紧凑型MV级强流加速器输出开关

介绍了一种水介质脉冲形成线强流电子束加速器的输出开关的设计和实验结果。水介质脉冲形成线为单同轴螺旋结构,阻抗约9 Ω,充电电压为1.2 MV,匹配负载输出电压600 kV,脉冲宽度100 ns,形成线长度1.1 m,最大外径35 cm。输出开关采用简单的自击穿火花开关形式,主要采用了以下设计原则：（1）电极间隙的场增强因子小于1.4,使SF6的击穿电压 压强曲线尽可能线性;（2）电极间平均场强300 kV/cm,大于材料沿面界面场强的3倍以上,避免发生沿面闪络;（3）控制各结合点的场强,使其小于30 kV/cm;（4）减少开关室的体积,以保证最大的机械强度。该开关结构紧凑,总长度为12 cm,电感小于100 nH、击穿电压和气压的线性关系好,可在0.3~1.2 MV的较宽范围内调节。实验中开关运行稳定可靠,达到了设计要求。     

四级传输线脉冲变压器研制

介绍了一种传输线脉冲变压器(TLT)的最优化设计理论,在此基础上,研制了一台四级传输线脉冲变压器。所研制的TLT所使用的磁芯基本符合级间无耦合结构TLT最优化设计的要求。采用了柔韧性好的同轴电缆,绕制完成后各级次级线电感值大小分别为1.83,3.52和5.41 mH,符合预定目标。利用Blum-lein作为脉冲源,对所研制的TLT进行了测试,测试结果表明:输入脉冲宽度150 ns,幅值10 kV,上升前沿20ns,输出脉冲宽度150 ns,幅值约40 kV,上升前沿约20 ns,基本波形保持较好,但下降沿和尾部波形不理想,初步分析可能的原因是TLT输出端杂散电容电感引起的阻抗不匹配。此变压器可用于低阻抗陶瓷脉冲形成线输出端的阻抗变换。     

天鹅绒阴极脉冲放气及重复频率运行真空特性

为获得天鹅绒阴极加电运行时的放气信息,在加速器Torch-02(电压约300 kV、脉宽约6 ns、电阻约100Ω、频率1~300 Hz)上开展了单次及重复频率下的真空兼容性实验研究。对于发射面积为28 cm2、阴阳极间距50 mm、有效抽速62 L/s、容积为4.6 L的真空二极管-天鹅绒阴极系统,根据不同电流发射密度时的气压历史曲线,确定了单位面积上天鹅绒表面中性气体释放数目与脉冲能量的关系。通过实时记录不同频率下的气压演化,在本底气压约5×10-3Pa、单脉冲能量约6 J条件下,得到了平衡压强与重复频率的变化关系:10~100 Hz时,平衡压强与重复频率近似呈线性递增;超过100 Hz时,真空恶化明显,气压随频率呈超线性增长,300 Hz时平衡压强已升至Pa量级。最后,针对重复频率运行时的放气特点,讨论了一种"分布式"抽气思想以改善系统有效抽速。     

重复频率脉冲磁场初级能源

为产生重复频率脉冲磁场的螺线管,研制了一种新型的初级能源,它采用半桥串联谐振恒流充电拓扑结构,可在0~2.5 kV范围内实现输出可调,最大平均充电功率达4.7 kW。该电路最大特色在于无需使用外加谐振元件,只利用变压器的漏感和半桥桥臂电容组成谐振元件。简要分析了电路的工作过程,给出了电路参数设计方法和设计实例,并进行电路仿真和初步实验研究,结果表明,该设计基本达到要求。最后,进行了带螺线管负载的实验研究,实验证明该能源在重复频率10 Hz条件下运行稳定可靠。     

