基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源

针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络(PFN)储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5Ω上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶(90%~90%) 74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84Ω负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。

猝发重频高压大功率脉冲充电电源研制

针对电感隔离型重频Marx发生器的充电需求,研制了一台猝发重频高压大功率脉冲充电电源。该电源采用直流电源+储能电容+晶闸管开关+脉冲变压器的技术路线,设计指标为充电电压为90 kV,充电电流1 kA,充电重复频率1 Hz~100 Hz可调,猝发工作时最大充电次数为5次。首先介绍了充电电源的工作原理,进行了电路参数计算和结构设计,得到了晶闸管、初级电源和脉冲变压器等主要器件的参数。然后试制组装了一套电源,并进行了实验验证:对等效总电容量为0.7μF的紧凑型Marx发生器充电时,充电电压90 kV,充电时间小于120μs,充电重复频率10 Hz。该电源的研制成功对高功率重复频率脉冲功率源的进一步小型化具有重要意义。

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF6气体绝缘等设计,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150ns、峰值电压大于400kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18Ω阻抗负载上输出功率达到33GW,峰值功率密度大于150GW/m^3,实现重复频率5 Hz、脉宽约160ns、峰值电压大于600kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50ns以下,脉宽约130ns。

100kV重频气体开关初步研究及应用

为了减小脉冲功率源装置的体积,对三电极气体开关和两电极气体开关的结构进行了小型化设计.采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化,对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同SF6气压（0-0.2MPa）、不同开关间隙条件下的击穿电压及触发工作电压等进行了实验研究.结果表明：设计的触发开关和自击穿开关在0-0.2MPa气压范围内,自击穿电压随气压具有很好的线性关系;自击穿开关间隙为8mm,改变气压（0.1-0.2MPa）可实现自击穿电压90-125kV 可调;触发开关主间隙为7mm,改变气压（0.1-0.2MPa）可实现触发工作电压40-95kV 可调;初步估算,触发开关和自击穿开关的工作电感均约20nH.利用重频脉冲电源,测试了开关的重频工作能力,在工作电压80kV、导通电流约20kA的条件下,重复工作频率在20Hz以上.此外,利用研制的开关构建了八级紧凑型Marx发生器,实现了5和10Hz重频多脉冲输出.

200 kV小型低电感气体开关

为减小脉冲功率源装置的体积,对场畸变三电极轨道气体开关和两电极轨道气体开关结构进行了小型化低电感设计,采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化,对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同气压（0～0.3 MPa）和不同气体介质（N2,SF6,以及二者混合）条件下的击穿电压及导通电感等进行了研究.研究表明：小型触发开关和自击穿开关在0～0.3 MPa气压范围内自击穿电压随气压具有较好的线性关系;相同气压下SF6气体的自击穿电压约为N2气体的两倍;N2与SF6压力按3∶2混合的自击穿电压约为纯SF6气体的0.8～0.9倍;内部充入0.25 MPa气压的SF6气体时,触发开关和自击穿开关均可在190 kV左右正常工作.根据实验中出现的开关沿面击穿现象,对开关的沿面绝缘能力进行了优化设计,并得到了实验验证.另外通过短路放电测试,得到触发开关电感约22 nH,自击穿开关电感约20 nH,开关导通电流大于20 kA,多次放电后电极烧蚀痕迹分布均匀.

基于PFN-Marx技术的200keV脉冲X射线源设计与实验

基于PFN-Marx技术路线研制了200 kV脉冲驱动源,采用了超前触发技术,实现了在40Ω水电阻负载上输出电压约200 kV、前沿约25 ns、脉冲宽度约62 ns的脉冲高压。设计了工作电压为200 kV的“Washer-Needle”型二极管,在二极管电压210 kV、电流5 kA条件下,输出X射线脉冲宽度约40 ns,X射线焦斑直径1.2 mm,1 m处照射剂量约15 mR。

