用于聚四氟乙烯表面处理的重复频率高压脉冲电源

采用自行研制的μs级重复频率高压单极性脉冲电源,应用于聚四氟乙烯(PTFE)膜表面改性,研究脉冲放电等离子体对PTFE薄膜表面改性的作用规律。测量处理前后PTFE薄膜表面的水接触角,结果显示,在特定的脉冲参数及更严格的对比条件下其平均水接触角从112°下降到85°,PTFE薄膜表面亲水性改善效果非常显著。脉冲电源采用脉宽调制控制方式,通过逆变升压及波形整形,得到脉冲电压幅值0~20kV、重复频率0~20kHz、脉宽5~15μs、上升沿500ns~2μs、下降沿大于20μs的单极性脉冲。     

正负双极性直流高压充电电源设计北大核心CSCD

高压脉冲电容器是脉冲功率系统中应用较广的储能器件。根据大容量能库型脉冲装置对充电电源的技术要求,研制了一种输出电压±0.5~±10 kV可调、最大平均功率约3 kW、双极性一体化直流高压充电电源。设计上采用控制电路与正负双极性直流高压输出主电路一体化方式,通过隔离、屏蔽和保护措施,解决了目前双极性直流高压充电电源存在的正负极性电压不平衡、采样控制信号与高压地未隔离问题,减小了电源体积,提高了电源的鲁棒性、可靠性和电磁干扰能力。100多台充电电源在18.3 MJ脉冲装置中同时运行,在复杂电磁干扰环境下可靠稳定工作。     

光导开关Blumlein型脉冲网络电压传输效率

为了在高阻负载上获得高效率的重复频率平顶高压脉冲输出,开展了影响基于光导开关的Blumlein型脉冲形成网络电压传输效率因素的初步实验研究。以陶瓷电容、铝条和GaAs光导开关构成全固态Blumlein型脉冲形成网络（BPFN）,采用气体间隙进行了设计参数的验证实验,在匹配负载上研究了光导开关工作场强、激光触发能量与BPFN电压转换效率的关系。设计的BPFN阻抗7.8 ,电长度32.6 ns,实验表明光导开关较高的导通电阻是影响PCSS-BPFN电压传输效率的主要因素。当触发激光能量30.4 mJ,工作场强25.1 kV/cm时,获得电压效率83.2%,相应最小导通电阻1.89 ;在触发激光能量3.5 mJ时,为了使阻抗为7.8 的BPFN在匹配负载上达到75%以上电压传输效率,应至少使光导开关工作场强为25.1 kV/cm,相应最小导通电阻2.88 。     

大功率光导开关研究

设计了横向结构的半绝缘GaAs光导开关和SiC光导开关。在不同的直流偏置电压下,使用波长为1 064 nm的激光脉冲触发使开关导通,研究了非本征光电导方式下GaAs光导开关和SiC光导开关的光电导特性。实验中获得了GaAs光导开关的暗态伏安曲线和200～1 100 nm波长范围内吸收深度随波长的变化曲线,得到了大功率GaAs光导开关在线性模式和非线性模式下的电流波形,并进行了比较,讨论了非线性模式下大功率GaAs光导开关的奇特光电导现象。对非本征光电导方式下的SiC光导开关进行了初步实验研究,得到了偏置电压3.6 kV下开关的电压和电流波形。     

脉冲高电压幅值测量的不确定度分析

在脉冲高电压幅值测量的不确定度评定中,从测量和标定溯源的角度出发将不确定度来源分为示波器测量不确定度和探头不确定度。以初级实验平台单路样机三板线入口电压的测量为例,按照探头不确定度的来源分别分析了三板线电压测量随机效应产生的不确定度,D-dot探头和电阻分压器标定时的系统效应和随机效应产生的不确定度,示波器和衰减器的校准不确定度,示波器的分辨力不确定度。同时进行了测试和标定系统的频率响应分析,以证明被测信号在测试系统的频率响应范围之内。以相关实验数据为基础计算了各个不确定度分量、合成标准不确定度以及扩展不确定度。按工程测量要求取包含因子为2,可得三板线入口电压测量值为1.89 MV,扩展不确定度为3.9％。     

