低阻抗Blumlein型脉冲形成网络设计与实验

脉冲形成网络(PFN)是产生宽度上百纳秒甚至更长脉冲的主要技术途径之一。设计了一种低阻抗Blumlein型脉冲形成网络,该脉冲形成网络采用陶瓷电容器作为级电容,铜条作为级电感,通过将两路阻抗为20Ω的Blumlein型脉冲形成网络并联,使一个网络单元模块的输出阻抗为10Ω。实验结果表明,设计的Blulein型脉冲形成网络单元可在10Ω负载上获得半高宽约200 ns,前沿约为50 ns,平顶约为110 ns的高压脉冲。

Blumlein型脉冲形成网络设计

为了产生驱动高阻脉冲X光管的快前沿平顶脉冲,开展了级联B线主要组成单元Blumlein型脉冲网络的研究。在网络阻抗和电长度一定时,从Blumlein型脉冲形成网络级数、级电容杂散电感、开关参数和隔离电感4个方面开展了影响输出脉冲前沿、过冲、顶降、反冲和预脉冲因素的研究。研究表明级电容杂散电感和开关导通电阻使输出脉冲严重畸变。实验表明设计的网络阻抗7.8Ω,输出脉宽65.2 ns,前沿18.6 ns,与预期一致。

光导开关Blumlein型脉冲网络电压传输效率

为了在高阻负载上获得高效率的重复频率平顶高压脉冲输出,开展了影响基于光导开关的Blumlein型脉冲形成网络电压传输效率因素的初步实验研究。以陶瓷电容、铝条和GaAs光导开关构成全固态Blumlein型脉冲形成网络(BPFN),采用气体间隙进行了设计参数的验证实验,在匹配负载上研究了光导开关工作场强、激光触发能量与BPFN电压转换效率的关系。设计的BPFN阻抗7.8Ω,电长度32.6ns,实验表明光导开关较高的导通电阻是影响PCSS-BPFN电压传输效率的主要因素。当触发激光能量30.4mJ,工作场强25.1kV/cm时,获得电压效率83.2%,相应最小导通电阻1.89Ω;在触发激光能量3.5mJ时,为了使阻抗为7.8Ω的BPFN在匹配负载上达到75%以上电压传输效率,应至少使光导开关工作场强为25.1kV/cm,相应最小导通电阻2.88Ω。

光导开关级联Blumlein型脉冲网络设计

为了驱动重复频率运行高阻抗X光管,设计了基于光导开关的级联Blumlein型脉冲形成网络。采用数值模拟方法优化网络参数,从网络充电电压一致性、输出脉冲波形畸变、电压叠加效率、负载预脉冲幅值出发确定了充电电感和支撑电感设计原则。实验表明:光导开关工作场强23.2kV/cm,激光触发能量3.5mJ时,阻抗约15.6Ω的Blumlein型脉冲形成网络电压转换效率为0.71,2级级联网络电压叠加效率0.96。

级联Blumlein型脉冲网络充电电源设计

各级Blumlein型脉冲形成网络充电电压的不一致是影响级联脉冲形成网络电压传输效率的因素之一,为了使级联网络的充电电压一致,设计了一种多路充电电源。每路电源由脉冲变压器,IGBT,初级储能电容组成,IGBT的同步触发使得每路电源同时对负载充电。实验结果表明各级网络的充电电压不一致性<0.1%。

驱动X光二极管的级联Blumlein型脉冲网络过电压脉冲分析

为了提高装置容许的运行电压以提高辐射剂量产额,开展了放电过程中影响脉冲形成网络过电压幅值因素的研究。在引入开关导通不同步性和导通电阻条件下,建立了适用于任意电阻性负载的级联Blumlein型脉冲形成网络电压波过程理论模型,基于波过程模型进一步分析了影响脉冲形成网络过电压幅值的因素。研究表明开关不同步是产生过电压的主要因素,过电压峰值出现在开关闭合后的3倍形成网络电长度时刻。随着网络级联级数的增加,二极管阻抗与源阻抗匹配情况下最大过电压可达到-2倍充电电压,而二极管阻抗下降使得过电压幅值得以加强,阻抗过早崩溃可使过电压幅值接近充电电压的-3倍。

级联Blumlein型脉冲网络电感设计

为了利用级联Blumlein型脉冲形成网络在高阻抗负载产生理想的高压平顶脉冲输出,开展了构成该脉冲功率源关键单元的始端电感和终端电感设计。从充电电压一致性,输出脉冲不发生严重畸变,高的电压叠加效率,可接受的负载预脉冲幅值出发,确定了始端电感和终端电感值的计算方法,利用锰锌铁氧体磁芯的饱和特性设计电感,通过实验开展锰锌铁氧体磁芯参数测试。研究表明锰锌铁氧体饱和和剩余磁感应强度之和约为1.75,饱和磁导率约3.3,非饱和磁导率约1 462,饱和电感值为7.3 mH,非饱和电感值3.2 mH。

基于光导开关的Blumlein型PFN能量转换效率

为了驱动低能重复频率高阻抗X光管,采用低感陶瓷电容构建了一套电长度约33.5ns、阻抗约8Ω的Blumlein型脉冲形成网络(BPFN),在匹配负载条件下研究了采用GaAs光导开关(PCSS)作为脉冲输出开关时PCSS工作场强、激光触发能量与能量转换效率的关系。实验表明:PCSS截止场强为3.21～4.94kV/cm,在工作场强高于20kV/cm时,截止场强引起的能量损失对能量转换效率的影响不大;PCSS较高的导通电阻是影响PFN能量转换效率的主要因素,随着工作场强、激光触发能量的上升,能量转换效率呈指数上升趋势。

基于光导开关的重复频率闪光X光机

采用砷化镓光导开关和Blumlein型脉冲形成网络以级联的拓扑形式构建平顶输出功率源,驱动工业X光二极管产生X射线。提出了一种轮辐状金属-陶瓷沿面阴极,并与普通金属阴极工业X光二极管重复频率实验结果进行比较。研究表明:受限于阴极重复频率下的电流发射能力,普通金属阴极工业X光二极管难以实现1kHz重复频率,采用新型阴极二极管实现了1kHz重复频率2猝发脉冲X光输出,这两个脉冲的二极管功率、X射线信号基本一致。

基于光导开关的全固态器件功率源实验研究

研制了一种全固态器件重频功率源，采用GaAs光导开关和Blumlein型脉冲形成网络以级联的拓扑形式构建驱动源产生平顶高压脉冲。给出了Blum—lein型脉冲形成网络设计依据，以及充电电感和支撑电感值的计算方法，并分析了开关闭合不同步在脉冲形成网络上形成的过电压幅值。其中充电电感和支撑电感是该功率源设计的关键，直接影响各级网络充电电压幅值的一致性，输出波形畸变程度、电压叠加效率、负载上的预脉冲幅值。实验表明单级脉冲形成网络阻抗约为7．8Q，电长度约为36．5ns，12级光导开关型级联Blumlein型脉冲网络在匹配负载上输出电压达到220kV，脉宽约为63ns。