一级Marx压缩的高稳定纳秒脉冲电源的设计

针对目前缺乏标准纳秒高压脉冲电源的现状,开展高稳定性纳秒高压脉冲电源回路分析、结构设计及性能测试研究。通过建立纳秒脉冲发生器等效电路模型,仿真计算获得5级初级脉冲发生电路参数,以及一级压缩陡化间隙对纳秒脉冲特性的影响规律。通过纳秒高压脉冲电源结构设计及低抖动电晕稳定开关特性研究,建立高稳定输出的纳秒脉冲电源系统。研制纳秒电阻分压器,建立基于ns及μs量级传递校准测试相结合的刻度因数标定方法,准确获得纳秒电阻分压器的刻度因数。脉冲电源输出特性测试结果表明:纳秒脉冲电源系统可以输出上升时间2.3 ns±0.5 ns、幅值范围10~60 kV的指数纳秒脉冲;输出脉冲电压在全幅值范围内的相对标准偏差不大于±1.5%。

纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的仿真计算

为了深入探究纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的演化规律,揭示其作用机理,文中搭建了纳秒脉冲电源作用下非对称结构沿面介质阻挡放电等离子体光电特性实验测量平台,并在此基础上建立了放电集总参数等效电路模型,通过对比实验推理和仿真计算分别得到的放电电流以及电子密度参量,证明了模型的有效性。文中通过该模型计算得到了介质表面电压、气隙电压以及电子温度等等离子体特性参数随时间的变化关系,并进一步研究了电源斜率对大气压沿面介质阻挡放电电流的影响。得到的主要结论为:单极性纳秒脉冲电源作用下,在脉冲上升沿存在二次放电,在下降沿存在反向放电过程,电子温度与电子密度高达8.3 e V和2.7×10^(18)m^(-3),电源斜率对放电有重要的影响,随着电压上升率增加,第1次放电的电流增大。放电时刻提前,但是对应的第2次放电电流略有减小,下降率的增加则对应着第2次放电电流幅值的增加,第1次放电的电流则略有减小,研究结果为深入分析激励器放电特性,提高等离子体发生器效率提供参考。

用于放电等离子体的重频固态纳秒脉冲电源

为提高放电功率、产生大面积等离子体,设计了一种高重复频率纳秒脉冲电源,其基本原理是采用高压截断法产生高压脉冲。选用通断速度较快的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生纳秒级截断,进而可以大幅提高输出脉冲的重复频率;使用8个串联的MOSFET同步工作,以提高输出电压幅值。测试结果表明,该电源输出脉冲的电压幅值可达10 kV,脉冲上升沿约为12 ns,半高宽约为750 ns。负载为5 kΩ无感电阻时,连续运行重复频率可达100 kHz,爆发模式下重复频率可达1 MHz。电源带载能力较强,未击穿时输出电压脉冲波形基本不随电极负载发生改变。该电源可长期稳定工作,产生较大面积等离子体,满足了高重复频率纳秒脉冲放电的需求。

纳秒脉冲电源驱动提高KrCl^＊准分子灯辐射效率的实验研究

针对目前准分子灯效率偏低的现状,为了从电源角度提高准分子灯紫外辐射的效率,本文对电源驱动类型(正弦/脉冲)以及脉冲电源参数(极性、电压幅值、频率)对介质阻挡放电激发准分子KrCl*(222nm)紫外辐射的影响进行了实验研究。实验结果表明:脉冲驱动比正弦电压驱动紫外辐射的效率提升86.5%;电源的极性对灯的工作特性没有显著的影响,单向负脉冲效果略好些;随着电源电压幅值的增加,准分子灯紫外辐射强度增加,但紫外辐射效率下降;频率升高,准分子灯紫外辐射强度提高,效率随频率变化不明显。本文还对实验结果作了简要分析和理论解释。

应用Proteus和Keil联调的纳秒脉冲电源的仿真设计

微细加工技术是MEMS器件加工工艺的关键环节,基于阴极生长成型的电沉积技术由于精度高,可控性强被广泛应用。微电铸是MEMS器件成型过程中的关键工艺步骤,脉冲电源是微电铸步骤中所使用的重要实验设备之一。传统的脉冲电源利用开关管斩波的方式,控制复杂且成本高,利用DDS芯片制作脉冲电源需要复杂的滤波环节。设计了一款脉冲波形为矩形,脉冲宽度在百纳秒级别的脉冲电源。选择ICL8038芯片作为高频脉冲发生器,利用AT89C51单片机控制数字电位器MAX5413来调节ICL8038芯片所产生的矩形脉冲波频率和占空比等参数,采用液晶显示屏来显示矩形脉冲波的频率和占空比参数的信息。并采用Proteus和Keil软件联调的方式,对电源电路进行了仿真设计。结果表明:波形纯净,脉冲陡峭,控制电路简单,无需复杂的滤波环节,成本较低,适用于微电铸加工。

