Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6kΩ的负载电阻上输出幅值100kV、上升沿约为30ns、最高频率可达500Hz的高压纳秒脉冲。

紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源

讨论了一种低阻抗、高储能密度、可输出中等高压的百ns脉冲形成技术,其输出波形质量较好;采用磁感应电压叠加技术将该脉冲形成装置输出的中等高压脉冲叠加到应用需求的高电压高功率脉冲。研究表明单个感应模块可在2.8Ω的负载上获得脉冲宽度为220ns,前沿为50ns的中等高压脉冲。

Tesla型脉冲功率源随机振动响应分析

为评估Tesla型脉冲功率源在振动环境中的可靠性,基于有限元仿真软件,采用随机振动分析方法研究了该脉冲功率源的随机振动特性。计算中考虑了预应力对结构模态的影响,并对静力结果与随机振动结果矢量叠加得到的总应力进行了分析。根据仿真结果,分析了磁芯和各绝缘支撑结构等薄弱部件的振动强度,发现尾端绝缘子的最大动应力值大于其疲劳极限;同时对尾端绝缘子的疲劳寿命进行了计算。总结了Tesla型脉冲功率源中形成线外筒、中筒、内筒和主开关外筒的强度设计原则,可为同类型脉冲功率源的强度设计提供参考。

百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100kV,峰值功率250MW,重复频率1～100Hz,输出脉冲宽度约4ns,前沿约1ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500ns降低至150ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。

4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究

利用峰值功率可达1GW的纳秒脉冲源CKP1000开展了4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究。使用trigatron作为触发开关,通过单路开关触发特性实验研究优化了开关的结构与工作参数,单路开关抖动0.2ns,建立了实验装置,实现了4路GW级纳秒脉冲源并联同步输出。同步实验结果为:纳秒脉冲源输出电压230kV,峰值功率1GW,脉冲宽度6ns,4路输出脉冲同步偏差95%以上概率分布在1ns以内,平均同步偏差630ps。

高电压纳秒气体开关绝缘恢复特性的实验研究

气体开关绝缘恢复曲线中存在的＂平台现象＂,大大延长了开关的绝缘恢复时间,但其存在原因尚未取得共识。为此,结合GW级Tesla型ns脉冲源,在开关工作电压约220 k V情况下,研究了不同气压（0.1~7 MPa）的N2、H2、SF6 3种气体开关的恢复特性及稳定性。结果表明：对于N2、H2开关,随着气压的升高,开关恢复曲线中的＂平台现象＂逐渐减弱,当气压超过一定阈值后,开关＂平台现象＂消失;对于SF6开关,则不存在＂平台现象＂。可见对于N2、H2、SF6 3种气体＂平台现象＂产生的原因是不同的,同时Tesla型脉冲源对开关的＂平台现象＂也具有一定的影响。N2、H2、SF6气体绝缘恢复系数达到95%的最短时间分别为7.1 ms、0.68 ms、5.4 ms。

同轴型火花开关研制及其触发特性试验研究

高精度纳秒级同轴型火花开关在脉冲功率领域有着较为广泛的应用。针对低抖动、长寿命的工程需求,提出一种同轴型场畸变火花开关结构,采用横向自耦式设计,使用紫外光透过率高的ZS.1石英玻璃挡板,模拟紫外光预电离情况;结合脉冲变压器与半导体元器件功能特点,设计一种基于Tesla变压器与陡化回路的可控高压纳秒脉冲源,该脉冲源最高输出电压80kV,上升沿50ns。在上述基础上,搭建该同轴型火花开关实验电路,对其紫外光预电离作用下的开关触发特性进行实验研究。研究此预电离开关的静态击穿电压特性,对比不同工作系数下和有/无紫外光预电离下的开关触发特性及其烧蚀均匀度,分析脉冲源输出和触发电压对开关导通特性的影响。试验结果表明:此同轴型火花开关在0.1MPa气压、工作系数76.1%及以上且有紫外光预电离的情况下,开关触发稳定,抖动小于2ns;增大脉冲源输出电压可以提升紫外预电离效果,优化开关触发特性。研究结果为紫外光预电离开关在实际工程中的应用提供了参考和依据。

气体火花开关电阻特性

利用二极管输出电压约1MV、脉宽约40ns的重复频率Tesla型脉冲功率驱动源,对大间隙、高气压的重复频率氮气火花开关进行了实验研究。通过将开关等效为RLC电路,利用测量得到的形成线电压与锥形段电压来计算氮气火花开关电阻。电阻的变化情况是放电开始时刻比较大,随着放电通道的形成,电阻迅速变小,最终达到Ω级的阻值。通过计算值与理论公式推算值比较,检验Barannik,Rompe-Weizel,Demenik,Toeple,Vlastos公式适用性,并尝试对Rompe-Weizel公式常数项进行了修正。