加速器电水锤数值模拟与实验研究

强流加速器水介质形成线放电或击穿形成的冲击波对陶瓷真空界面具有破坏作用。为获得该冲击载荷的信息,应用通用软件ANSYS/LS-DYNA建立了一种水下爆炸有限元模型,将电弧放电等效为爆炸源,模拟得到了冲击波传播时序、压力历史曲线及陶瓷板的加速度响应;为验证模型的有效性,应用"针-板"电极水开关在输出电脉冲40～50 ns、幅值100～300 kV可调的10级陡化前沿Marx发生器上开展了电水锤缩比实验研究。实测了不同击穿电压下冲击波峰压、波速和主脉冲宽度,并依据经验公式计算了放电沉积能量和冲击波能量,平均约17%的间隙放电能量转换为冲击波机械能。对冲击波能量与峰压关系进行了拟合,并与数值模拟结果进行了比较,二者变化趋势基本一致,量级上吻合较好。     

微秒长脉冲有磁场高功率微波二极管真空界面设计

介绍了一种微秒长脉冲有磁场的真空二极管界面的设计和实验结果。采取了三种措施来抑制沿面闪络:一是阴极电子束挡板,用来拦截来自阴极和电子束漂移管的回流电子束;二是接地屏蔽板,使电场等势线和界面成约45°角,使阴极三结合点处发射的电子远离绝缘板;三是降低阴极三结合点处的场强,并使用一悬浮电位的金属环阻止电子倍增过程。计算了二极管内电场、磁场分布和电子束的运动轨迹并据此优化了真空界面的结构,实验验证了该二极管真空界面可以在400 kV、800 ns条件下正常工作,可以支持长脉冲高功率微波器件的研究。     

一种固态化瞬态强场测试平台研制

随脉冲功率技术向高重复频率、长寿命等方向发展,储能元件和开关元件在瞬态强场条件下的稳定性能检测十分必要。基于固态开关技术研制了一种百kV,μs时间尺度下的瞬态强场测试平台,主要由高压直流充电电源、初级单元、脉冲变压器、磁脉冲压缩网络、复位系统和测试腔体组成,实现了一体化结构,使用便利。首先,针对电容器测试条件,建立了完整的电路模型,详细设计了系统中各关键参量;然后,利用晶闸管组件作为初级单元控制开关,利用磁开关进行两级脉冲压缩,建立了实验装置;最后,给出了40 nF小批量陶瓷电容器的典型实验测试结果,测试电压50 kV,脉冲宽度1 μs,重复频率10 Hz,运行时间85 min（对应51 000个脉冲）,平台稳定可靠性良好,为后续开展相关测试研究奠定了基础。     

气体火花开关放电的数值模拟

 基于Rompe-Weizel火花动态电阻公式,数值计算了电容器经火花开关放电时负载电阻上的输出电压。在相同电参数条件下,计算所得的峰值电压为54 kV,前沿为2.0 ns,与实验所得的55 kV和2.3 ns基本吻合。基于Braginskii火花动态电阻公式,在假定火花开关电导率恒定与电导率渐变的条件下,利用传输线放电电路数值计算了气体火花开关的非线性动态电阻。与已有实验测量结果(0.7～0.9 Ω)对比,发现电导率渐变模型(0.5～0.8 Ω)更适合用于反映火花开关的动态电阻变化过程。进而在此模型中引入了负载电阻项,通过计算负载端的透射电流,数值计算得单脉冲形成线对负载放电时的电压脉冲前沿为7～9 ns,而利用单线经高压氢气自击穿火花开关放电得到初步实验结果为8 ns。     

低阻脉冲形成线电容分压器的在线补偿标定北大核心CSCD

讨论了低阻抗脉冲形成线中测量充电电压所用电容分压器的标定方案,提出了采用外部并联电感来补偿较大的形成线电容负载的方法。由于低阻形成线的电容负载影响,使用脉宽较短方波发生器易导致波形缺乏平顶,使用输出电压较低正弦波发生器导致信噪比不高。采用合适数值的外部电感,可以实现与形成线电容的并联谐振,此时整体阻抗最大,可以使用普通放大器提高正弦波电压,且不产生失真。该方法可应用于微秒尺度低阻形成线电容分压器的在线标定。     

Current loss of magnetically insulated coaxial diode with cathode negative ion

Current loss without an obvious impedance collapse in the magnetically insulated coaxial diode(MICD) is studied through experiment and particle-in-cell(PIC) simulation when the guiding magnetic field is strong enough. Cathode negative ions are clarified to be the predominant reason for it. Theoretical analysis and simulation both indicate that the velocity of the negative ion reaches up to 1 cm/ns due to the space potential between the anode and cathode gap(A–C gap). Accordingly, instead of the reverse current loss and the parasitic current loss, the negative ion loss appears during the whole pulse.The negative ion current loss is determined by its ionization production rate. It increases with diode voltage increasing. The smaller space charge effect caused by the beam thickening and the weaker radial restriction both promote the negative ion production under a lower magnetic field. Therefore, as the magnetic field increases, the current loss gradually decreases until the beam thickening nearly stops.     

重复频率高功率微波加速器X射线屏蔽的估算（英文）

高功率微波的研究正在向高重复频率发展,目前已运行每年百万炮次或以上的水平,由此导致的电子束轫致辐射产生的X射线剂量已不可忽视,为了人员安全必须采取屏蔽措施。采用BEAMnrc程序,用蒙特卡罗方法仿真了环状束高功率微波源收集极的射线产生情况,典型输入束流参数为电压1 MV,电流10kA,脉宽100ns,重复频率100Hz。仿真结果给出了X射线的谱分布和空间分布。据此估算了屏蔽X射线所需的墙壁衰减量。同时估算了X射线的天空散射因素以及房顶所需的衰减量。     

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。     

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。     

陡化前沿Marx发生器的重频运行研究

 将10级陡化前沿Marx发生器由电阻隔离型改造成为电感隔离型,以便对其开展重频特性研究。通过恒压源充电的单次实验发现,发生器在氮气(N₂)中工作时,两种隔离方式的输出脉冲波形基本一致,然而在六氟化硫(SF₆)气体中工作时,电感隔离型相对于电阻隔离型的输出脉冲前沿较慢;对其原因做出了初步分析。在利用恒流充电装置充电的重频实验过程中,通过采用提高充电电流的方法,解决了发生器恒流充电时的充电脉动问题,进而开展了重复频率运行实验研究。实验结果表明,在不对开关进行吹气的情况下,当充电30 kV时,发生器可以在8.2 Hz的重频下稳定工作,输出脉冲的重叠一致性比较好,输出电压约为150 kV,电流约为1.8 kA,脉冲前沿为十几ns。