3.8 MV快前沿电磁脉冲模拟器脉冲驱动源研制

为满足强电磁脉冲试验的需求,研制了一台输出电压可达3.8 MV的全气体绝缘快前沿脉冲驱动源。该脉冲源采用二级脉冲压缩技术路线,由Marx发生器、中储电容、中储开关、陡化电容及陡化开关等组件构成。内部各组件均采用模块化、紧凑型设计思路,并整体放置在一个层层嵌套的腔体中,各层之间充有不同压力的SF_(6)气体。整机具有输出电压高、结构紧凑、重量轻及便于移动等优点。测试结果表明,在驱动75Ω倒立圆锥天线负载时,初级源最大输出电压大于3.8 MV,负载处输出电场波形的脉冲前沿小于2 ns。通过开关导通时刻的调节,在天线处生成的辐射场波形满足IEC 61000-4-25标准中关于电磁脉冲试验波形的规定,因此可将其作为电磁脉冲模拟器的脉冲驱动源,开展系统级电磁脉冲试验,用于电磁脉冲效应及加固防护技术研究等工作。

基于脉冲变压器的快前沿固态触发器

结合理论求解、仿真分析与实验验证,确定了影响脉冲变压器型触发器输出前沿的主要因素,并研制了一台能可靠触发真空沿面闪络开关导通的快前沿固态触发器。研究结果表明:影响触发器输出脉冲前沿的关键因素为脉冲变压器漏感、匝数比和半导体开关开通速度;不同绕制方式的脉冲变压器漏感差异很大,最小漏感绕法的变压器漏感值低1个数量级;选用开通速度优于15 ns的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)、绕制低漏感(小于0.5μH)的脉冲变压器,实现了前沿为20.4 ns(10%~90%)、幅值为16.5 kV的快前沿输出;控制SiC MOSFET的驱动脉宽在35~55 ns变化可以控制触发电流峰值在35~55 A范围内变化。

固态有源相控阵快前沿脉冲发射及空间合成

快前沿射频脉冲发射是固态有源相控阵可实现的优势功能。分析了X波段固态有源相控阵实现快前沿射频脉冲发射的必要条件,包括激励传输、功率放大、定时同步和孔径渡越等影响因素及设计要点。相应的分析结论应用于某型X波段固态有源相控阵的样机研制,最终实现了数千个固态有源通道的快前沿射频脉冲的高效空间合成,合成射频脉冲前沿低于5 ns,验证了分析与设计的有效性。

快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关

进行了一种可用于快前沿直线脉冲变压器驱动源系统的多间隙气体开关的设计和实验,给出了开关的静态放电实验结果,获得了静态击穿电压平均值及标准偏差随气体压强的变化规律。开关充0.15 MPa干燥空气时,最高耐压可以达到200 kV。研究了开关在不同欠压比和不同触发脉冲幅值下的触发特性。开关工作电压150 kV、欠压比78.5%、触发电压70 kV时,开关的触发延迟时间34.4 ns,抖动1.6 ns。开关经过5 000余次放电,击穿点分布均匀,可以形成多通道放电。开关结构新颖,安装操作简便,装配精度大大提高,实用性强。

低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源研制

给出了基于远程和本地两种控制方式,作为低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源系统的设计原理和方法.研制了一重复频率为0.01-Hz、脉冲输出幅度为10-0kV、前沿小于10ns、脉宽大于500ns以及抖动小于1ns的高压脉冲触发源.设计上将程控和手动触发信号分别作为重复频率和单次预触发脉冲,驱动后级触发器绝缘栅双极型晶体管,经脉冲变压器变换后控制氢闸流管VE4141放电,实现输出高压脉冲.通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了外触发脉冲情况下高压脉冲输出的实验结果.

快前沿mini-Marx发生器研制

介绍了mini-Marx发生器的工作原理,总结了快mini-Marx发生器的设计原则。设计了一台10级单极性同轴结构的mini-Marx发生器。设计上将火花开关排成一排,借用前级开关强烈的紫外光以预电离下一级火花开关从而达到可靠运行,利用开关与屏蔽外筒间的结构电容来锐化高压脉冲的输出,同时采用紧凑性、低电感设计来获得快前沿的输出。发生器储能70 J,在70Ω负载上获得了前沿6 ns、脉宽40 ns、幅度210kV的高压脉冲。实验结果表明设计合理可行,达到了脉冲功率系统的小型化设计、获得了快前沿高幅度的高压脉冲。很好地满足了脉冲功率系统对快前沿高压脉冲的需求。用它直接驱动闪光X射线二极管,在距光源25 cm处获得了剂量大于7.7×10-6C/kg的闪光X射线。

快前沿紧凑型X光机研制

介绍了一种基于Marx发生器原理设计的快前沿紧凑型X光机,采用Marx发生器直接驱动X射线管的线路设计,封装在一个直径约为15 cm、长约1.2 m的不锈钢圆筒内。Marx发生器设计为15级单极性同轴结构,利用锐化开关与屏蔽外筒间的杂散电容来减小脉冲前沿,同时采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。Marx发生器最大储能90 J,在充电电压为30 kV的情况下,75Ω负载上获得了前沿10 ns、脉宽40 ns、幅度360 kV的高压脉冲。实验结果表明X光机设计合理,实现了设备小型化目标,获得了快前沿高幅度的高压脉冲。研制的X光机的主要的参数为:脉宽35 ns;0.3 m处剂量约2.58×10^(-5)C/kg;焦斑2 mm。