超晶格的位错模型与系统的动力学稳定性

在经典力学框架内和Seeger方程基础上,讨论了超晶格界面附近的位错动力学行为,指出了由于系统的分叉或混沌将导致位错的运动与堆积,造成了超晶格的分层或断裂;同时,也指出了,将生长过程中的超晶格置于适当的声场中将应力减至最小,或者适当调节系统参数就可最大限度的保证系统的动力学稳定性.首先,引入阻尼项,把描述一般位错运动的Seeger方程化为了超晶格系统的广义摆方程.利用Jacobian椭圆函数和椭圆积分分析了无扰动系统的相平面特征,并解析地给出了系统的解和粒子振动周期.其次,利用Melnikov方法分析了系统相平面上三类轨道的分叉性质和进入Smale马蹄意义下的混沌行为,找到了系统的全局分叉与系统进入混沌的临界条件.结果表明,系统的临界条件与它的物理参数有关,只需适当调节这些参数就可以原则上避免、控制分叉或混沌的出现,进一步保证生长过程的稳定性和超晶格材料的完整性.     

模块化多路同步快脉冲触发源设计

基于超快速高压大功率半导体开关、脉冲形成电路以及同心等间距传输的关键技术,提出一种模块化多路同步快脉冲触发源技术方案。设计出在负载阻抗为50 时,可同步输出两种快脉冲触发信号：一种幅度大于20 V（4路）、脉冲前沿小于820 ps、脉冲宽度大于100 ns;另一种则是幅度大于100 V（4路）、前沿小于1.4 ns、脉宽大于100 ns;在外触发作用下,触发源系统抖动和脉冲输出同步分散性分别达到2 ns 和36.6 ps。电路结构上充分利用等间距电信号传输的原理,实现了快脉冲触发源模块化的设计。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了在外触发脉冲单次和重频（5 kHz）作用下该同步快脉冲触发源输出的实验结果。     

1.2 MV“天蝎”X光机杆箍缩二极管性能模拟

为了深入研究杆箍缩二极管的物理性能,采用蒙特卡罗方法对中国工程物理研究院流体物理研究所1.2 MV天蝎X光机的杆箍缩二极管进行模拟研究,包括PIC模拟和光电子输运模拟。着重分析了杆箍缩二极管结构参数与阻抗及出光剂量等的关系,发现阻抗和出光剂量与阴阳极半径比正相关,而出光剂量和杆探出长度正相关。提出一种阻止阴极盘后表面发射电子的设想,有望显著提高X射线辐射剂量。     

基于光导开关的重复频率闪光X光机

采用砷化镓光导开关和Blumlein型脉冲形成网络以级联的拓扑形式构建平顶输出功率源,驱动工业X光二极管产生X射线。提出了一种轮辐状金属-陶瓷沿面阴极,并与普通金属阴极工业X光二极管重复频率实验结果进行比较。研究表明：受限于阴极重复频率下的电流发射能力,普通金属阴极工业X光二极管难以实现1 kHz重复频率,采用新型阴极二极管实现了1 kHz重复频率2猝发脉冲X光输出,这两个脉冲的二极管功率、X射线信号基本一致。     

基于光导开关的Blumlein型PFN能量转换效率

为了驱动低能重复频率高阻抗X光管,采用低感陶瓷电容构建了一套电长度约33.5 ns、阻抗约8 的Blumlein型脉冲形成网络（BPFN）,在匹配负载条件下研究了采用GaAs光导开关（PCSS）作为脉冲输出开关时PCSS工作场强、激光触发能量与能量转换效率的关系。实验表明：PCSS截止场强为3.21～4.94 kV/cm,在工作场强高于20 kV/cm时,截止场强引起的能量损失对能量转换效率的影响不大;PCSS较高的导通电阻是影响PFN能量转换效率的主要因素,随着工作场强、激光触发能量的上升,能量转换效率呈指数上升趋势。