时基反馈控制的Tesla变压器初级电源

LC谐振充电是Tesla变压器常用的初级电容充电技术,但存在对控制时序要求高、易受电磁干扰和不具备故障保护能力等缺陷。针对这个问题,提出了一种时基反馈控制的LC谐振充电电源。该电源与传统LC谐振电源的主要区别在于,采用特殊设计的时基反馈电路取代多路时基控制器,将能量回收开关反向阻断瞬间的电压突变调制为谐振晶闸管触发信号,从而在能量回收结束时刻启动谐振充电,实现各工作回路准确按照预定时序运行。时基反馈电路由高压元件构成,不易受电磁干扰,且在原理上具备负载短路保护能力。该技术已经应用于CKP1000,CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。实验结果表明,在强脉冲辐射环境下,该电源能够1000 Hz重频稳定运行,且能够在Tesla变压器初级短路故障时进行快速自动保护。     

高辐射效率超宽谱脉冲辐射天线的设计与实验

设计了一种采用共面TEM馈电结构的抛物反射面超宽谱脉冲辐射天线,分析了该种馈电结构的阻抗特性与辐射特性。实验表明当馈入电压为3kV、前沿180ps的超宽谱脉冲时,该天线主轴辐射场测试距离与峰值场强之积平均值达到18.3kV,相较于常用的TEM喇叭馈电的超宽带反射面天线,其辐射效率有了显著的提高。     

紧凑Tesla变压器型纳秒脉冲源

采用带有开路磁芯的Tesla变压器与单筒脉冲形成线一体化结构,研制了一台基于Tesla变压器的紧凑GW级纳秒脉冲源,该源包括一个40Ω脉冲形成线、内置Tesla变压器、初级电路及高压吹气主开关等,具有变比高、结构紧凑、能量传输效率高、便于重复频率运行等特点。给出了脉冲形成线、Tesla变压器和主开关等的工作原理、设计方法和模拟计算。实验结果表明,该脉冲源输出电压大于200kV,脉冲宽度约8ns,可以在重复频率100Hz、平均输出功率1GW情况下稳定运行,实验结果与理论设计相符。     

高功率超宽带馈源设计与实验

针对大型抛物反射面天线中的高功率超宽带馈源, 提出一种恒阻抗不平衡-平衡转换结构(巴伦)加切比雪夫渐变线TEM喇叭的馈源设计方法, 采用数值模拟研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性, 并进行了测试实验。结果表明:该种馈源结构在较小的体积下具有低反射、高带宽和高馈电效率的优点。该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线。     

全同轴型Marx发生器的研制与场路协同仿真

针对Marx发生器小型化的应用需求和快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程的实际情况,开展了全同轴结构Marx发生器的研制和场路协同仿真。Marx发生器采用基于环形电容器、环形开关、锥形隔离电感、轴心单边充电的全同轴结构方案,避免结构偏心带来的局部场增强效应。在CST软件中建立了Marx发生器实际结构模型,利用时变材料和场路协同仿真功能实现了充放电过程的动态仿真,仿真结果显示出快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程。据此可以对绝缘设计进行优化,并分析结构参数对输出脉冲的影响。研制的5级Marx发生器体积小于0.015 m3,可在10 μs内充电至88 kV,对40 Ω传输线输出峰值电压210 kV的高压脉冲,峰值功率约1.1 GW,脉冲前沿5.3 ns,半高宽11.2 ns。     

GW级纳秒脉冲源激光触发同步实验

结合GW级纳秒脉冲源建立了实验平台,研究了激光触发开关的延迟时间及其抖动与激光能量、工作电压、激光波长、透镜焦距等参数的关系。结果表明:开关延迟与抖动随激光脉冲能量的上升、工作电压的上升而逐渐减小;采用紫外光得到的开关延迟与抖动小于相同条件下红外光得到的结果;在高气压小间隙开关条件下,采用小的透镜焦距可以得到更小的开关延迟与抖动。开关在自击穿电压220 kV、欠压比为80%、采用7 mJ,266 nm 波长激光时的抖动为0.3 ns,在此条件下进行了两台脉冲源的同步实验,得到其同步偏差85%置信率小于0.3 ns。     

纳秒级Trigatron开关触发特性

设计了一种Trigatron开关,以Tesla型GW级纳秒脉冲源为实验平台,实验研究了不同电压极性组合、触发电压、触发间隙、触发极直径和触发脉冲宽度对开关触发特性的影响。实验研究结果表明:开关电压极性组合、触发电压、触发间隙对开关触发特性影响较大,在各欠压比条件下差异均十分明显,触发极直径和触发脉冲宽度对开关的触发特性影响较小。根据实验结果优化了开关结构和工作参数,获得的开关抖动最低可达0.1 ns。     

一种三传输线型亚纳秒脉冲压缩装置

介绍了一种采用三传输线型形成线压缩技术直接产生高功率亚纳秒脉冲的方法。给出了脉冲压缩的理论分析,设计了相应的脉冲压缩装置,并采用Pspice软件建立了电路模型,计算结果显示脉冲压缩装置的功率增益可达到2.25倍,验证了理论分析。基于现有的CKP1000超宽谱脉冲源,建立了完整的脉冲压缩实验系统并展开实验研究,结果表明:脉冲压缩装置在入射脉冲电压220 kV、脉宽5 ns的情况下,可产生峰值电压295 kV,半高宽约800 ps,前沿400 ps的亚纳秒脉冲,脉冲压缩装置的功率增益约为1.8倍,实验结果与理论值基本相符。     

紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置的设计研制

分析了三传输线型脉冲压缩装置的原理,从提高功率增益和小型化角度,在脉冲压缩装置中设计了一种3起端并联绕线的内置型高阻螺旋线结构。建立电路仿真模型和三维结构电磁场仿真模型,分析了高阻螺旋线特征参数对功率增益的影响。根据优化后的结果研制出紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置,经测试,前级输入脉冲宽度8 ns,功率1 GW时,输出脉冲宽度1.5 ns,功率3.7 GW,功率增益3.7。经过30万次运行考核,装置内部无滑闪和击穿现象,验证了设计可靠性。