用于激励固体绝缘缺陷的SOS型高压重频纳秒脉冲电源的研制

为了对固体缺陷材料进行局部放电检测,文中研制了一台基于半导体断路开关(semiconductoropening switch)的高压重频纳秒脉冲电源,作为激发固体绝缘缺陷在重频下产生局部放电的激励源。纳秒脉冲电源由初级谐振充电单元、磁脉冲压缩单元和半导体断路开关(SOS)三部分构成。介绍了纳秒脉冲电源各部分的设计,给出了纳秒脉冲电源的调试波形。调试结果符合设计要求,在620Ω电阻负载上产生幅值30 kV、前沿30 ns,半高宽110 ns的脉冲电压波形。纳秒脉冲电源连续运行重复频率1 kHz,间隙工作重复频率最大10 kHz。搭建局部放电检测平台,纳秒脉冲电源成功用于试品的局部放电检测,重频下试品放电重复性好。

非线性传输线在DSRD脉冲电源中的应用

加速器技术的发展,对注入引出系统的kicker脉冲电源提出了新的技术要求。注入引出系统冲击磁铁不仅要求脉冲电压高,底宽达到ns量级,还对波形的稳定性和前后残余电压有很高要求。漂移阶跃恢复二极管(DSRD)因其速度快、工作电流大等优点,在ns级脉冲电源中应用前景广泛,但其工作过程中会存在预脉冲等使脉冲波形偏离理想形态的因素。基于一种已有的DSRD脉冲电源,使用非线性传输线对脉冲进行整形,同时对脉冲的前后边沿进行锐化,缩短脉冲边沿的时间,大幅减小脉冲前后的残余电压,提高电源的性能。完成了一台电源样机的设计和实验,实验结果表明,该样机在50Ω负载上产生的脉冲幅值约10 kV,前后边沿时间(10%~90%)约2 ns,底宽(3%~3%)小于8 ns。

纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体合成氨工艺条件优化

氨(NH3)作为重要的化工原料对农业及国计民生发展有直接影响。工业合成氨需高温高压、能耗高和污染重。低温等离子体技术是一种可持续,有潜力的合成氨途径,已成为国内外研究热点。本工作以氮气和氢气为原料,在低温常压下采用纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体合成氨,通过单因素实验系统研究脉冲峰值电压、脉冲重复频率、气体总流量、N_(2)和H_(2)体积比(V(N_(2))∶V(H_(2)))等因素对合成氨速率及能量产率的影响规律。进一步通过正交实验评价确定影响合成氨反应速率因素的主次顺序为:脉冲峰值电压>脉冲重复频率>气体体积比>气体总流量。影响合成氨能量产率因素的主次顺序为:脉冲峰值电压>气体体积比>脉冲重复频率>气体总流量。结合两部分实验,最终得到合成氨的优选条件:脉冲峰值电压16 kV、脉冲重复频率6 kHz、脉冲上升沿100 ns、V(N_(2))∶V(H_(2))=1∶1、气体总流量200 mL/min。此时NH3合成速率最高为923.08μmol/h,能量产率为0.30 g/kWh。

纳秒级高压脉冲电源的设计与仿真

利用电力电子技术与脉冲功率技术设计了一台纳秒级高压脉冲电源。电源低压部分采用电力电子技术中的BUCK电路与串联谐振电路,高压部分采用脉冲功率技术中的磁脉冲压缩(MPC)网络与半导体断路开关(SOS)。对高压脉冲电源的整体设计作了阐述,介绍了可饱和变压器与磁开关、晶闸管、半导体断路开关的参数设计。利用PSPICE软件和泰克示波器两种方式对所设计的电源进行了仿真和试验。试验测得在输出负载上产生了一个峰值高达50 k V、半高宽为120 ns的负极性脉冲。