1MV杆箍缩二极管辐射特性实验研究

依据现有的实验室驱动源能力建立杆箍缩二极管(RPD)粒子模拟计算模型,获得了工作电压为1 MV的RPD电参数特性及电子、离子时空分布特性,并设计了RPD实验装置。在1 MV驱动源平台上开展了实验研究,实验中采用B-dot、D-dot、热释光剂量片和SiPin二极管测试了RPD电流、电压、辐射剂量和光脉冲信号,分析了RPD电参数及X射线辐射特性。结果表明,阳极采用1.5 mm钨时,1 MV电压下1 m处辐射剂量约1 R,并得出剂量与电压Ud、电流Id的关系式D(R=1m)=120U1.55d∫Iddt;二极管阻抗范围为26.4~36.7Ω,空间电荷限制阶段平均阻抗下降率大于2Ω/ns,磁绝缘阶段平均阻抗下降率小于0.5Ω/ns;光脉冲宽度较电压脉冲宽度约缩短20%~30%,与电压、电流的关系为∝IdU1.55d。实验测试的剂量和光脉冲信号结果与拟合计算式计算结果符合较好。

阳极杆箍缩二极管的理论模型及物理特性

闪光X射线源是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管(RPD)作为其重要组成部分之一,直接影响闪光X射线源照相质量。研究RPD物理特性对二极管物理结构优化设计及实验调试具有重要意义。分析了RPD空间电荷限制、弱箍缩和磁绝缘阶段物理模型。基于PIC模拟技术,编写了计算程序,研究了RPD不同阶段的电子电流、离子电流及电子束箍缩物理特性。通过理论分析,获得了特定几何结构RPD物理模型修正系数及各个阶段离子电流与电子电流比,验证了粒子模拟代码的有效性。模拟结果表明:空间电荷限制阶段,粒子模拟结果与双极性流计算结果一致;在弱箍缩和磁绝缘阶段,粒子模拟得到的总电流与磁绝缘模型计算结果一致,且与文献给出的经验拟合表达式计算结果一致;磁绝缘阶段离子电流与电子电流之比与电压和二极管几何结构相关,给出了离子电子电流比增大系数η与电压和阴阳极半径比的关系,该系数受电子、离子在不同结构二极管渡越时间的影响,随电压和阴阳极半径比增加而逼近恒定值。

同心度对杆箍缩二极管物理特性的影响

闪光X射线照相是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管是X射线源的重要组成部分之一,其设计直接影响X射线源稳定性。由于受装置结构及真空等因素的影响,使得阴阳极几何中心同心存在一定的困难。因此,评估同心偏差对二极管物理特性的影响,对提高闪光X射线源稳定性具有重要的意义。针对阴阳极几何中心同心偏差问题开展实验研究,分别取三种同心偏差度(小于1%,15.02%和22.92%)状态。在1MV电压下获得了不同同心偏差度下二极管电参数特性,并在此基础上结合理论模型分析了同心偏差度对二极管物理特性及电极等离子体扩散速度的影响。研究结果表明,随着同心偏差度增加,磁绝缘阶段阻抗下降率及等离子体扩散速度呈非线性增加,同时造成该阶段二极管阻抗与脉冲驱动源输出阻抗失配严重,降低了二极管与脉冲驱动源的能量耦合效率。

基于电爆炸丝断路开关的方波脉冲功率源

为了改善电感储能脉冲功率源的输出波形,本文提出一种基于电爆炸金属丝断路开关的方波输出脉冲功率源。该脉冲源以脉冲电容器为初始储能源,通过脉冲形成网络对电爆炸金属丝开关放电,当电流达到峰值附近时,电爆炸金属丝开关断开,将能量切换到负载上。由于脉冲形成网络中电感电流不能突变,所以负载上能得到数倍于初始储能电容充电电压的脉冲输出;由于脉冲形成网络中电容的续流作用,所以负载上能得到准方波脉冲输出.验证实验结果表明:在1μF初始充电电容充电32k V时,在10Ω负载上得到电压幅值83k V,半高宽279ns,90%平顶172ns左右的脉冲输出,证明了该原理的脉冲功率源可行性。

高压模块的有机硅凝胶灌封工艺设计与改进

介绍了某高压模块产品灌封工艺技术。该高压模块主要由多级倍压整流电路组成,要求具有良好的绝缘、抗振及三防特性,因此采用一体化(即模具作为结构支撑件)的灌封结构设计,以实现小型化、模块化。针对高压模块的灌封要求,选用合适的灌封材料;并针对灌封中出现的问题,通过原因分析找相应问题的解决办法,然后对高压模块灌封工艺进行改进。根据几批次高压模块的试验结果,该灌封工艺技术满足模块的设计要求。