4层圆盘锥形磁绝缘传输线的电流测量

为获取PTS装置磁绝缘传输线的电流,设计、标定了微分环。探头使用镍铬合金膜屏蔽空间电子,采用在线标定。设计相应的馈入结构从负载区分别对不同层磁绝缘传输线馈入信号,在每个三平板传输线出口的板堆过渡区位置安装短路杆,能够在磁绝缘传输线上得到基本均匀的电流,实现电流探头的逐层标定。频响分析表明金属膜屏蔽效应导致探头的高频特性变差。实验表明,贴膜的探头频响上限为50.3 MHz,满足被测信号的要求。实测PTS装置磁绝缘传输线电流与负载区电流的测量结果自洽,且各层电流与总电流等结果符合理论预计。     

4层圆盘锥形磁绝缘传输线的等效电路模型

根据磁绝缘特征将PBFA Z加速器的4层圆盘锥形磁绝缘传输线结构分成几段串联的集中电感,结合磁绝缘临界电流、空间电荷限制流、Mendel磁压力平衡及丝阵内爆动力学等计算模型,并引入主要的结构参数,建立4层圆盘锥形磁绝缘传输线的等效电路模型,模型计算结果与实验结果、其它模型计算结果符合较好,模型可以用于定性或半定量设计及分析类似结构的磁绝缘传输线。     

4层圆盘锥形磁绝缘传输线的等效电路模型

 根据磁绝缘特征将PBFA Z加速器的4层圆盘锥形磁绝缘传输线结构分成几段串联的集中电感，结合磁绝缘临界电流、空间电荷限制流、Mendel磁压力平衡及丝阵内爆动力学等计算模型，并引入主要的结构参数，建立4层圆盘锥形磁绝缘传输线的等效电路模型，模型计算结果与实验结果、其它模型计算结果符合较好，模型可以用于定性或半定量设计及分析类似结构的磁绝缘传输线。     

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。     

磁绝缘传输线损失电流等效电路模型

在粒子模拟的基础上,结合经典空间电荷限制流、磁绝缘临界电流的理论公式,拟合得到磁绝缘传输线中空间电荷限制流的修正计算公式,并进一步建立磁绝缘传输线损失电流的插值计算模型。该模型不需要求解广义泊松方程,计算效率高。通过对长同轴磁绝缘传输线的等效电路模拟,得到了与全尺寸粒子模拟结果基本一致的负载电压波形,插值计算模型不仅正确地反映了磁绝缘传输线中的电流损失过程,而且其等效电路模拟计算效率比粒子模拟提高3000倍以上。     

磁绝缘传输线损失电流等效电路模型

在粒子模拟的基础上,结合经典空间电荷限制流、磁绝缘临界电流的理论公式,拟合得到磁绝缘传输线中空间电荷限制流的修正计算公式,并进一步建立磁绝缘传输线损失电流的插值计算模型。该模型不需要求解广义泊松方程,计算效率高。通过对长同轴磁绝缘传输线的等效电路模拟,得到了与全尺寸粒子模拟结果基本一致的负载电压波形,插值计算模型不仅正确地反映了磁绝缘传输线中的电流损失过程,而且其等效电路模拟计算效率比粒子模拟提高3000倍以上。     

磁绝缘传输线无损磁绝缘形成过程的电磁模型

通过分析空间电子与极间电磁场之间的能量交换关系,以及磁绝缘传输线（MITL）横截面上的电磁场总能量变化,给出了量化无损磁绝缘形成过程始末时刻线电压和线电流关系的电磁模型。将模型应用于Z加速器的MITL-A发现：磁绝缘形成过程将导致线电流增加和线电压降低;如果初始时刻的线电流无限大,则终止时刻的线电压和线电流与初始时刻相同;当终止时刻的空间电子电流在线电流中的比例小于10%,则MITL-A终止时刻的线电压和线电流较初始时刻的变化在5%以内。这些现象与定性分析结果一致。     

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。     

磁绝缘传输线无损磁绝缘形成过程的电磁模型

 通过分析空间电子与极间电磁场之间的能量交换关系,以及磁绝缘传输线（MITL）横截面上的电磁场总能量变化,给出了量化无损磁绝缘形成过程始末时刻线电压和线电流关系的电磁模型。将模型应用于Z加速器的MITL-A发现：磁绝缘形成过程将导致线电流增加和线电压降低;如果初始时刻的线电流无限大,则终止时刻的线电压和线电流与初始时刻相同;当终止时刻的空间电子电流在线电流中的比例小于10%,则MITL-A终止时刻的线电压和线电流较初始时刻的变化在5%以内。这些现象与定性分析结果一致。     