快前沿直线脉冲变压器多间隙气体开关直流自击穿特性

针对一种用于快前沿直线脉冲变压器（FLTD）的堆栈式多间隙气体开关,研究了电极表面粗糙度、电场不均匀系数、放电电流、气体压强等因素对开关自击穿电压分散性的影响。电极表面粗糙度0.1-0.8μm时,击穿电压平均值没有明显变化,击穿电压分散性小于1.5%;电场不均匀系数为1.20和1.30时,电极烧蚀均匀,开关自击穿电压分散性小于2.0%;放电电流由1.1 kA增加到30.0 kA时,击穿电压的分散性增加了约2倍,电极烧蚀的作用明显增强;工作气压由0.04 MPa增加到0.30 MPa,击穿电压的分散性由1.5%增加到3.6%。初步分析了降低开关自击穿电压分散性的途径和方法。

一种用于测量快前沿高压脉冲的电阻分压器

分析了电阻分压器中电感和对地电容对分压器响应特性的影响,在此基础上研制了一种用于测量快前沿高压脉冲的同轴型电阻分压器,介绍了分压器的制作过程,对其进行了方波响应标定,并应用于实验测量中。实验结果表明,该电阻分压器能满足测量要求,可用于幅值10kV左右、ns前沿的短脉冲测量。

多组多路输出100kV快前沿电脉冲触发系统

在多路并联运行的电容储能型脉冲功率源中,为实现初级储能气体开关和脉冲形成主开关的同步,需要多组延时可调、每组多路输出的快前沿高电压脉冲来分别触发,为此研制了一套快响应低抖动100 kV快前沿电脉冲触发系统。该系统由同步机DG535和多组电脉冲放大单元组成,各组放大单元输出脉冲的延迟时间可调,延时步长由DG535设定,每组最短延时时间约为305 ns,抖动2 ns,可同时输出多路触发脉冲,在高阻负载上幅值可达180 kV,当输出信号为4路时,上升时间10 ns,当输出信号为8路时,上升时间15 ns。

低抖动快前沿高电压重复率触发器

介绍了一种低抖动、快前沿高电压重复率触发器,输出参数为:重复率可达100pulse/s,输出时延约225ns,抖动约1ns,前沿约26ns,脉宽约70ns,高阻负载上电脉冲的峰值可达-40kV,重复率为50pulse/s时,峰值可达-51kV,单次工作时的峰值可达-60kV。该触发器主要由控制单元、高压供电单元与脉冲形成单元构成,脉冲形成单元采用了低电感电容对负载快放电的结构,建立开关为氢闸流管。实验发现,氢闸流管存在微导通状态,开关的通道电阻及维持的时间与开关极间的电势差有关;电势差越高,通道电阻越小,微导通状态维持的时间越长。此外,氢闸流管的导通性能受灯丝加热电源的影响明显,当加热电压较低时,氢闸流管导通缓慢,延时与抖动较大,当加热电压过高时,氢闸流管易于发生自击穿。

150kV快前沿低抖动Marx发生器研制

研制了一种主要用于脉冲功率系统前级触发用的Marx发生器,介绍了其工作原理和主要参数。该Marx发生器采用单边充电技术路线和同轴紧凑型结构,高压脉冲采用柔性高压同轴电缆输出,在75Ω匹配负载上获得了超过170kV的高压脉冲输出,脉冲宽度超过200ns,在140~160kV工作区间内其前沿小于3ns,抖动不超过1.5ns。该Marx发生器工作范围宽,稳定可靠,很好地满足了高功率脉冲触发系统的要求。

快前沿直线脉冲变压器驱动源模块中开关同步对放电电流的影响

介绍了4支路并联快前沿直线脉冲变压器驱动源（FLTD）模块的初步实验结果,在工作电压160 kV时,次级短路放电电流幅值达到103.4 kA,电流前沿为78 ns（10%～90%）。利用微分环测量了4只开关在工作电压120 kV时的同步情况,研究分析了开关同步对放电电流幅值和波形的影响。开关同步小于15ns时,放电电流幅值变化不明显,电流幅值的标准偏差约3.62 kA,电流波形没有明显畸变;开关同步15～25ns时,放电电流幅值略有下降,电流幅值的标准偏差约8.59 kA,电流波形有一定程度畸变;开关同步大于25ns时,放电电流幅值明显降低,电流的标准偏差显著增大,电流波形发生严重畸变。

