高功率粒子束及其应用

本文评价了高功率粒子束的工作原理及其应用:文中以闪光-Ⅰ强流脉冲电子束加速器为例,论述了机器的基本技术和它的工作特性 高功率粒子束目前已经应用到许多重要研究领域。包括:核辐射效应模拟源、闪光X射线照相、高功率激光器研究、惯性约束聚变、高功率微波的产生、离子集体加速等方面。 报告中简述了我国在高功率粒子束加速器建造和开拓应用方面取得的进展。 最后,也指出了高功率粒子束技术今后发展有关的研究课题。     

固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器

和传统Marx发生器单级由单一电容组成不同,脉冲形成网络Marx发生器的每一级是以陶瓷电容排列成网络形式组成脉冲形成网络,然后再通过串联叠加的方式实现电压叠加。由于采用了脉冲网络形成线,该型发生器可以产生质量较高的脉冲波形。对该型Marx发生器的充电方式、开关结构、结构布局等进行了研究,设计了两种较为紧凑的实验装置。开展的初步实验研究中,利用脉冲变压器进行充电,利用SF6气体绝缘,10级叠加结构在50Ω水电阻负载上获得了400 kV,100 ns的高压输出;20级结构在50Ω水电阻负载上获得了500 kV,70 ns的高压输出。     

等阻抗超宽带高能微波发生器模拟研究

基于等阻抗-双脉冲成形线技术,建立了一个超宽带高能高功率微波发生器理论模型。计算机模拟结果表明:利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以同时产生纳秒主脉冲和皮秒前沿脉冲;通过控制皮秒脉冲成形线输出开关闭合的延迟时间,可以调制皮秒脉冲和纳秒脉冲的输出电压比值;通过调节纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线的电容比值,可以控制皮秒脉冲的脉宽和皮秒脉冲的峰值电压;利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以最大限度地提高辐射脉冲能量和整个系统的能量转换效率。     

强激光能源系统的Marx触发器

针对强激光能源系统对Marx触发器的输出性能和可靠性要求,介绍了一种六级的Marx触发器。通过采用多级低电感脉冲形成电路获得了高幅值、陡前沿的输出脉冲,运用实验与概率分析相结合的方法,确定了它的工作参数。实验研究结果表明:这种Marx触发器的误触发率和触发气体开关成功率均符合两参数的威布尔概率分布;当欠压比为65%、工作电压为13.5 kV、工作气压（绝压）为0.35 MPa时,能输出幅值120 kV、前沿20 ns的电压脉冲;该触发器能同时满足误触发率低于0.000 1%,正常触发成功率高于99.999 9%的技术要求。经过长时间现场运行测试,Marx触发器工作良好,无异常现象。     

全固态模块化MARX电路及脉冲同步叠加设计

选用雪崩三极管作为开关器件,详细讨论了设计和优化Marx电路的方法;将Marx电路进行模块化改进,设计了一种新型四路同步叠加立体结构,并得出了叠加倍数与模块数量的理论关系式。最终,利用+300 V直流电源供电,通过四路输出幅值为-2.6 kV的Marx模块叠加,在50 阻性负载上得到了幅值-5.0 kV、半高脉宽5.3 ns、脉冲能量约2.0 mJ的高斯型脉冲,时延抖动小于100 ps,重复频率达10 kHz,叠加效率达96.2%。调节直流偏置电压为200~300 V,并配合模块数量的增减,可调节脉冲幅值为1.6~5.0 kV。     

电子束泵浦XeCl准分子激光器及应用

为了获得高能紫外激光输出,开展了电子束泵浦XeCl准分子激光技术研究。详细介绍了四向电子束泵浦准分子激光装置的工作原理和结构特征,简述Marx发生器的放电电压、放电电流,激光气室中的沉积能量,激光脉冲能量、脉宽等参数的测量方法;研究了电子束泵浦XeCl准分子激光输出特性,得到了激光脉冲能量随激光气室内混合气体气压变化的规律,当激光器的充电电压为81 kV时,获得了能量100 J、脉宽200 ns的XeCl准分子激光输出,其本征效率约为3.2%。并且开展了XeCl准分子激光辐照涂层材料力学特性研究,采用微型红外通光冲量探头测量不同条件下激光辐照涂层材料的冲量耦合系数,在常压空气环境中的冲量耦合系数约为8.3210-5 NW-1。     