四种磁绝缘传输线的横向空间电荷流

 根据电磁场基本理论及电子运动守恒方程，导出平板、圆柱、圆锥和圆盘这4种常用传输线的横向空间电荷流的数值模型和磁绝缘临界条件。通过数值模拟得到:传输线的电压越高，无磁场的横向空间电荷流越大，但是磁缘性能却越显著；若分别增大圆柱、圆锥的几何结构因子，既有助于减小它们的无磁场横向空间电荷流又有助于增强它们的磁绝缘性能；对于圆锥，若电极夹角较大，内电极的极角较小，则对减小无磁场空间电荷流和增强磁绝缘性也有一定好处。     

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。     

磁绝缘传输线的模拟设计与实验

对长距离磁绝缘传输线（MITL）的传输效率和结构变化带来的影响进行了评估。介绍了MITL稳态流与非稳态流理论,为了验证各种条件对传输效率的影响进行了粒子模拟,修改了MITL的结构并设计了若干对应的分解检验实验。通过准确测量同一位置的阴阳极电流和电压验证了Mendel层流理论公式。已完成的电感支撑阴阳极实验结果表明,使用合适量级电感型刚性弹簧对内外筒进行固定可以满足传输效率设计要求。     

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。     

磁绝缘传输线的模拟设计与实验

对长距离磁绝缘传输线（MITL）的传输效率和结构变化带来的影响进行了评估。介绍了MITL稳态流与非稳态流理论,为了验证各种条件对传输效率的影响进行了粒子模拟,修改了MITL的结构并设计了若干对应的分解检验实验。通过准确测量同一位置的阴阳极电流和电压验证了Mendel层流理论公式。已完成的电感支撑阴阳极实验结果表明,使用合适量级电感型刚性弹簧对内外筒进行固定可以满足传输效率设计要求。     

测量数MA脉冲电流的探头设计与标定

为获得聚龙一号装置负载区电流,设计了测量探头,通过频响测试得到探头的频率上限为51.7 MHz;针对标定装置的逼真性进行了分析,实验结果表明,负载区电流探头的灵敏度在误差范围内不受柱孔盘旋面的影响。通过标定结果的外推分析可知：外推是否可靠是由探头能否满足相应测量的工作条件决定,而不是受外推的数量级限制。通过探头测量范围的分析及相应干扰实验,认为标定满足测试需求。实测结果表明负载区电流与磁绝缘传输线电流的测量结果自洽。     

磁绝缘电压叠加器功率流的电路计算方法

以已建成的10级直线变压器驱动源系统为依托,以传输线计算方法为基础,通过引入空间电荷限制流和磁绝缘流阻抗模型,对感应电压叠加(IVA)真空功率流的电路计算方法进行了探索,开发了包含磁绝缘过程的全电路计算程序,提供了一种快速评估该IVA系统真空功率流的方法。计算结果表明:对磁绝缘状态下流阻抗的描述是该方法准确计算的关键;解决好算法的数值稳定性,避免数值振荡的发生,是将这一方法推广应用的重要前提。     

磁绝缘电压叠加器功率流的电路计算方法

以已建成的10级直线变压器驱动源系统为依托,以传输线计算方法为基础,通过引入空间电荷限制流和磁绝缘流阻抗模型,对感应电压叠加(IVA)真空功率流的电路计算方法进行了探索,开发了包含磁绝缘过程的全电路计算程序,提供了一种快速评估该IVA系统真空功率流的方法。计算结果表明：对磁绝缘状态下流阻抗的描述是该方法准确计算的关键;解决好算法的数值稳定性,避免数值振荡的发生,是将这一方法推广应用的重要前提。     

一体化D-dot探头在传输线电压测量中的设计和应用

设计一种一体化D-dot探头开展脉冲功率装置中传输线高电压测量工作。D-dot探头安装在传输线外筒上,主要由基座、密封电缆头、探头外壳、绝缘层、信号电极和连接杆构成。采用同轴螺纹连接及限位结构将探头各部件形成一个整体,实现结构的紧凑性和拆装过程的完整性。利用密封BNC探头和无氧铜密封圈实现良好的密封性能,同时减小探头的弹性余量保证测量的准确性。设计了较小的探头对地电容,从而获得良好的高频响应。采用OrCAD/Pspice开展电路模拟,结果显示设计的探头满足信噪比和前沿响应要求。采用CST开展静电场模拟,结果显示设计的D-dot探头可以满足1 MV传输线电压下的绝缘要求。标定和实验结果表明该探头可以响应前沿为几十ns的信号,能够满足测量需要。