一种脉宽可调的陡化后沿高压脉冲发生器

磁开关因其独特的饱和导通机制而在脉冲功率技术领域应用广泛,利用磁开关饱和前后电感差异大的特点,可以将其用作撬断开关来陡化脉冲后沿。利用金属氧化物压敏电阻的稳压特性,能在负载上得到具有一定平顶的脉冲准方波,进而可通过改变磁开关的伏秒积来进行脉宽调整。提出一种脉宽可调的高压脉冲发生器技术方案,利用压敏电阻产生高压脉冲准方波,用磁开关作为撬断开关来陡化脉冲后沿,并通过改变磁开关复位电流的大小来控制磁开关的复位深度,进而实现脉宽可调。首先进行了理论分析及软件模拟研究,然后基于模拟结果开展了初步实验研究。初步实验得到的负载电压波形后沿小于30 ns,脉宽可调范围大约30%,验证了磁开关的后沿陡化效果以及用于脉宽调整的可行性。     

一种陶瓷径向绝缘强流二极管耐压结构设计

 对外径230 mm的陶瓷绝缘板,依据强流真空二极管径向绝缘的设计思想,设计加工了“锥-柱”型阳极外壳,并在传输线内筒和阴极杆末端位置增加了均压罩和屏蔽环结构。利用静电场有限元程序计算了陶瓷-真空界面电场分布,通过对外壳细节结构以及均压罩、屏蔽环形状和位置的调整,使得真空界面上沿面场强和三结合点处场强均得到了有效控制。在单线长脉冲加速器上进行了实验研究,结果显示,二极管能够耐受400 kV、脉宽大于200 ns的脉冲电压,运行稳定,达到了理论设计要求。     

重复频率运行强流电子束收集极热特性

针对一种返波管常规收集极,实测了电子束在收集极内表面的有效作用面积,以电子能量700 keV、束流7 kA和脉宽50 ns为例,计算了单脉冲时的热功率沉积和平均热流密度。利用通用有限元软件ANSYS,采用脉冲热源加载的方式,在对流换热系数7 000 W/(m2·℃)、水温20 ℃的条件下,得到了收集极10～100 Hz运行时温度历史曲线及温度分布,并比较了不同重复频率下收集极平衡温度与对流换热系数的关系。如果以300 ℃为气体发生显著热脱附的温度阈值,对流换热系数为7000 W/(m2·℃)时,能够满足重复频率50 Hz以下运行,而到100 Hz时,对流换热系数则需增加到104 W/(m2·℃)。根据流体计算公式,给出了不同对流换热系数对应的水流流速。     

层叠Blumlein线产生电压波的解析解

采用Laplace变换的方法求解了无损耗情况下层叠Blumlein线输出电压的解析表达式。从传输线两端口网络模型出发,分别求出了负载端短路和开路时传输线特征阻抗的频域表达式。简化了单Blumlein线电路结构,并求出了其输出电压的解析表达式。在此基础上,结合电路叠加原理,求解出了典型的2级层叠Blumlein线输出电压的时域解析表达式。采用递推法,推广得到任意级数情况下的输出电压波解析解。     

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。     

横向电容自耦式紫外预电离开关

对紫外预电离技术在气体开关方面的影响进行原理研究,分析并实验验证电容并联的横向辅助电极对主开关进行紫外预电离的可行性。辅助电极击穿释放紫外光,通过光电效应在主开关表面产生初始电子,以减小主开关的击穿电压离散度。预电离效果与辅助电极击穿导通电流的峰值强度、辅助电极两端的电压以及预电离储能电容有关,优化这些参数可以提高光照强度来增强预电离效果。实验结果表明:当主开关内部充满氮气、分压电容为pF量级时,距离主电极15 cm远的横向辅助电极可以产生预电离效应。在此基础上,提出一种新型的横向型电容自耦式紫外预电离开关的设计。     

半导体开关在脉冲功率技术中的应用

国内外脉冲功率技术的一个重要的发展趋势, 即高功率、长脉冲、高重频以及小型化, 由此以半导体器件为基础的全固态脉冲功率技术得到了广泛的关注和应用; 文章以晶闸管(SCR)、绝缘门双极晶体管(IGBT)以及半导体断路开关(SOS)的应用为例进行了说明; 对用晶闸管控制的充电系统、IGBT应用于Marx发生器和脉冲变压器驱动源以及半导体断路开关的应用做了较为详细的原理性说明, 并给出了一些实验结果. 半导体开关技术的应用在一定程度上解决了传统脉冲功率发生器装置中存在的短寿命, 低重复频率, 稳定性差等缺点, 具有广泛的应用前景.     

高性能强流脉冲电子束源关键技术研究

强流脉冲电子束源是高功率微波系统的核心部件之一,针对未来应用需求,亟需从绝缘、束流输运和热管理等多个方面提升强流束源技术性能。介绍了国防科技大学在高功率微波源用强流真空电子束源方面的研究进展。针对高功率微波管保真空需求,基于陶瓷金属钎焊,设计并研制了一种强场陶瓷真空界面,耐压大于600 kV、平均绝缘场强达到44 kV/cm、耐受脉宽大于80 ns,重复频率运行稳定;研制了一种基于SiC纳米线的强流电子束源冷阴极,在90 kV/cm的场条件下获得了1.17 kA/cm²的束流密度,相比传统天鹅绒阴极,SiC纳米线阴极的宏观电稳定性、发射均匀性及运行寿命均得到显著提高;针对相对论返波管,研制基于螺旋水槽型的强流电子束收集极,克服了高比能和低流速的矛盾,耐受热流密度达到10¹² W/m²,能够满足系统长脉冲、高重复频率运行要求。     

绕制方法对卷绕型带状脉冲形成线输出特性的影响

为了优化卷绕型带状脉冲形成线的输出特性,设计了两种新型的绕制方法,并对制作的带状线进行了模拟研究。结果表明:不同的绕制方法会在一定程度上影响卷绕型带状线内部导体间的耦合特性,进而影响其内部的电磁场分布。设计带状线参数为:延时100 ns,阻抗1.1 Ω,充电电压25 kV,分别研制了不同绕制方法下的卷绕型带状脉冲形成线,并进行了实验研究。结果表明:设计的双平板绕法与传统的三平板绕法制作的带状线输出特性相似;地线间隔绕法制作的带状线上,负载上输出波形得到了明显的改善。实验结果与模拟结果基本一致。因此,根据不同的应用情况,合理选择卷绕型带状脉冲形成线的绕制方法可以改善输出特性、节约成本。     

强流电子束二极管陶瓷真空界面

从绝缘和机械强度两方面优化设计了一种应用于强流电子束二极管的陶瓷真空界面。首先,依据真空沿面闪络机理及其影响因素,针对外径220 mm的陶瓷板,应用ANSYS静电场模拟,通过对阴极电极形状和阳极外壳尺寸的调整,使得陶瓷沿面电场和阴、阳极三结合点场强均得到了有效控制。模拟结果显示：陶瓷沿面电场分布均匀,阴、阳极三结合点场强小于30 kV/cm,电场线与陶瓷表面所成角度基本保持在45;其次,针对陶瓷与电极的约束结构,通过静力和瞬态冲击分析,确定了该陶瓷界面可承受的最大静压和冲击波最大峰压分别为4.8 MPa和60 MPa;最后,在脉宽200 ns的脉冲功率驱动源上进行了实验研究,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm,二极管运行稳定,机械性能可靠,实验结果与理论设计相符。