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。

水介质Blumlein型螺旋脉冲形成线的研究

分析了螺旋线脉冲形成线脉宽加宽的原理,利用程序对Blumlein型螺旋脉冲形成线进行了模拟研究,模拟结果与理论分析得到的脉宽表达式吻合较好,并可以给出螺旋线中筒的电场和磁场分布。加工了一套Blumlein型螺旋脉冲形成线,并开展实验研究,解决了绝缘支撑耐压问题,得到充电电压550 kV,二极管电压500 kV,电流28 kA,半高宽128 ns的脉冲输出。

卷绕式螺旋形薄膜介质脉冲形成线设计

采用模块化结构,设计了一种卷绕式螺旋形薄膜介质脉冲形成线,并且对绝缘材料、电极材料的选择依据进行了分析。基于模块化卷绕式脉冲形成线,研制的重复频率脉冲方波产生器采用4个开关同步触发四级形成线模块,从而实现多模块的电压串联叠加,以达到产生高压的目的。开关采用气体火花间隙开关,每级开关及充放电采用电感隔离。研制的脉冲产生器输出电压220kV,脉冲宽度182ns,前沿50ns,可10Hz重复频率稳定运行。

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。

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。

一种Tesla型的螺旋脉冲形成线设计

设计了一种基于Tesla型的结构紧凑的高电压周期性纳秒脉冲发生器方案,其中一段通过内置高耦合Tesla变压器充电的螺旋脉冲形成线的结构参数为:外筒半径20cm、螺旋线导体半径18cm、螺旋角60°。采用PIC软件模拟分析考虑螺旋线导体厚度时横电磁波的传输过程,并讨论了Tesla内磁芯的引入及内磁芯的大小对波传输的影响,引入半径7.5cm的内磁芯后,慢波系数变化不大(约2.6),输出脉冲平顶波动10%。模拟结果表明,从波传输的角度而言,这种结构的脉冲发生器方案是可实现的。

螺旋线型三导体脉冲形成线快波抵消方法

针对螺旋线型三导体脉冲形成线的快波振荡问题,提出一种阻抗分两段阶梯变化的螺旋线结构,分析了此类螺旋线快波反射与慢波反射相互抵消快波的条件,给出两段变阻抗螺旋线慢波系数之间的关系式以及匝数密度之比计算方法,通过仿真计算证明该方法能有效消除快波反射对螺旋线输出脉冲的影响。

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。

螺旋线型μs量级高压长脉冲形成线设计

详细介绍了一种螺旋线型μs量级高压长脉冲形成线的设计方案,率先将螺旋线的结构形式应用于μs量级高压长脉冲发生器设计。形成线的内导体为螺旋线,工作介质为去离子水,形成线的等效电容为41.25 nF,等效电感为6.06μH,特性阻抗为12.1Ω,输出脉冲宽度1μs,最高充电电压1 MV,最大储能20.6kJ,匹配状态下输出电压约500 kV。设计结果表明:与采用传统的单筒直线结构相比,在获取同等脉冲宽度的条件下,采用螺旋线结构可使脉冲形成线的长度缩短75%左右。

一种升压模式的可调极性高频Blumlein脉冲形成线功率调制模块

随着脉冲功率技术在新型粒子加速器、生物细胞实验仪器等领域拓展应用,对脉冲功率发生器高重复频率、短脉冲、脉冲参数灵活可调提出更高的要求。该文研究了一种新型的功率变换模块电路拓扑。这种电路拓扑由LC振荡升压单元和Blumlein形成线单元组成,利用多开关时序逻辑控制实现对输出波形参数的调整,相对于传统Blumlein线在保留其短脉冲成形优点的同时,能获得输出脉冲频率数倍于开关频率,输出电压幅值数倍于直流充电电压,输出脉冲的极性及间隔时间的灵活调整。同时,通过动态电路的时域分析和传输线波过程分析阐述该电路的工作原理,并通过电路仿真加以验证。此外,采用射频MOSFET开关和同轴电缆搭建一台原理样机,在负载匹配时,实现了在开关频率500kHz时输出脉冲频率1MHz、输出脉冲电压幅值4倍于直流电源电压20ns的短脉冲。

螺旋型Blumlein线的理论研究

采用薄电流层模型讨论了螺旋型Blumlein线的一种结构,该结构由螺线体内筒、螺线体中筒和导体外筒构成。给出了假定外线独立传输电压波时的螺旋型Blumlein线特征参数的近似计算公式,并进行了简单的原理验证实验。理论计算得到的脉冲电压幅值为543 V、脉宽为24 ns,而实验中分流器测到的电压值为471 V、脉宽为30 ns。为了简化计算,理论计算中对外线独立传输的假设条件不严密,由此造成了与实验结果的差异。提出了Tesla变压器和螺旋型Blumlein线相结合的方案:内置高耦合Tesla变压器的单同轴线构成整个外线的一部分。设计结果表明:外径628 mm、总长2.67 m、充电800 kV的螺旋型Blumlein线可实现电压1.07 MV、功率1.53 GW、脉宽93 ns的脉冲输出,理论输出线能量转换效率50%。

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体(含磁体)、螺旋型中筒和外导体(含磁体)构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。

介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为:陶瓷介质长度300mm,宽度15mm,厚度1mm;银电极长度280mm,宽度2mm。电性能参数为:相对介电常数约23.5,特征阻抗约26Ω,电长度约4.5ns,直流耐压场强大于20kV/mm,在μs量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23kV。

细线径螺旋线长脉冲产生技术

提出了双路输出的螺旋脉冲形成线(PFL)结构,该结构内置用于充电的高耦合变压器,在螺旋PFL的两端各自输出一个脉冲,副路匹配输出时主路输出脉冲波形具有良好的平顶品质,主路输出脉冲能量占储能的大部分,解决了Korovin提出的螺旋PFL充电问题。对比分析双路输出的螺旋PFL与SINUS-700/130两种技术路线,结果发现双路输出的螺旋PFL改善了输出脉冲的平顶质量,输出功率提高29%,但是副路输出占用11%的储能,不易充分利用。

螺旋型水介质Blumlein线的初步研究

介绍了水介质螺旋Blumlein型脉冲形成线 (长约0 5m)的设计和实验结果。实验表明 :它可得到前沿约 12 0ns、脉宽约 2 70ns的方波脉冲 (而同样长水介质同轴Blum lein线只能得到 31ns的方波脉冲 ) 。

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。

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。