快前沿直线脉冲变压器单级模块开关触发时延分散性实验研究

针对12支路并联的快前沿直线脉冲变压器单级模块,给出了模块的电路结构和关键器件参数,实验获得了12只多间隙气体开关的自击穿特性和触发特性。同时,还给出了快前沿直线脉冲变压器模块输出电流的初步实验结果,工作电压150kV时,次级短路放电电流幅值为235kA,电流前沿88.2ns(10%～90%)。次级带0.58Ω负载情况下,输出电流幅值114.5kA,电流前沿88.9ns(10%～90%)。利用微分环测量了12只开关的触发时延分散性,结果表明100次实验开关触发时延分散性近似符合正态分布,开关触发时延分散性对输出电流的影响不大,电流幅值和前沿的标准偏差分别小于2.0%,4.0%,电流波形的畸变主要以平顶为主。

快前沿直线脉冲变压器平台单丝电爆炸实验研究

基于前沿约100ns、电流约100kA的快前沿直线脉冲变压器(FLTD)平台,开展了单丝电爆炸相关实验研究。围绕FLTD平台搭建了激光探针和可见光分幅相机等离子体图像诊断系统,采用可见光PIN和XRD分别测量了单丝电爆炸的辐射特性。实验获得了不同时刻对应的W丝(15μm)和镀膜W丝(15μm W+2μm聚胺亚胺)电爆炸的物理图像,呈现了两种情况下金属丝融蚀过程以及等离子体不稳定性发展的过程。实验结果表明,镀膜能够增加电流初始阶段的能量馈入,进而改善金属丝的电爆炸特性。

100kV重复频率快前沿触发器

研制了一台输出电压100kV的重复频率快前沿触发器,该触发器基于内嵌Tesla变压器的单筒脉冲形成线和气体开关技术,具有抖动低、结构紧凑、运行可靠等特点。理论分析了影响Tesla型触发器输出脉冲时间抖动的因素,提出了降低抖动的措施,进行了Tesla变压器的理论设计和数值模拟,并开展了实验研究。获得的触发器输出参数为:输出电压100kV(40Ω匹配阻抗),半高宽4ns,前沿0.5ns,重复频率50Hz,抖动小于10ns。

600kV波形可调快前沿脉冲源的研制

介绍了一种波形可调的高电压快前沿脉冲源。该脉冲源由Marx发生器、脉冲成型组件、主开关、匹配负载、分流电阻、串联电感等部件构成。各部件白成一体，呈模块化分布。以Marx发生器作为初级储能，通过调节发生器输出端分流电阻、串联电感及脉冲成型组件等模块，可以输出包括双指数波和方波在内的5种脉冲波形。输出脉冲幅值在200600kV范围内可调，最小脉冲前沿可达2ns。

一种用于测量快前沿高压脉冲的电容分压器

设计一种基于大电容量低压臂的电容分压器,用于测量快前沿脉冲。首先介绍了电容分压的原理,然后阐述了基于低压臂和高压臂的设计结构,随后采用高频电磁场计算方法对分压器高压臂、低压臂和整机模型进行了参数设计,时域仿真结果表明能够满足18 MHz测量带宽的设计要求,较好地控制低压臂寄生电感,实现高分压比和较宽频带的电容分压。最后通过分压器仿真与样机实验测量,结果表明能稳定提高测量频带,且结构简单,满足对峰值较高(100 kV以上)上升时间短(20 ns)的脉冲测量,且满足装置小型化发展方向,能够应用于高压脉冲以及其他暂态电压的测量。

快前沿紧凑型X光机研制

基于Marx发生器原理设计了快前沿紧凑型X光机。采用Marx发生器直接驱动X射线管，并将其封装在直径约为15cm、长约为1．2m的不锈钢圆筒内。Marx发生器设计为15级单极性同轴结构，利用锐化开关与屏蔽外筒间的杂散电容可减小脉冲前沿，采用紧凑低电感可获得窄脉冲的输出。Marx发生器最大储能为90J，在充电电压为30kV条件下，75Q负载上获得了前沿为10ns、脉宽为40ns、幅度为360kV的高压脉冲。实验结果表明，x光机设计合理，实现了设备小型化目标，获得了快前沿高幅度的高压脉冲。研制的X光机主要参数：脉宽为35ns；0．3m处剂量约为26gC／kg；焦斑为2mm。

一种双回路驱动的纳秒快前沿高重复频率脉冲源

为满足电子设备在高重频、快前沿脉冲下的电磁损伤机理与工作防护技术研究的需要,本文利用漂移阶跃恢复二极管(DSRD)开断速度快、重复频率高等优点,基于正反向电流泵浦原理设计了一种新型双回路驱动的纳秒快前沿重复频率脉冲发生电路。首先计算了双回路驱动脉冲发生电路的主要元件参数,建立了DSRD的PSpice等效模型,通过仿真分析了脉冲电路输入电压、触发时间、负载电阻、DSRD寄生电容等对输出脉冲前沿、脉宽(半峰宽)、幅值的影响规律,并通过电路参数优化得到了预期的脉冲输出指标,所设计的双回路驱动脉冲发生电路有效提升了储能电感充放电效率,提高了脉冲源工作频率。根据所设计的电路参数,最终研制出一台输出前沿1.87 ns、脉宽8.3 ns、幅值1 kV、工作频率3 MHz的纳秒快前沿高重复频率脉冲电源,为研究脉冲功率环境下的电磁效应和防护提供了实验手段和技术支持。