基于吹气开关的重复频率纳秒脉冲源的研究

为可靠驱动重复频率纳秒脉冲放电,研究设计了一款基于吹气开关的重复频率纳秒脉冲电源,可输出幅值可变,脉宽数十至数百纳秒的准方波脉冲。在本研究的实验条件下,输出脉冲的最高有效工作频率可超过1.5k Hz。该电源采用脉冲形成线原理产生高电压纳秒脉冲,开关采用同轴结构的吹气式自击穿气体开关,风机吹气用于加快气体开关的绝缘恢复速度,进而提高气体开关的极限工作频率。实验结果表明:在不加吹气风机时,气体开关绝缘恢复情况较差,存在多次低电压击穿过程,故脉冲形成线越短,纳秒脉冲电源的有效工作频率极限越低;使用吹气风机后,开关的多次低电压击穿现象在一定程度上被抑制,纳秒脉冲电源的有效工作频率极限随脉冲形成线长度的缩短而增大;且风机风速越快,气体开关绝缘恢复越好,纳秒脉冲电源的有效工作频率越高。最后用此重复频率纳秒脉冲电源成功驱动了平行板结构的介质阻挡放电模块。

一种基于磁饱和变压器的DSRD脉冲电源设计

漂移阶跃恢复二极管(DSRD)具有开关速度快、重频高、工作电流大等优点,在脉冲功率技术中很有应用前景。研究了一种基于磁饱和变压器的DSRD泵浦电路拓扑结构,具有体积小、重量轻、可靠性高等特点。根据DSRD的工作要求,采用功率MOSFET作为初级开关,结合磁饱和变压器的升压和磁开关特性,设计了DSRD的泵浦电路。利用Pspice软件对电路进行了仿真分析,验证了电路原理的正确性。在仿真分析的基础上,完成了一台原理样机的设计和电路实验。实验结果表明,该电源样机在前级充电电压800 V条件下,50Ω负载上产生的脉冲幅值大于7 kV,前沿小于4.2 ns(10%~90%),半高宽约10 ns。

交流和纳秒脉冲Ar/H_(2)O介质阻挡放电聚丙烯材料表面亲水改性对比研究

为了提高等离子体对聚合物材料表面处理的应用效果,优化亲水处理的条件,研究了交流和纳秒脉冲氩气介质阻挡放电(DBD)中添加适量H2O,对聚丙烯(PP)亲水改性的处理效果。利用电学和光学诊断方法,系统地对比了交流DBD和纳秒脉冲DBD的放电特性,结果表明,纳秒电源驱动DBD具有更高的放电瞬时功率,更好的放电均匀性和更高的能量效率。通过测量不同水蒸气含量下DBD的OH发射光谱强度,确定了PP材料亲水性处理中H2O添加的最优含量。利用交流和纳秒脉冲电源驱动DBD分别对PP材料进行亲水改性的处理,测量了不同条件下改性处理后的表面水接触角,并利用原子力显微镜(AFM)和傅里叶红外光谱(FTIR)分别对处理前后PP材料的表面物理形貌和表面化学成分进行分析。结果发现,经DBD处理后PP材料的水接触角明显降低,表面粗糙度明显增大,表面的亲水性含氧基团,羟基(-OH)和羰基(C=O)的数量大幅增加。相比交流电源,纳秒脉冲DBD处理的改性效果更好,其处理后的材料表面水接触角,比交流DBD处理的低5°左右,表面粗糙度也有所提升。而水蒸气的加入可使PP材料的表面水接触角进一步减小4°左右,表面粗糙度明显提升。研究结果为优化DBD聚合物材料表面改性实验条件及处理的效果提供了重要的参考依据。

低成本脉冲源驱动的纳秒脉冲等离子体固氮

纳秒脉冲等离子体在环境工程领域与生物医学领域有着广阔的应用前景。本文介绍了一种集成度较高、成本较低的kHz脉冲电源和一种简单、实用的等离子体发生装置。本文所提及的脉冲电源的成本在2000元以内,电压峰值、放电频率均可通过修改电路元件参数进行调节。该等离子体放电装置在大气压条件下可产生体积为25cm×25cm×2cm的均匀等离子体区,放电装置的工作气体为空气或氮气。将雾滴通过等离子体放电区域后,等离子体中的气相NO_(x)、O和OH^(-)等粒子溶解在雾滴中,并通过一系列反应形成NO^(-)_(2)、NO^(-)_(3)和NH^(+)_(4),从而实现大气压条件下的低温等离子体固氮。

