层叠平板Blumlein线加载高梯度绝缘微堆耦合效应仿真分析

针对介质壁加速器中加速单元因耦合问题输出效率降低的现象,利用基于时域有限差分法的电磁场仿真软件,分别对一组和三组、单级和15级层叠平板Blumlein线加载高梯度绝缘微堆进行了分析。结果表明,较多的平行电极使层叠B线自身带有较大的耦合电容,会导致输出前沿变慢和输出幅值降低。三组层叠B线同时工作时输出效率降低,主要因为相邻组的层叠B线会作为在本组的耦合电容而严重分流,同时,相邻组对本组放电也会影响本组输出效率。将各级B线旋转一定角度呈扇形以减小平行电极有效相对面积,以此降低自身耦合电容,取得一定效果。

高效率高阻抗层叠Blumlein线固态脉冲发生器研究

为提高电压效率基于标准同轴电缆研制了1种高阻层叠Blumlein线固态脉冲发生器。首先,采用传输线理论和放电等效电路,分析了耦合传输线对层叠Blumlein线输出电压效率的影响,并利用数值仿真软件对外筒放电型和内筒放电型2种结构的层叠Blumlein线进行了模拟验证。理论与模拟结果表明:耦合传输线阻抗是造成电压效率损失和能量效率下降的主要因素,增大耦合阻抗可提高输出电压幅值和波形质量;内筒放电型结构能够减少耦合传输线的数量,从而提高电压叠加效率;同时,采取螺旋盘绕方式绕制及磁芯隔离的方法可增大耦合阻抗,进一步提高层叠Blumlein线的电压叠加效率。基于内筒放电型结构和磁芯隔离方法,研制了10级层叠Blumlein线脉冲发生器,并对其进行了实验测试。测试结果表明:充电电压为489 V时,输出脉冲电压幅值为4.56 kV,脉冲前沿约为21 ns,脉宽约为75 ns,输出电压效率为93.3%,测试结果有效检验了脉冲叠加效率提高方法的可行性。

陶瓷储能平行平板层叠Blumlein线(英文)

采用一种具有高储能密度的玻璃陶瓷板介质作为平行平板层叠Blumlein线(SBL)的储能介质,设计了一种平行平板SBL。针对该SBL的特点,设计了一种层叠轨道间隙触发开关。在实现多通道时,模拟与实验研究结果均表明该开关的上升时间小于10ns。为验证这种设计理念,制造了一台2级平行平板SBL样机,实验结果表明,该结构适合于实现脉冲功率系统的模块化设计。

层叠Blumlein纳秒脉冲形成线设计与实验

研究了一种结构紧凑型的多级层叠Blumlein纳秒脉冲形成线,从理论上分析了放电时回路各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出电压的影响,并利用PSpice模拟验证了各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出结果的影响,发现开关的导通电阻是制约输出电压幅值的主要因素,开关的分布电感对输出波形的影响大于负载分布电感的影响,基于时域有限差分法原理,利用XFDTD软件模拟了两级层叠Blumlein线的电磁耦合效应。开展了多级层叠Blumlein脉冲形成线实验,结果表明,基于陶瓷固态传输线和GaAs光导开关的层叠Blumlein脉冲形成线能够实现输出电压叠加,可用于产生ns量级脉宽的脉冲高压。

折叠型平板Blumlein线的理论与实验研究

对折叠型平板Blumlein线的特征参数进行了理论分析,采用模拟软件对传输线中的电磁场分布和波的传播过程进行了计算。根据理论分析和计算结果设计并制作了耐压600 kV、延时40 ns、特征阻抗为5Ω的折叠型平板Blumlein线,该Blumlein线以Kapton薄膜为介质、以铜板为导体,腔体尺寸为1.2 m×40cm×40 cm,初步实验在水电阻匹配负载上得到幅值为400 kV、脉宽36 ns的电压波形和幅值为40 kA的电流波形。在同样体积下进一步设计制作了耐压600 kV、延时150 ns、特征阻抗为15Ω的折叠Blumlein线,得到幅值为450 kV、脉宽150 ns的电压波形和幅值为18 kA的电流波形。

折叠型平板Blumlein线的特征阻抗

计算了折叠型平板Blumlein线平板部分的特征阻抗;对折叠部分的特征阻抗,采用基于单位长度电感和电容概念的方法进行了理论分析,并基于等效能量概念进行了数值计算,两种方法计算得到的特征阻抗值基本一致,而且与平板部分的阻抗值相差不大。使用电磁场模拟软件计算模拟了不同折叠内半径的折叠部分的电场分布,从而确定了最佳折叠半径;采用等效电路分析方法对匹配负载上得到的电压电流波形进行了模拟。设计并制作了折叠半径为10 mm,耐压500 kV,延时100 ns,特征阻抗为4.773Ω的折叠型平板Blum-lein线。在二极管匹配负载上得到幅值为500 kV,脉宽100 ns的电压波形和幅值为50 kA的实验电流波形。结果表明平板部分和折叠部分的特征阻抗的差值对实验波形几乎没有影响。

