10 GW甘油介质双螺旋Blumlein脉冲形成线

为实现脉冲驱动源的高储能密度和紧凑化,研制了一种以甘油为储能介质,具有中筒螺旋和内筒螺旋的高功率双螺旋Blumlein脉冲形成线(BPFL)。首先,综合绝缘稳定性和储能密度考虑,分别计算BPFL的外线和内线尺寸。利用增加中筒和内筒螺旋的方式增加输出脉宽和形成线阻抗,实现BPFL的紧凑化设计。其次,利用场路协同仿真软件计算形成线内的瞬态场位形变化,结合瞬态场分布分析电压波在形成线内的传输过程,给出外线和内线传输时延的仿真结果。在此基础上,对中筒螺旋匝数、内筒螺旋匝数,以及开关电感等影响输出波形质量的情况进行详细分析。最后,根据仿真优化结果搭建基于双螺旋BPFL的10 GW实验平台。利用脉冲变压器对BPFL充电600 kV,在10 Hz重频条件下运行10 s,于50Ω负载上产生峰值电压712 kV、半高宽136 ns的准方波脉冲,单脉冲能量与BPFL体积比达到10.8 kJ/m^(3),脉冲平顶峰峰值抖动为3.8%,与仿真结果吻合度较高。

螺旋脉冲形成线实验研究

设计了一种用于长脉冲功率源研究的Blumlein型螺旋脉冲形成线。该形成线主要是将铜带绕在绝缘衬筒上形成螺旋形结构,以蓖麻油为介质,匝数为3.5匝每m,充电时间为1μs,负载为电子束二极管。给出了形成线参数的理论计算公式以及实验研究结果。在300 kV脉冲功率源上得到的脉冲延迟为200 ns,特征阻抗约100Ω,形成的脉冲半高宽为180 ns,前沿15 ns,平顶宽度150 ns。实验证明该螺旋脉冲形成线结构能够有效地延长形成脉冲的宽度。最后分析了开关电感、充电时间以及螺旋形结构对形成线输出脉冲前沿及平顶畸变的影响。结果表明:较小的主开关电感是形成较陡的脉冲前沿的关键,获得好的脉冲波形应选择适当的充电周期,螺旋形结构容易导致色散产生,需要选取适当的螺旋角。

螺旋Blumlein脉冲形成线的放电分析

利用拉普拉斯方法严格求解双电报方程,得到了内外线传输时间不相同的螺旋Blumlein脉冲形成线在纯电阻负载上输出电压波形的解析表达式,分析并讨论了螺旋Blumlein脉冲形成线内线传输时间等于外线、小于外线和大于外线等3种情况下输出电压的特点,同时与波过程分析方法进行了比较,结果完全一致。研究结果表明,对于内外线非等传输时间的螺旋Blumlein脉冲形成线,与传统Blumlein脉冲形成线相比,具有其显著的特点。

螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计与改进

设计了长2.2 m、直径0.40 m、工作电压400 kV、脉宽200 ns的螺旋线型水介质脉冲形成线加速器,并进行了实验研究。为消除输出脉冲的前沿上冲和后沿拖尾现象,分析了脉冲形成线中的连接段与螺旋线阻抗的不匹配对输出波形的影响。用高分子材料加工了内径为10 cm,外径为18 cm的高阻抗环套在螺旋线与主开关之间的连接段上,使这一段的阻抗与螺旋线阻抗接近,并使其电长度减小,消除了前沿上冲,减弱了后沿拖尾,得到了上升沿约18 ns、下降沿约40 ns的近似方波高电压脉冲输出。

长脉冲折叠型螺旋脉冲形成线的设计和初步实验

高功率脉冲功率调制器的紧凑化是其重要研究方向,为此将螺旋线与折叠线技术相结合,设计了一种长脉冲折叠型同轴螺旋脉冲调制器,该调制器将两根螺旋型脉冲形成线通过过渡段部分连接,形成折叠结构,在一定的长度范围内实现了长脉冲的输出,设计指标为:二极管电压400 kV,负载电流26 kA,脉冲宽度约为260 ns。对传输线的电压波过程进行了分析,结果表明,过渡段阻抗与传输线阻抗匹配时输出波形最好;用PSpice软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟;利用高压同轴电缆,进行了低压情况下的验证实验,实验结果与理论分析、模拟研究结果一致。此种类型的调制器具有运行稳定、体积小、结构紧凑的特点。

螺旋线型脉冲形成线匝间击穿与输出波形的研究

针对螺旋线型脉冲形成线放电过程的匝间击穿问题,采用数值模拟的方法研究了影响螺旋线上轴向电场的因素,模拟结果表明:螺旋线的螺旋角越大、开关的上升沿越小、负载的阻值越小则越容易造成匝间击穿;针对输出波形的前沿上冲和下凹问题,通过数值模拟和实验方法研究了加速器内阻抗不匹配段对输出波形的影响,结果表明:改变螺旋线与开关之间连接段的阻抗以及开关和二极管之间过渡段的阻抗,使之接近于螺旋线阻抗,并使电长度减小,可以消除波形的前沿上冲和下凹,得到近似方波的高电压脉冲输出。

