Tesla变压器型强流电子加速器充电理论分析

对 Tesla变压器型强流电子加速器的充电过程进行了理论分析。根据加速器充电过程的电路模型 ,得出了充电电压半解析表达式 ,分析了电压波形的频率成分、传输效率。

测量强流电子加速器输出电压的电容分压器

研制了一种结构简单、拆装方便的自积分电容分压器,用于测量强流电子加速器二极管输出电压。介绍了电容分压器的结构,计算了其电容量,并通过仿真的方法分析了前端电阻及其杂散参数对测量波形的影响,结果表明:当前端电阻杂散电容较大时,测量波形出现过冲现象;而前端电阻对地电容较大时,会影响测量波形的前沿。将电容分压器用于测量强流电子加速器二极管输出电压,并运用水电阻分压器对其进行了标定,所测得波形与电阻分压器基本一致,分压比为563 007,可以用于测量半高宽为100ns的高压脉冲。

电容储能型重频强流电子加速器控制系统

针对电容储能型重频强流电子加速器对自动控制的要求,研制了一套基于LabVIEW和PIC单片机的远程触发控制系统。本系统用普通的数据采集卡和单片机硬件实现了复杂的电路控制和时序控制,具有信号采集、调用表格数据、控制晶闸管触发等功能,以实现储能电容对变压器原边电容的稳定谐振充电。将该控制系统应用在重频强流电子加速器平台,重复频率运行时,能够保持原边电容充电的一致性和稳定性,系统长时间运行可靠、稳定、抗干扰能力强。

用于强流电子束加速器的大功率匹配负载的研制

研制了一种电阻值为20Ω的用于强流电子束加速器调试的大功率匹配负载。该负载已应用于基于水介质螺旋脉冲形成线强流电子加速器的调试。在该匹配负载上获得了较好的电压和电流波形,其电压幅值为200 kV,电流为9 kA,脉冲半高宽为150 ns。根据研制的匹配负载的几何尺寸,对该匹配负载的电感、电容进行了理论计算,得到的电感和电容值分别为2.12×10-8H和4.51×10-10F;并用PSpice软件对脉冲方波加载到匹配负载进行了模拟计算,用ANSYS软件对匹配负载的电场分布进行了模拟,理论和模拟结果与实验测量值基本一致。该匹配负载具有电感小和结构简单等特点,对匹配负载温升的理论计算表明,该匹配负载也可以用于重复频率小于10 Hz的加速器调试。

强流电子束加速器运行过程电磁辐射的实验研究

强流电子束加速器运行时,临近的计算机和示波器会发生黑屏,这是由于在该过程中产生了较强的电磁辐射干扰。采用实验研究的方法,对实验室研制的强流电子束加速器产生的电磁辐射进行了测量和分析。结果表明:强流电子束加速器产生的电磁辐射主要来源于初级气体开关触发、初级气体开关导通以及气体主开关自击穿导通3个过程。其中,初级气体开关导通时辐射的电磁波强度较大,其强度最大处在与开关相同高度的位置。此外,强流电子束加速器在运行过程中的电磁辐射为低频辐射,主频为21MHz。

强流电子束加速器中气体开关的电磁辐射等效模型

对触发开关和主开关产生电磁辐射的机理进行了详细的分析,将气体开关导电通道等效为电偶极子,理论分析了其辐射电磁波的空间分布,以同轴电缆为实验对象,研究了电磁辐射的干扰。实验测量了触发开关和主开关的电磁辐射信号,结果表明,运用偶极辐射等效可以很好地描述二者的辐射特性。在强流电子束加速器产生电磁辐射的时刻,同轴电缆中感应出了一定强度的电流,幅值达3V,已经足以对其他信号的准确测量产生影响。

Blumlein线型强流电子束加速器放电过程分析

提出的分析强流电子束加速器放电过程的方法可对具有导通时延的气体开关、Blumlein脉冲形成线、阻抗非恒定的真空二极管负载组成的放电系统进行数值计算 。

Tesla变压器型电子束加速器初步实验

介绍了一种Tesla变压器型的强流电子束加速器。当变压器初级输入20kV左右的电压时,加速器二极管输出电压500kV,电流9kA,信号脉宽大约50ns,该装置具有结构简单,安装方便,运行可靠等特点。

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9Ω，充电电压为1．2MV，匹配负载输出电压600kV，脉冲宽度100ns，形成线长度1．1m，最大外径35cm。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SF。的击穿电压一压强曲线尽可能线性；（2）电极间平均场强300kV／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30kV／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12cm，电感小于100nH、击穿电压和气压的线性关系好，可在0．3～1．2MV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。

几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用

为追踪国际上脉冲功率技术的发展方向,在"闪光二号"加速器上开展了水介质形成线并联技术、多级多通道气体开关技术和同步触发技术等研究。经过3维结构下电场分布的模拟计算和绝缘设计,采用3根6Ω小水线并联组成了2Ω水介质形成线,研制成功了作为主开关的3 MV多级多通道气体触发开关,并实现了3个多级多通道气体开关的并联运行;采用工作时延446 ns的同步触发系统实现了Marx发生器与主开关的延时同步运行。真空负压下的涡流循环冲刷消除水中气泡技术应用于水介质形成线上,有效消除了并联形成线汇聚结构处的气泡,提高了加速器运行的安全性。经过调试后,加速器重新获得了稳定的运行状态,几项新技术的应用获得成功。