重复频率场畸变火花开关的电压工作范围

用大气压空气下的场畸变火花开关组建一套纳秒脉冲电源,研究了开关不同重复频率(从50 Hz到1300 Hz)触发击穿时的电压工作范围以及吹气的影响,用高压探头和数字示波器记录电压波形。实验结果表明,开关稳定工作(电压低于30 kV、电流峰值小于300 A)的最高重复频率为1300 Hz,因开关击穿后绝缘未完全恢复,稳定工作的最高工作电压V_(max)和最低工作电压V_(min)都随重复频率的升高而降低,低频时电压工作范围(V_(max)-V_(min))宽,高频时窄。低频50 Hz时工作范围有10 kV左右,高频1300 Hz时很小,大约只有0.5 kV,这是因为高频时绝缘水平低,触发脉冲对击穿电压的降低作用不明显,因此触发条件下的实际工作电压更接近当前的自击穿电压。吹气可以加快气体绝缘恢复,提高最高和最低工作电压。若开关的最高工作电压为工作前自击穿电压30 kV的90%以上,则不吹气时重复频率低于50 Hz,吹气时最高能到500 Hz。

先进同步辐射光源特种电源概述

介绍了第四代衍射极限同步辐射光源(DLSR)的发展,DLSR目前处于起步阶段,涉及到很多关键技术。主要讨论了DLSR涉及到的特种电源技术,主要包括注入引出用高压纳秒快脉冲电源、高精度磁铁电源、双极性动态校正电源、大功率速调管调制器等,分别介绍了这些电源的参数要求、关键技术及解决方案。

新型脉冲放电等离子体耦合碱洗技术除臭应用研究

针对介质阻挡放电除臭技术存在易积尘积垢问题,开发出纳秒脉冲电源结合大间隙放电的新型脉冲放电等离子技术。中试试验(模拟单一污染物)表明大功率密度(>5W/Nm^3)下新型脉冲等离子体可以完全矿化有机物。通过新型等离子体耦合碱洗技术,可在1W/Nm^3的功率密度下,去除90%以上的二甲二硫、二硫化碳和甲硫醚,对于甲硫醚、苯乙烯和氨气也有明显去除效果,臭氧浓度低于0.1ppm,而臭气浓度去除率达到90%以上,稳定在500无量纲以内。

高弹性合金材料的微细电解铣削加工技术研究

高弹性合金材料微小型零/部件在航空航天、精密仪器等领域的使用越来越广泛。针对传统方法加工高弹性合金材料微小型零件比较困难的问题,利用纳秒脉冲电源微细电解铣削加工技术对其进行了研究。介绍了微细电解铣削加工技术的原理和实验装置;研究了微细工具电极的在线制备方法和主要工艺参数对微细电解铣削加工精度的影响;并进行了两种典型微小结构的综合加工实例验证。研究表明,利用纳秒脉冲电源微细电解铣削加工技术可以加工出具有良好质量的高弹性材料微小结构。

纳米金属颗粒的等离子体合成与燃烧特性

利用研制的高频纳秒脉冲电源放电烧蚀钛电极合成了纳米钛颗粒,并探究了电源频率、冷却气体流量等对合成的钛颗粒粒径的影响规律.进而,开展了纳米钛颗粒的燃烧特性研究.结果表明,所研制的纳秒脉冲电源满足实验需求,且随着电源放电频率的提高以及冷却气体流量的降低,合成的钛颗粒粒径逐渐增大;而燃烧实验结果则表明,链状纯钛颗粒团聚体(一次粒径小于10,nm)的燃烧时间随其电迁移率当量直径的变化不大.

场畸变型气体开关高重复频率运行特性研究

为研究场畸变型气体开关的高重复频率运行特性,组建了一个测试用重复频率纳秒脉冲电源,由高压直流电源、脉冲形成线和待测气体开关及触发电路、匹配负载和吹气风机组成,可产生峰值为几十千伏、脉宽为80 ns的准方波脉冲。测试结果表明:输出脉冲序列中存在低幅值脉冲,开关自击穿方式工作时的最高重复频率约为260 Hz;开关触发方式工作时,重复频率随欠压比降低而升高,最高可达1.8 kHz,此时欠压比为0.6,提高重复频率后输出的低幅值脉冲消失。实验还发现,场畸变型开关在较高重复频率运行时,触发电路中的耦合电容和开关电极间的分布电容会影响开关的工作状态;采用吹气措施后,开关气体绝缘恢复特性变好,输出的低幅值脉冲基本消失,相同欠压比下可达到更高的重复频率。

桌面式水平走丝微细电火花线切割机床的研制

利用直径小于80μm电极丝的微细电火花线切割加工技术,可加工出表面粗糙度好、尺寸精度高的微小复杂零件。以加工带有螺旋结构的微小复杂零件为目标,设计了一套桌面式水平走丝微细电火花线切割加工装置,主要包括具有人机界面、任务规划和运动控制的开放式数控系统,走丝平稳、张力可控的分体式水平走丝机构,以及精确可控微小放电能量的纳秒级脉冲电源。