量更少。     

基极注入强电磁脉冲对双极型晶体管的作用

 空间电磁脉冲注入硅双极型晶体管后可能会导致晶体管烧毁。借助2维数值仿真和理论分析研究了基极注入短电磁脉冲对双极型晶体管的作用,得出结论：晶体管的热斑位于基极边缘,由于该点既是电场峰所在,又是电流最密集之处,热量产生集中,因此基极注入脉冲使晶体管烧毁所需的能量比其它两电极注入要少;在基极注入短脉冲作用下,晶体管烧毁所需能量几乎不随脉冲宽度变化;烧毁所需脉冲功率近似与脉冲宽度成反比。     

长脉冲高功率无箔二极管动力学模拟

 从二极管设计基础出发,对高功率无箔二极管动力学特征进行了模拟分析。结果表明：电子回轰必须被隔断,不仅不能让其轰击支撑绝缘体,也不能轰击二极管管壁。在直线变压器长脉冲功率源二极管实验研究中,通过合理设计阴极屏蔽座,获得了重复频率25 Hz、功率约5 GW、功率传输系数超过95%的环形电子束输出。     

2kV高稳定度高压脉冲电源设计

在一些光学精密仪器的应用场合中,不仅需要脉冲电源在时间上能够提供精确的控制,而且需要具有高稳定度的输出,以提高光电系统的探测性能;运用基于高压开关的两级式方法,采用单级高功率MOSFET开关结合具有高稳定输出的直流电源的结构,设计了输出辐度可达2kV的高稳定负脉冲电源;测试结果表明,在输出脉冲宽度为8 μs时,脉冲前沿约为48 ns,系统延迟时间约为140 ns,负脉冲超调参数约为1%。该系统具有结构简单、可靠性高、高稳定性输出等优点,可以为特定的光电器件提供优质的控制方式。     

纳秒脉冲下典型钳压型浪涌防护元件的响应特性

为研究以压敏电阻和瞬态抑制（TVS）二极管为代表的典型钳压型浪涌防护元件的纳秒脉冲响应特性,为电磁脉冲干扰防护元件的选型提供科学依据,分别基于百ns和2 ns上升前沿电磁脉冲直接注入的方式,实验测试并对比分析两类元件在不同脉冲上升沿时间、电压幅值等情况下的响应差异,并阐明产生过冲响应差异的物理机理。结果表明:两类防护元件的响应时间均与注入纳秒脉冲上升沿时间有关,且随着上升沿的增加而变长,其中TVS二极管在相同上升脉冲情况下具有更为敏感的响应速度;当注入脉冲电压幅值增加时,PN结热积累加快,击穿速度加快,元件响应时间更短,相比于TVS稳定的钳位幅值,压敏电阻在钳位幅值附近处振荡明显;当快速脉冲到达时,压敏电阻和TVS二极管响应曲线在钳位幅值稳定前均发生过冲现象,并且两类防护元件的过冲电压均随着注入脉冲幅值的增加而增加;尽管钳位电压幅值由自身防护特性决定,但在相同注入脉冲条件下,同类不同型号的防护元件过冲电压几乎相同,通常压敏电阻过冲电压小于钳位电压,而TVS二极管则相反,并且随着钳位幅值变小,过冲电压与钳位电压的比值变大,这意味着过冲现象对低压TVS二极管性能影响更为严重。     

带阻性负载细导线对电磁脉冲响应的有限差分算法

在原始的FDTD细线算法基础上,把带负载细导线模型分成导线、电阻和吸收三个部分,分别用不同的偏微分方程描述,使其可以处理两端带有纯电阻性负载细线电磁脉冲散射问题,进而得到电阻负载上消耗的总能量及对应的功率消耗。用该方法计算得到的结果与文献结果进行了比较,证明了该方法的有效性。最后用此方法对一种典型情况进行了计算,并对结果进行了分析。该方法是对FDTD方法中细线算法的补充和提高,经过修改也可以用于非阻性负载的情况。     

长脉冲激光辐照下环氧树脂的热烧蚀规律

 研究了树脂基复合材料中常用的E-51环氧树脂在ms级脉冲激光辐照下热烧蚀率及质量烧蚀率的变化规律,分析了脉冲激光的辐照时间、峰值功率密度、重复频率以及脉宽对烧蚀率的影响。研究结果表明：随辐照时间的增加热烧蚀率逐渐增大,但辐照一定时间后,热烧蚀率趋于稳定;峰值功率密度的增加能明显提高热烧蚀率,但随峰值功率密度的增加,热烧蚀率的增幅减小直至趋于一定值;热烧蚀率不随脉冲激光重复频率和脉宽的变化而改变,当峰值功率密度一定时,热烧蚀率一定,质量烧蚀率与频率和脉宽成正比。     

Evolution of pulse shortening research in narrow band, high powermicrowave sources

The achievements resulting from the application of advanced pulsed power to the generation of high power microwaves (HPM) have included the generation of multi-gigawatt pulses of RF energy. The power achievable is orders of magnitude greater than conventional microwave sources can generate. However, the introduction of the HPM technology into logical applications has been limited to date due to the phenomenon of pulse shortening in which the RF pulse terminates before the pulse power source used to produce it. Conventional microwave tubes can generate a few to 10 MW of power with pulsewidths of many microseconds when required. High power microwave sources can produce gigawatts of power, but only for relatively short pulsewidths, typically tens to hundreds of nanoseconds. An international effort during the past few years has generated important new discoveries toward the elimination of pulse shortening. Some of the new techniques have the potential for helping the conventional tube industry as well as being practical for high power microwave sources. This paper reviews the pulse shortening problem, its causes, and the worldwide scope and direction of research conducted to date to resolve it. The paper also discusses the potential remedies for the problem and recommends a course of research to further progress on the issue     

爆炸驱动铁电体电源快脉冲产生技术

以发展轻小型高电压脉冲驱动源为出发点,提出采用爆炸驱动铁电体作为初级电源,通过电感储能与电爆炸丝断路开关进行脉冲压缩和功率放大,探索基于爆炸驱动铁电体电源的小型化高电压快脉冲产生技术。从爆炸驱动铁电体电源的全电路模型和铁电陶瓷材料特性出发,通过理论分析和仿真研究,分别对大电流模式和高电压模式的爆炸驱动铁电体电源的物理参数进行了设计,获得了铁电体电源工作模式和电路参数对产生高电压脉冲的影响规律,认为铁电体电源高电压模式更适合于与断路开关技术结合产生高电压快脉冲,并通过实验对该技术原理进行了验证。实验中铁电体电源输出电流约360 A、脉宽约3.8 μs,对17.5 nF电容器充电至75 kV,电容器放电后在电爆炸断路开关中产生峰值大于12 kA的脉冲电流,最终在X射线二极管负载上获得了电压峰值大于180 kV、前沿3 ns、脉宽30 ns、电流峰值3.4 kA的高电压快脉冲。     

基于DSRD的高重频固态脉冲源的研制

介绍了一种基于新型高功率超高速半导体断路开关—漂移阶跃恢复二极管(DSRD)和可饱和脉冲变压器的高电压高重频超高速全固态脉冲源。设计了脉冲源的电路拓扑结构,理论上分析了脉冲源电路的工作原理,研究获得了可饱和脉冲变压器匝数、磁芯截面积及负载阻抗等参数对脉冲源输出特性的影响的规律。实验结果表明:脉冲源在50 kΩ阻性负载条件下,输出脉冲峰值电压约38.2 kV,脉冲前沿约7.1 ns,脉冲宽度约14.1 ns,输出峰值功率约29.2 kW,可在400 kHz重复频率下稳定工作。