紧凑型脉冲功率驱动源设计与实验研究

利用碳酸钡基材料研制了一种环形脉冲形成线。对脉冲形成线的材料特性、电场分布对耐压影响进行分析和研究,通过优化结构设计、材料特性,提高了环形脉冲形成线的耐压水平。利用此脉冲形成线建立了37级Marx发生器,此发生器通过电感进行并联充电和串联放电工作。使用电磁仿真软件对系统结构进行了三维电场分析,分析结果表明, 采用此环形脉冲形成线能够实现同轴设计,电场更加均匀,确定了满足紧凑化的最佳外形尺寸。实验结果表明, 设计的脉冲功率驱动源在充电电压为±19 kV的条件下,在二极管负载下得到了输出半高宽为65 ns、电压为680 kV的快高压脉冲。     

200 kV闪光照相测试系统

介绍了一种基于Marx发生器原理设计的200 kV闪光照相测试系统,该系统具有延时功能,可按照实验要求,在预定时刻产生脉冲X射线进行闪光照相测试。设计了一台10级同轴结构的Marx发生器,采用了正负极充电,极间电容耦合为Z形回路的Marx发生器线路,利用开关与屏蔽外筒间的结构电容来锐化高压脉冲的输出,同时采用紧凑性、低电感设计获得窄脉冲的输出。在充电电压为25 kV的情况下,75 的负载上获得了脉宽小于100 ns、幅度大于200 kV的高压脉冲,通过高压电缆驱动闪光X射线二极管, 在距光源25 cm处获得了剂量大于910-6 C/kg、脉冲宽度约为70 ns的闪光X射线。     

双极结型晶体管的集电结反向雪崩击穿特性

通过气体放电产生更高浓度的低温等离子体要求具有纳秒上升沿和纳秒脉宽的高重频快脉冲,而目前被广泛使用的MOSFET和IGBT都无法满足这些参数要求,而双极结型晶体管(BJT）的集电极与发射极之间的雪崩击穿过程具有快导通、快恢复、高稳定性等优点,适合作为小型Marx发生器的自击穿开关。文中对用多种型号的BJT进行击穿特性比较测试实验,发现可以通过改变BJT的门极和发射极的并联电阻来调节其雪崩击穿电压,实现一定范围的工作电压。雪崩击穿恢复特性实验表明,当击穿电流衰减到低于维持电流时,BJT就会开始恢复绝缘而关断,通过改变电路中的参数以控制击穿电流的变化就可以控制BJT的雪崩击穿导通时间（即导通脉宽）。将这些结论应用到实际电路中,可获得上升沿5 ns、脉宽为10 ns、幅值2 kV、重复频率高达100 kHz的纳秒快脉冲,可用于激发高浓度低温等离子体。     

全固态高重频高压脉冲电源

设计了一款全固态高重频高压脉冲电源,主电路采用以IGBT为主开关的半桥式固态Marx电路,驱动电路采用磁芯隔离带负压偏置的同步驱动方案,并由FPGA提供充放电控制信号和故障诊断、保护。该方案既可实现对多级电容的低阻抗的快速并联充电控制,又可实现截尾功能以加快脉冲后沿获得方波脉冲,且可实现百μs以上的宽脉冲输出,可用来产生高压脉冲电场。此外,该电源还可在突发模式下输出脉冲个数和频率均可调的多个高频脉冲系列。实验表明,该输出电压幅值可高达40 kV,输出峰值电流可达100 A,重频可达30 kHz,上升沿和下降沿均低于100 ns,突发模式下重频可高达200 kHz。所设计的脉冲电源输出参数连续可调,且体积小巧。