紧凑小型脉冲功率源ARC-01/02及其应用

脉冲功率技术的重要发展方向是高功率密度、紧凑小型化和高稳定可靠。液体介质由于具有绝缘强度高、易流动、快恢复、散热性好等方面的特点,广泛应用于脉冲形成线型紧凑小型脉冲功率源的电容储能器件作为储能介质。主要围绕紧凑小型脉冲功率源ARC系列的技术难题,开展了关键技术、系统研发及其工程应用等方面的工作。首先,提出了基于液体介质和慢波结构的形成线,采用场均匀和绝缘配合技术,研制出紧凑小型脉冲功率源ARC-01和ARC-02,输出功率1～2 GW、脉冲宽度5～30 ns、重复频率1～100 Hz,紧凑化水平较国际先进同类装置最多提高了2倍。之后,以凑小型脉冲功率源为核心搭建液体介质击穿测试平台,针对变压器油、蓖麻油、甘油、碳酸丙烯酯等常见液体介质,开展了微秒脉冲击穿特性研究,采用统计分析方法建立了数据库,以“小成本”换取“高可靠性”;并采用超高速光学诊断方法,将击穿瞬间流注、冲击波、亚微观断裂面产生、传播、截止过程与张力理论结合,建立了液体介质击穿物理模型。最后,成功将紧凑小型脉冲功率源应用于驱动宽带/窄带微波产生、碳纤维阴极稳定性及寿命测试。     

HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源研究北大核心CSCD

通过理论计算、数值仿真和实验验证的方法,研究了一台峰值功率数十GW、重复频率5 Hz的重复频率高功率脉冲驱动源,命名为“HEART-50”。该脉冲驱动源由充电电源、初级开关、脉冲形成线、主开关、阻抗变换线,以及假负载构成。首先介绍了HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源整体设计思路;其次,对基于混合液体介质的高功率脉冲形成线和气体介质主开关进行了数值分析,并对其全电路工作能力进行了仿真分析;最后,对研制的HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源进行了实验验证。结果表明,脉冲驱动源能够输出峰值电压520 kV,脉冲宽度约90 ns,脉冲上升沿小于25 ns,重复频率5 Hz的准方波电脉冲,峰值电功率约为25.3 GW,且具有较好的运行稳定性。     

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.     

磁开关作为脉冲驱动源主开关的实验研究

使用矩形截面磁芯研制了一台磁开关作为脉冲驱动源的主开关,并利用电容器放电法对磁芯不同位置处的磁滞回线进行了测量。结果表明,短边和长边测量得到的磁滞回线均能够适应磁开关需求,不同的励磁位置对磁滞回线形状的影响有限。设计了基于该磁芯的磁开关,使用PSpice软件进行了数值模拟,结果与理论分析相一致。结合卷绕型带状脉冲形成线,对磁开关作为脉冲驱动源主开关进行了实验研究。结果表明研制的磁开关实现了主开关功能,在1.1 的低阻抗负载上获得了峰值电压9 V、上升沿80 ns、脉冲半高宽230 ns的准方波脉冲输出。     

微秒脉冲下碳酸丙烯酯的击穿特性

采用紧凑Tesla变压器型脉冲功率驱动源及球电极击穿试件,通过改变初级充电电压,开展了微秒级充电条件下碳酸丙烯酯及其与碳酸乙烯酯的混合液的击穿实验研究。由结果和分析可知：碳酸丙烯酯理论工作温度可低至-55 ℃,这意味着它可以成为一种低温下的良好液体电介质;碳酸丙烯酯耐压性能与去离子水相当,且实测电阻率达到了10 Mcm以上;向碳酸丙烯酯中添加碳酸乙烯酯后,介电常数可提高至80以上,耐压强度也有所提升;将碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯混合液用于脉冲形成线作为储能介质无需附加去离子处理系统,有利于装置的紧凑化和小型化。     

一种重复脉冲同轴馈电型陶瓷真空界面

真空界面是脉冲功率装置的薄弱环节,对于重频运行的系统,该问题更为突出。介绍了一种应用于重频脉冲驱动源的陶瓷绝缘子真空界面。首先依据真空沿面闪络设计原则给出了一种改进型同轴馈电陶瓷真空界面绝缘结构,该结构采用陶瓷-金属钎焊连接形式;通过采取均压、屏蔽措施,静电场模拟结果显示,陶瓷沿面电场分布均匀,总场强小于100 kV/cm,沿面分量小于70 kV/cm,阴、阳极三结合点场强均小于40 kV/cm;在输出幅值600 kV、脉宽80 ns、重复频率1~5 Hz可调的脉冲功率驱动源上进行了实验测试,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm,运行稳定;采取(0-1)分布对实验结果进行了统计分析,置信度取为0.9时,陶瓷真空界面的可靠度大于97%。最后,还探讨了表面处理工艺对闪络电压的影响,实验发现,增加表面粗糙度可有效提高陶瓷绝缘子的闪络电压。