一种改进型螺旋发生器研究

研究了一种改进型螺旋发生器,以解决传统结构螺旋发生器在匝数较多时输出电压波形第二峰值大于第一峰值和输入开关的峰值电流及其电流上升率较大的问题,并进行了数值仿真和实验验证,仿真结果与实验结果基本吻合。通过电磁场分析波传输过程发现:改进型结构增加的一圈会造成额外的反射,使各层间电压同向叠加的时刻发生改变,从而降低了后续更高峰值的振荡。最终研制了一台改进型螺旋发生器,在15 pF的高压电容负载上可产生第一峰值51 kV、前沿50 ns的输出电压波形,整个发生器体积小于0.5 L。之后该改进型螺旋发生器将结合半导体开关实现高压纳秒脉冲触发器的全固态设计。

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。

Spark-05加速器真空界面设计

为了驱动中高阻抗的高功率微波源,建造了油介质Blumlein型加速器Spark-05,其真空绝缘子界面为设计的难点之一。为了减小体积和结构简单,确定了真空界面采用径向绝缘结构,利用静电场有限元程序计算了界面上的电场分布,通过调整均压环和屏蔽环的形状使电场分布更加均匀,真空界面上沿面场强和三结合点处场强均得到了有效的控制,在1MV实验中工作稳定。

PSpice模型用于电爆炸丝的数值模拟

根据细铜丝通过大电流时发生爆炸而导致电阻率的急剧变化的实验数据 ,建立了其PSpcie电路模型。然后将这个模型应用于一个含电爆炸丝断路开关的电感储能脉冲功率电路 ,以探讨电爆炸丝的参数选择对脉冲功率调制系统的影响。研究表明 :电爆炸丝长度主要控制电流切断的效果 ,而电爆炸丝的根数或截面积主要控制电爆炸丝切断的时刻 ,并且初始电压愈大 ,切断愈迅速 ,在负载上获得更高的电压。

电感储能系统驱动虚阴极振荡器数值研究

应用PSpice程序构建了一种比较符合实验实际的电感储能系统驱动反射三极管虚阴极振荡器的等效电路模型 ,研究了虚阴极中的电流电压关系 ,以及电爆炸丝切断开关和脉冲变压器的作用。具体介绍了电爆炸丝和虚阴极振荡器的计算模型。计算结果给出了脉冲变压器、电爆炸丝和虚阴极振荡器的参数选择对负载上获得的电压、电流的影响。

Spark-05强流电子束加速器

介绍了由Marx发生器、油介质Blumlein脉冲形成线和真空二极管3部分构成的Spark-05强流电子束加速器的设计和基本参数。Marx发生器为18级Z型结构,设计输出电压1 MV;Blumlein线阻抗约50Ω,设计在匹配负载上输出1 MV脉冲,半高宽度35 ns;真空二极管界面绝缘子采用径向绝缘结构,通过调整屏蔽环形状有效控制了真空界面上沿面场强和三结合点处场强,同时给出了PSpice电路仿真和典型实验结果。

脉冲变压器充电过程中次级线圈匝间电压的分布

实验发现线绕的螺旋形脉冲变压器在充电期间存在击穿的现象,有时甚至在原边刚导通的时刻就发生击穿,而此时副边并无电压输出。为解释这种实验结果和避免击穿,提高耐压水平,利用简化的多导体传输线方法,在忽略了充电过程中的位移电流情况下,给出了变压器在不同时刻次级绕组层间电压分布。结果表明:变压器层间电压分布随时间变化,且与电路外部参数如失谐、原边电容电压等存在关系。失谐系数较小时,可能在充电的初始时刻就发生变压器击穿。可以利用这些特性来改进螺旋形线绕变压器的设计,使电压分布尽可能均匀,提高耐压强度。

FCG电枢膨胀过程流体计算

建立了爆炸磁压缩装置 (FCG)的 2 D轴对称有限元模型 ,应用显式非线性动力分析程序进行求解 ,得到了爆磁压缩装置电枢膨胀过程的图像。电枢使用Johnson Cook材料模型和根据实验Hugoniot曲线确定的Gr櫣ｎｅｉｓｅｎ状态方程 ,考虑到了材料应变率硬化和塑性功绝热加热过程 ;炸药材料采用JWL状态方程 ,得到了铝金属管电枢的膨胀过程。