平板Blumlein线多通道轨道开关

设计制作了一个有多通道连接的类似轨道的平行电极结构的开关,给出了开关的结构,对开关内的电场分布做出分析,利用Pspice软件对安装在实验装置中的开关的电压电流进行了计算。实验测得此开关在实验系统中耐压约为500 kV,导通时通过阻值为1 kΩ的水电阻负载的电流为400 A左右。实验所得电压电流波形与模拟结果基本吻合。实验证明此开关具有体积小、更适于平板传输线的结构等优点。

单开关调制的PFN型层叠Blumlein线发生器

采用平板线加载的陶瓷电容型脉冲形成网络(PFN)构成了单开关调制的层叠Blumlein线发生器。采用传输线理论对短路寄生传输线的短路特性进行了理论分析,结果表明,短路寄生传输线的阻抗可以等效为耦合电感在主传输线的放电频率下产生的感抗。Pspice软件模拟表明,层叠线Blumlein线的电压叠加效率随耦合电感增加而增加。提出了一种磁环增感方法,在4级层叠Blumlein线上实现了3.1倍的脉冲电压叠加。

折叠型平板Blumlein线高功率微波驱动源

介绍了一种使用折叠型平板Blumlein线为主体的紧凑型高功率微波驱动源,Kapton薄膜和纯净变压器油分别作为折叠型平板Blumlein线的传输线介质和绝缘介质,Blumlein线的整体尺寸为1.00 m×0.40 m×0.15 m。采用一个特征阻抗大约是12Ω的C波段磁绝缘振荡器作为高功率微波源。折叠型平板Blumlein线传输的能量可以使磁绝缘振荡器的阴极发射出电压550 kV,电流40 kA,脉宽90 ns的电子束,从而产生峰值功率350 MW,脉宽40 ns的高功率微波。

基于光导开关及层叠Blumlein线的纳秒脉冲源

设计了一台层叠Blumlein线型脉冲功率源。该脉冲源以平板型Blumlein线为储能器件,使用4个GaAs光导开关作为脉冲形成开关,通过4级Blumlein线层叠结构以获得更高输出电压。分别使用10mm及3mm间隙光导开关进行实验,比较了PSpice电路仿真与实验结果。实验测试显示,10mm开关充电23.5kV时上升沿较大,可能的原因是偏置电场较低时开关导通时间较长。测试了不同工作电压下功率源的输出电压,结果显示:在10mm间隙开关条件下,充电23.5kV时,负载上得到了53kV的高压脉冲输出;3mm开关充电13.9kV时输出电压39.4kV,输出效率70%。实验结果表明,随着工作场强的提高,电压输出效率呈现先下降后上升最终趋于饱和的趋势。

层叠Blumlein线多开关导通时间分散性

高介电常数陶瓷储能脉冲形成线需要用到多开关触发的层叠Blumlein线结构。从形成线波过程理论出发,分析了多开关导通时间分散性对层叠Blumlein线及其输出波形的影响。主要包括两方面影响:其一是造成输出方波脉冲的前沿和后沿均出现阶梯形畸变;其二是使得各延迟导通的平行平板Blumlein线承受过电压,容易引起陶瓷储能介质的电击穿。在不单独考虑开关电感的理想情况下,利用PSpice电路程序模拟了开关导通时间分散性对四级层叠Blumlein线的影响,模拟结果与波过程理论分析一致。为减弱这些影响,提出了可行的解决方案。

层叠Blumlein线脉冲叠加特性

利用传输线等效放电模型对层叠Blumlein线的脉冲叠加特性进行了分析。结果表明:外部短路阻抗是降低层叠Blumlein线脉冲叠加效率的主要因素,其中,短路电感产生输出波形平顶的衰减,相对衰减量取决于叠加级数以及短路等效电感与传输线电感之比,短路电容产生输出波形前沿的慢化,前沿慢化的相对值取决于叠加级数以及短路等效电容与传输线等效电容之比;由于各级开关导通时间分散性的存在,输出波形的前沿及后沿皆呈阶段状,相当于产生了时间量等于开关导通分散性时间的前沿及后沿慢化现象。增加传输线外部的短路阻抗、减小多开关的导通分散性是提高层叠Blumlein线的脉冲叠加效率、改善输出波形的有效途径。

固态平板Blumlein线中的GaAs光导开关导通电阻实验

为了研制紧凑型脉冲功率系统,开展了基于固态Blumlein线的GaAs光导开关(PCSS)导通电阻的初步研究实验。结合2mm厚固态平板Blumlein线,利用高功率脉冲激光二极管触发GaAs光导开关,在脉冲偏置电压下,GaAs光导开关非线性导通,经Blumlein线输出22.3 kV高压脉冲至负载,满足紧凑型脉冲功率系统的设计要求。通过偏置电压、输出电压以及Blumlein线阻抗估算光导开关的导通电阻约4.1Ω。另外,研究了GaAs光导开关非线性导通模式下的导通电阻与偏置电压和激光能量的关系。