强流目标的DC-SRF-II光阴极驱动激光系统设计

为推动北京大学超导加速器实验装置不断向强流目标迈进,提出100 W红外高重频光阴极驱动激光的设计方案,主放大器采用先进的光子晶体增益光纤,保证输出光束的质量。对激光系统中的关键问题,如各部分功率指标、脉冲展宽和压缩、激光耦合等进行了设计,并且考虑了激光的非线性影响。为实现强流加速器开机运行所必备的诊断模式,也提出了对于高重频激光进行两级选频的独特设计方案。将高速的SOA光开关和低速的声光调制器相结合,产生宏脉冲结构的输出激光,从而实现加速器在诊断模式下的运行。

高电压长寿命型气体火花开关的设计及初步研究

根据强流电子加速器的需要，研制了一种高电压长寿命两电极气体开关。该开关采用防污染设计，将开关电极与金属腔体进行一体化设计，并采用金属挡板对绝缘封盖进行防污保护，从最大程度上减小了开关工作时电极材料喷射对绝缘支撑物的污染，提高了开关寿命。运用ANSYS软件优化设计了电极结构。该开关在0．1～0．2MPa气压条件下，工作电压为32～42kV，单次脉冲电荷转换量0．38～0．48C，工作稳定。

MV级多通道重复频率气体开关的设计及初步实验

介绍了一种高工作电压、高重复频率的多通道气体开关的工作原理、设计方法及在SINUS-700加速器上开展的实验情况。初步结果表明,开关实现了工作电压1.15 MV、峰值电流约14.4 kA、重复频率100Hz、工作范围64.5%的最大稳定运行参数,并实现了多通道放电。

一种用于恒流充电电源的保护系统的研制

在大功率恒流充电电源给高压脉冲电容器充电时,由于高压电容的放电回路电流是一个几十kA的振荡电流,该电流反馈到充电电源会导致充电系统损坏。为解决此问题,研制了一个保护系统,该系统由大、小电感和高压硅堆等组成,结构简单,能够有效隔离大电流反馈到充电电源。介绍了该保护系统的保护原理后设计了其结构、材料和尺寸,并推导了空芯螺线管电感值的计算公式;用ANSYS软件对空芯螺线管和实际制作的电感的磁力线分布进行了模拟,算出其磁阻,从而得到了实际电感的理论计算值,该计算值与RLC精密仪器测得的电感值很接近,从而验证了该计算公式的正确性。用Pspice软件对系统的保护效果进行模拟计算的结果表明,该保护电路的存在对主放电回路几乎没有影响;当反向脉冲电流过大时,首先损坏的是反向保护硅堆,从而保护了恒流充电电源。

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路(TTL)信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。

脉冲形成线中筒与外筒间电感对二极管电压的影响

从理论上分析了脉冲形成线中筒与外筒之间的连接电感对二极管输出电压的影响,使用Pspice软件对理论计算结果进行模拟验证,并利用水介质螺旋脉冲形成线型电子束加速器进行了实验研究。理论分析、软件模拟和实验结果均表明:中筒与外筒之间过大的电感可使输出电压脉冲的平顶变短,上升沿时间延长,波形峰值降低。当连接电感小于200 nH时,可在加速器场发射真空二极管上输出接近方波的电压脉冲。

一种给脉冲形成线充电的带绕式高压脉冲变压器

研制了一种耦合系数0.8,次级输出电压500kV的空芯带绕式脉冲变压器,并进行了理论和实验的初步研究。此种变压器具有结构紧凑、体积小和电性能好的优点,已用作升压变压器给脉冲调制器的水介质Blumlein线充电。在调制器的真空二极管上已获得450kV,40kA、半高脉宽大于80ns的高电压脉冲。

μs级充电时水介质同轴电容击穿实验研究

研制了水介质同轴电容的实验装置,在此装置上进行了大量的实验。测得μs级充电时,水介质同轴电容分别在正脉冲和负脉冲充电时的击穿电压,负击穿电压的理论值与测量值相差较大,正击穿电压的理论值大于测量值的18%左右,对此实验结果进行了分析。此外,当去离子水的电阻率从13MΩ·cm降到5MΩ·cm时,水介质同轴电容器的击穿电压基本不变。

脉冲变压器锥形绕组感应系数矩阵简化计算方法

在进行脉冲变压器多匝数(实际变压器绕组匝数多达4000以上)锥形绕组电压分布仿真时,绕组感应系数矩阵巨大的计算量是制约其实现的瓶颈之一。为了克服此瓶颈,研究了绕组感应系数矩阵的规律性,指出感应系数存在端部效应,且线圈间的互有感应系数随间距衰减很快。在此基础上提出了脉冲变压器锥形绕组感应系数矩阵的简化计算方法,对多匝数绕组,该方法能传统方法所需的n(n+1)/2步减少至2n+25(n为绕组匝数),大大减少了计算量,使多匝数绕组的仿真计算成为可能。

绝缘环厚度对200kV箍缩反射离子二极管电参数的影响

给出了箍缩反射离子二极管中绝缘环厚度的选择原则 ,并从实验上给出了 2 0 0 k V箍缩反射离子二极管的绝缘环厚度对离子束和二极管电参数的影响 ,当绝缘环厚度为 2～ 3 mm时 ,二极管总电流峰值和离子束流峰值都较大 ,加速器系统工作状态较稳定。