新型爆磁压缩脉冲功率调制电路

爆磁压缩发生器一般具有较低阻抗,在驱动较高阻抗负载时需要脉冲功率调制电路。传统的脉冲功率调制电路需要脉冲变压器,体积庞大,若其后再采用传输线作中间电容储能,尽管输出波形有改善,但体积更大。提出一种无需脉冲变压器,把传输线当作电感储能元件的功率调制电路。该方案具有电路结构简单、体积紧凑、绝缘压力小等优点。文中同时给出了电路的仿真结果。该功率调制方案将使爆磁压缩的应用更加广泛。

电感储能高功率微波系统的数值模拟

介绍了REFORM程序 ,使用等效电路模型 ,研究了电感储能驱动高功率微波系统的性能问题。电路中考虑了初级能源 ,脉冲变压器 ,电爆炸丝切断开关 ,同轴传输线 ,火花隙陡化开关 ,以及微波二极管负载等。由模拟结果得到了一些有用的结论 ,即通过电路参数优化可以提高整个系统的效率 。

低阻脉冲形成线电容分压器的在线补偿标定

讨论了低阻抗脉冲形成线中测量充电电压所用电容分压器的标定方案,提出了采用外部并联电感来补偿较大的形成线电容负载的方法。由于低阻形成线的电容负载影响,使用脉宽较短方波发生器易导致波形缺乏平顶,使用输出电压较低正弦波发生器导致信噪比不高。采用合适数值的外部电感,可以实现与形成线电容的并联谐振,此时整体阻抗最大,可以使用普通放大器提高正弦波电压,且不产生失真。该方法可应用于微秒尺度低阻形成线电容分压器的在线标定。

微秒长脉冲有磁场高功率微波二极管真空界面设计

介绍了一种微秒长脉冲有磁场的真空二极管界面的设计和实验结果。采取了三种措施来抑制沿面闪络:一是阴极电子束挡板,用来拦截来自阴极和电子束漂移管的回流电子束;二是接地屏蔽板,使电场等势线和界面成约45°角,使阴极三结合点处发射的电子远离绝缘板;三是降低阴极三结合点处的场强,并使用一悬浮电位的金属环阻止电子倍增过程。计算了二极管内电场、磁场分布和电子束的运动轨迹并据此优化了真空界面的结构,实验验证了该二极管真空界面可以在400 kV、800 ns条件下正常工作,可以支持长脉冲高功率微波器件的研究。

重复频率高功率微波加速器X射线屏蔽的估算（英文）

高功率微波的研究正在向高重复频率发展,目前已运行每年百万炮次或以上的水平,由此导致的电子束轫致辐射产生的X射线剂量已不可忽视,为了人员安全必须采取屏蔽措施。采用BEAMnrc程序,用蒙特卡罗方法仿真了环状束高功率微波源收集极的射线产生情况,典型输入束流参数为电压1 MV,电流10kA,脉宽100ns,重复频率100Hz。仿真结果给出了X射线的谱分布和空间分布。据此估算了屏蔽X射线所需的墙壁衰减量。同时估算了X射线的天空散射因素以及房顶所需的衰减量。

高功率微波脉冲功率驱动源研究进展

通过文献调研 ,阐述了高功率微波脉冲驱动源的研究现状、发展趋势及其所涉及的一些如开关、绝缘和材料击穿、脉冲形成和二极管等相关关键技术的发展状况 ,简要评估后得出一些相关结论 。

重复频率运行强流电子束收集极热特性

针对一种返波管常规收集极,实测了电子束在收集极内表面的有效作用面积,以电子能量700keV、束流7kA和脉宽50ns为例,计算了单脉冲时的热功率沉积和平均热流密度。利用通用有限元软件AN-SYS,采用脉冲热源加载的方式,在对流换热系数7 000W/(m2.℃)、水温20℃的条件下,得到了收集极10～100Hz运行时温度历史曲线及温度分布,并比较了不同重复频率下收集极平衡温度与对流换热系数的关系。如果以300℃为气体发生显著热脱附的温度阈值,对流换热系数为7000W/(m2.℃)时,能够满足重复频率50Hz以下运行,而到100Hz时,对流换热系数则需增加到104 W/(m2.℃)。根据流体计算公式,给出了不同对流换热系数对应的水流流速。

