基于Tesla变压器和螺旋线的长脉冲发生器

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器，该发生器的螺旋型形成线包含有磁性材料构成的内导体棒和外屏蔽。形成线通过内置的高耦合Tesla变压器充电，变压器的初级线圈紧靠外磁芯导体，次级线圈位于螺旋中筒和外筒之间。对这种结构的螺旋线进行了特征参数的理论计算和波传输数值模拟，并进行了简单的原理验证实验。实验结果表明:这种设计是合理的、可行的。     

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。     

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。     

基于螺旋线的紧凑型高压纳秒脉冲发生器

提出了一种结合高耦合Tesla变压器和螺旋形成线(FL)的紧凑型高压纳秒脉冲发生器,由内置Tesla变压器充电的螺旋FL包含外屏蔽筒、螺旋中筒和内导体筒,内外筒的两端均短路连接,螺旋中筒的一端开路,另一端穿过内外筒短路端面并与主开关电极连接。该结构简单紧凑、易于实现,输出脉冲前沿快、平顶好。给出了一组10 GW功率、百ns脉宽的FL设计,采用Midel 7131合成酯绝缘介质,FL外筒内径0.88 m,长度2 m。     

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%。     

三导体螺旋脉冲形成线的输出特性

 采用横电磁波传输理论,分析了三导体螺旋脉冲形成线（PFL）（包含内筒、螺旋中筒和外筒）的脉冲形成过程,给出了螺旋PFL的波阻抗、慢波系数、输出脉冲的平顶波动幅度等特征参数的计算公式。研究表明:三导体螺旋PFL具有与螺旋传输线同样的波阻抗和慢波系数;螺旋PFL的输出脉冲平顶波动,随着慢波系数或负载阻抗的增大而减小。     

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500mm缩减至100mm。     

基于三导体同轴线和Tesla变压器的脉冲形成线理论分析

 提出一种由三导体同轴线构成的脉冲形成线技术方案,利用中筒改善内外筒间电场分布,提高平均场强,从而获得更高的形成线电压及储能。利用双次级Tesla变压器为形成线充电,简单分析了电路特点及次级电压波形,给出两个筒间隙电压达到恰当比例对应的充电时间。通过优化内筒、中筒半径,得到形成线电压和储能曲线,结果表明:外筒半径固定时,形成线电压和储能均存在最大值。特别分析了有效储能问题,给出了有效储能曲线和能量效率曲线。     

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。     

基于细线径螺旋脉冲形成线的长脉冲产生技术

提出了一种包含内外筒、细线径、多起端密绕的螺旋脉冲形成线(PFL)结构,与Tesla变压器有机组合,构建了长脉冲产生装置,可以实现较高的能量效率,并且结构紧凑,适于重复频率工作。以最大充电电压为结构设计原则,螺旋PFL波阻抗为12.6倍慢波系数,且形成线纵横比大于3.1时,Tesla变压器的耦合度能达到0.95;以形成线最大储能为结构设计原则,螺旋PFL波阻抗为7.5倍慢波系数,且形成线纵横比大于2.0时,Tesla变压器的耦合度能达到0.95。实验结果与理论分析吻合得较好。     

螺旋线型三导体脉冲形成线快波抵消方法

针对螺旋线型三导体脉冲形成线的快波振荡问题,提出一种阻抗分两段阶梯变化的螺旋线结构,分析了此类螺旋线快波反射与慢波反射相互抵消快波的条件,给出两段变阻抗螺旋线慢波系数之间的关系式以及匝数密度之比计算方法,通过仿真计算证明该方法能有效消除快波反射对螺旋线输出脉冲的影响。     

细线径螺旋线长脉冲产生技术

 提出了双路输出的螺旋脉冲形成线(PFL)结构,该结构内置用于充电的高耦合变压器,在螺旋PFL的两端各自输出一个脉冲,副路匹配输出时主路输出脉冲波形具有良好的平顶品质,主路输出脉冲能量占储能的大部分,解决了Korovin提出的螺旋PFL充电问题。对比分析双路输出的螺旋 PFL与SINUS-700/130两种技术路线,结果发现双路输出的螺旋 PFL改善了输出脉冲的平顶质量,输出功率提高29%,但是副路输出占用11%的储能,不易充分利用。     

加速器中内置式预脉冲抑制电感的研制

 介绍了预脉冲抑制电感值的选取、大体积电感值的计算、电感在传输线内筒中的绝缘设计和主脉冲在电感上的传输时间以及等效阻抗。根据对电感值与传输线、输出线电压和二极管电流之间关系的数值模拟,预脉冲抑制电感应取值5 μH,并通过实验给出了屏蔽筒中大型电感的计算方法。根据对电感管与传输线内筒之间以及电感匝间电场强度的分析和数值模拟,确定了电感长度630 mm、外径1 160 mm和管径102 mm。通过对电感与传输线内筒之间构成的带绕螺旋传输线等效PSpcie的模拟计算,得到了电感传输线支路上的单次传输时间为349 ns,大于主脉冲的宽度;在主脉冲期间,带绕传输线的阻抗大于25 Ω,也远大于传输线的阻抗。通过内置式预脉冲抑制电感已向水介质同轴线中的气体开关引入了触发高压和工作气体。     

多倍脉宽输出的螺旋重入脉冲形成线

提出了一种螺旋线重入结构的脉冲形成线,可实现多倍脉宽输出。该结构由储能外线和重入内线组成;重入内线的外屏蔽圆筒内表面呈阶梯状,内筒为均匀螺旋线结构,实现简单;储能外线与Tesla变压器一体化。结合采用螺旋重入和二级重入结构,给出了一组10 GW功率、百ns脉宽的重入型脉冲形成线设计,形成线采用Midel 7131合成酯绝缘介质,外筒内径1 m,长度2 m。     

磁芯对螺旋线放电波过程的影响

提出了采用渐开线硅钢叠片的变压器磁芯与螺旋线的一体化的长脉冲产生结构;计算了螺旋线引入磁芯后,电磁波延迟传输的慢波系数和波阻抗参数,以及脉冲形成的输出参数,并开展了数值模拟进行验证。研究结果表明:引入磁芯后,螺旋线上慢波传输时,内外筒电流沿磁芯基底而非磁芯表面;磁芯的径向厚度相对磁芯径向尺寸越小,磁芯对脉冲形成的影响越小。