螺旋脉冲形成线实验

在脉冲功率技术中，长脉冲的电压脉冲形成是研究的一个难点。形成数百纳秒甚至上微秒采用一般的同轴传输线是不现实的，而采用集中参数人工线在负载为低阻抗时由于电容器的寄生电感等的影响而使波形成形较差。螺旋传输线可以延缓脉冲的传播速度，形成较长的脉冲，是比较有前途的发展方向，本次实验以300kV功率源作为螺旋线的脉冲充电电源，试验螺旋传输线形成高压脉冲的可行性及具体的技术问题。

脉冲形成线中筒与外筒间电感对二极管电压的影响

从理论上分析了脉冲形成线中筒与外筒之间的连接电感对二极管输出电压的影响,使用Pspice软件对理论计算结果进行模拟验证,并利用水介质螺旋脉冲形成线型电子束加速器进行了实验研究。理论分析、软件模拟和实验结果均表明:中筒与外筒之间过大的电感可使输出电压脉冲的平顶变短,上升沿时间延长,波形峰值降低。当连接电感小于200 nH时,可在加速器场发射真空二极管上输出接近方波的电压脉冲。

一种水介质脉冲形成线充电用Tesla变压器

为了给水介质脉冲形成线快速、高效地充电,研制了一种耦合系数为0.75的Tesla脉冲变压器。推导了开放磁芯结构Tesla变压器的初级和次级电感计算公式;根据研制的变压器几何尺寸,对该变压器的主要参数进行了理论计算并用PSpice软件对变压器给脉冲形成线充电过程进行了模拟计算。该脉冲变压器已应用于基于水介质螺旋脉冲形成线的脉冲调制器中,当变压器的初级输入50kV的脉冲电压时,次级输出脉冲电压给水介质螺旋脉冲形成线充电电压高达720kV,变压器能量效率为36%。理论和模拟结果与实验测量值基本一致,该脉冲变压器具有运行稳定、体积小、结构紧凑等特点。

脉冲变压器紧凑型脉冲功率源设计

该紧凑型脉冲功率源以脉冲电容器为初始储能装置,通过脉冲变压器实现电压峰值的提升,并对形成线充电,由形成线来实现脉冲整形,形成线充电后通过自击穿开关对负载放电,在负载上获得较快前沿的高电压脉冲波形。脉冲变压器采用带开路磁芯的带绕式结构,其耦合系数大,能量传递效率高;形成线采用螺旋型Blumlein形成线,中筒为带绕式螺旋筒,内外筒为同轴圆柱筒,以水介质为形成线的储能介质。对脉冲变压器的参数进行了设计,并根据静电场仿真对脉冲变压器的高电压绝缘结构进行了优化;对螺旋型Blumlein形成线的结构进行了计算和设计。该功率源设计结构紧凑,总长度小于2.5 m,直径小于0.6 m,设计指标为在10Ω阻抗负载上获得上升前沿小于30 ns、半高宽大于95 ns、电压峰值大于650 kV的脉冲输出,初步调试结果部分验证了该脉冲功率源设计结果。

一种结构紧凑重频高压ns脉冲电源的设计

为了满足介质阻挡放电、臭氧制取和材料表面处理等工业应用需求,设计了一种结构紧凑重频高压ns脉冲电源,该脉冲电源主要由初级能源、磁芯脉冲变压器,螺旋脉冲形成线和气体开关组成。通过电路和电磁场理论分析、TPpice电路仿真及KARAT程序模拟计算,该电源在阻抗约25Ω时能够输出100 kV,脉冲宽度>150 ns,重复频率能够达到1 kHz的高电压脉冲。该电源结构紧凑,造价低,并且输出脉冲的上升前沿<20 ns,具有重要的应用前景。

Alternative flat coil design for electromagnetic forming using FEM

Electromagnetic forming （EMF） is a high velocity forming process that uses impulse magnetic force. Coil is an important component of EMF system which needs to be designed depending on application. Flat spiral coils are generally used for electromagnetic forming of sheet metals. However, with this type of coil the central portion of the workpiece experiences marginal magnetic force. This leads to in-sufficient deformation at this portion and other problems like air entrapment. In this study, a conceptual design of flat coil was proposed for better distribution of magnetic forces over the workpiece. Comparative analysis of distribution of magnetic force, magnetic field and current density using the proposed and the existing coil designs were carried out using FEM. The result indicates that the proposed coil design produces comparatively better magnetic force distribution over the workpiece. Calculation of self-inductance of such coils was also carried out and was compared with FE simulation.