铁基非晶磁环磁开关设计

分析了磁开关的工作原理及其工作过程进行了分析,推导了磁开关磁芯体积公式,给出了多级磁脉冲压缩电路所需的条件,使用Pspice对磁开关的工作过程进行了模拟。根据理论分析和数值模拟的结果,设计了一台10 kV级,压缩比为8.3的磁开关,并在实验中将10 kV,9.2μs的脉冲压缩为10 kV,1.3μs的脉冲。针对该实验平台设计了一种便捷的磁芯动态磁滞回线测试方法,运用该方法不需搭建测试平台,直接在单级磁脉冲压缩电路平台上即可完成磁芯参数的测量和磁滞回线的绘制。

固态化高功率长脉冲驱动源重频特性

基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键技术,提出并研制了一台固态化高功率长脉冲驱动源。在前期通过2 GW单次实验验证技术方案的基础上,研制了中等电压等级的重复频率初级电源;改进了两级磁脉冲压缩系统的复位和绝缘特性;优化了系统整体电路结构,利用感应电压叠加器完成充电磁开关和脉冲升压的双重功能;设计了合理的复位路径,实现了各部分磁芯的在线直流复位;并开展了重频运行研究。在电阻负载上获得了输出功率2.1 GW、脉宽约170 ns、重复频率20 Hz及运行时间1 s的实验结果,脉冲波形的重叠一致性好。

紧凑重频Tesla变压器型调制器的实验研究

采用所设计的紧凑Tesla变压器型重频调制器,对Tesla变压器子系统和调制器系统在单脉冲和重频两种模式下分别进行了实验研究,并对实验结果进行了分析讨论,结果表明:单脉冲和重频(50 Hz)两种模式下,Tesla变压器给形成线充电的峰值电压分别可达380 kV和300 kV,且变压器充电稳定性能高;通过调整气体火花隙主开关的电极间距和工作气压,在调制器单脉冲运行中得到最高输出电压330 kV,脉宽7 ns,上升沿2 ns;在重复频率不超过40 Hz、调制器重频运行小于或等于300个脉冲数时,不需施加冷却系统和吹气系统,大大减小装置的体积和质量;在300个脉冲数以内,随着脉冲数目增加,调制器输出电压的平均值下降,输出电压的不稳定度变小,输出电压下降度增加,并在脉冲数达到50个以上时趋于稳定;随着重复频率增高,调制器输出电压的不稳定度增加,重复频率上升到40 Hz以上时,输出电压的平均值下降较大;调制器重复频率40 Hz下稳定运行输出300个脉冲,输出电压310 kV,电压不稳定度为6%,电压下降度为6%。

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台，运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关，对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究，结果表明：重复频率小于50Hz时，火花隙开关击穿电压不稳定度（RMS）小于5％，不需要吹气；在给定吹气速度下，火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率；火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度，且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系，并可由实验确定；在优化吹气速度条件下，当气压处于0．7～1．5MPa范围时，该火花隙开关击穿电压不稳定度（RMS）小于3％；在2．0MPa的压强范围内，该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300Hz，击穿电压400kV。

四级传输线脉冲变压器研制

介绍了一种传输线脉冲变压器(TLT)的最优化设计理论,在此基础上,研制了一台四级传输线脉冲变压器。所研制的TLT所使用的磁芯基本符合级间无耦合结构TLT最优化设计的要求。采用了柔韧性好的同轴电缆,绕制完成后各级次级线电感值大小分别为1.83,3.52和5.41 mH,符合预定目标。利用Blum-lein作为脉冲源,对所研制的TLT进行了测试,测试结果表明:输入脉冲宽度150 ns,幅值10 kV,上升前沿20ns,输出脉冲宽度150 ns,幅值约40 kV,上升前沿约20 ns,基本波形保持较好,但下降沿和尾部波形不理想,初步分析可能的原因是TLT输出端杂散电容电感引起的阻抗不匹配。此变压器可用于低阻抗陶瓷脉冲形成线输出端的阻抗变换。