层叠Blumlein线产生电压波的解析解

采用Laplace变换的方法求解了无损耗情况下层叠Blumlein线输出电压的解析表达式。从传输线两端口网络模型出发,分别求出了负载端短路和开路时传输线特征阻抗的频域表达式。简化了单Blum-lein线电路结构,并求出了其输出电压的解析表达式。在此基础上,结合电路叠加原理,求解出了典型的2级层叠Blumlein线输出电压的时域解析表达式。采用递推法,推广得到任意级数情况下的输出电压波解析解。

薄膜介质层绕式Blumlein线理论与实验研究

对薄膜介质层绕式Blumlein线的特性参数进行了理论分析。采用Pspice软件对电路模型进行了计算,分析了开关电感、寄生电阻对负载输出波形的影响。结果表明:开关电感的存在使得负载波形前沿变缓,后延波形扭曲变差,寄生电阻会影响负载的电压输出效率。采用模拟软件对传输线中的电磁场分布进行了计算,结果表明薄电极边缘场畸变以及折叠弯曲部分的场变化是绝缘介质耐压必须考虑的因素。基于此理论分析,设计制作了一种新型薄膜介质Blumlein线,绝缘材料为聚酯薄膜,单层薄膜厚100μm,电极为厚50μm的铜皮,单元模块设计耐压50 kV。进行了三级模块串联叠加实验,充电25 kV,匹配负载输出60 kV,脉冲上升沿80 ns,脉冲宽度200 ns。

折叠Blumlein线的不同结构水电阻负载实验

为了让折叠型平板Blumlein线能得到理想的输出电流电压波形,设计并制作了3种不同结构的水电阻作为折叠型平板Blumlein线的匹配负载,对3种水电阻的电容和电感进行了理论计算和仪器实际测量,使用等效电路法模拟了它们作为折叠线的匹配负载对输出电流电压波形的影响,并在实验中分别得到了相应负载电阻上的电流电压波形。结果表明圆柱形水电阻的电容(2.2 nF)和电感(80 nH)较大,对电流和电压波形的平顶影响最大;扁平形水电阻具有电容较小(0.47 nF)、电感小(25 nH)和散热好等优点,适合作为重复频率同轴Blumlein线的匹配负载;U形水电阻具有电容电感小(0.05 nF,30 nH)的优点,且对波形影响较小,适合作为折叠型平板Blumlein线的匹配负载。

基于光导开关和平板线的固态脉冲功率技术

紧凑型固态化是脉冲功率技术发展的趋势,研究了基于GaAs光导开关和陶瓷平板传输线的固态脉冲功率技术。紧凑型固态脉冲功率系统的关键部件主要包括固态陶瓷平板传输线,高功率GaAs光导开关以及激光二极管触发系统。研究了单路Blumlein脉冲形成线输出特性,分析了GaAs光导开关非线性导通带来的损伤,并开展了单路Blumlein脉冲形成线实验。结果表明:研制基于固态平板传输线、光导开关以及激光二极管触发系统的紧凑型脉冲功率具有可行性,负载上获得了超过20 kV的高压脉冲输出。

便携式脉冲形成线设计与实验研究

采用聚酯薄膜为绝缘材料,设计了一种小型化便携式层绕Blumlein线,其主要特点是采用S型层绕的方法对薄膜介质平板Blumlein线进行绕制,使形成线的体积小,结构紧凑,有利于脉冲功率源小型化、实用化的发展。其集成了薄膜电容器易卷绕、耐高压、储能强的优势,同时具备了传输线的特点。采用气体火花间隙开关,对S型薄膜介质脉冲形成线的耐压特性及负载输出波形进行了实验研究。结果表明:开关的导通特性对脉冲形成线的负载输出波形有很大的影响,开关电感及开关抖动等因素会影响脉冲波形的前后沿,使输出脉冲方波波形质量变差。采用PSpice软件对实验等效电路进行了模拟,得到了与实验一致的结果。设计的Blumlein线体积为50cm×18cm×12cm,承载电压50kV,负载输出脉冲上升沿50ns,平顶宽度120ns。

基于光导开关的固态脉冲功率源及其应用

为了推动脉冲功率技术的应用,研制了紧凑、可高重复频率运行的固态脉冲功率源。通过大功率固体开关及电路拓扑结构的比较,选择了基于光导开关的层叠Blumlein线型脉冲功率源这一技术路线。基于铁电陶瓷脉冲形成线和光导开关构建了大电流固态模块,光导开关通流能力超过4 k A。已经实现的应用包括:研制了200 k V/1 k A固态脉冲功率源并与反射二极管结合实现了重复频率为100 Hz或1 k Hz、脉冲宽度约40 ns的猝发X射线脉冲输出;利用基于光导开关的Blumlein线模块产生的快脉冲进行了血液病原体灭活初步研究,可得当脉冲个数为10个时,在80 k V/cm的电场作用下红细胞悬液中细菌的抑制率为57%。