HEPS增强器凸轨磁铁脉冲电源的设计与实现

高能同步辐射光源(HEPS)是国内首台第四代同步辐射光源,包括一个储存环、一个增强器以及一个直线加速器。作为典型的低发射度储存环(LER),其动力学孔径远小于物理孔径,对此选择了一种新颖的在轴置换注入方案。其中,增强器负责实现束流从500 MeV到6 GeV的升能。为了降低增强器引出冲击磁铁的冲击强度,在引出环节之前使用4台凸轨磁铁来辅助冲击磁铁完成这一动作。凸轨磁铁磁场波形要求底宽小于1 ms的半正弦波。根据仿真以及测试结果,采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联快恢复二极管的经典LC谐振电路拓扑。此外,设计了能量回收支路,来降低电容在充电过程中功率损耗以及对输出脉冲电流波形的影响。目前,已完成脉冲电源样机的研制与测试,各项结果表明,该脉冲电源能够满足高能光源增强器高能引出系统的各项要求。

摆动阀泥浆脉冲器扭杆测试装置设计

摆动阀泥浆脉冲器摆动频率高,载波频率高,调整方式丰富,传输速率快的特点。为了降低电机功率,摆动阀泥浆脉冲器使用扭杆作为弹簧平衡水力转矩,扭杆的疲劳寿命成为脉冲器的关键。为了检测扭杆能否满足长时间井下作业,设计了一套扭杆测试装置。该装置由摆动导杆机构、径向力消除装置、轴向力施加装置、实现扭杆尾端夹紧与止转的尾端夹紧装置、底座固定装置以及电控系统构成,可以同时实现扭杆在拉伸作用下的轴向拉力测试与反复扭转作用下的疲劳性能测试。该测试装置可以实现不同给定频率,两种摆动角度的摆动,提供轴向力满足1000磅的设计要求,该装置的研发成功对于评估扭杆的拉扭性能与疲劳性能具有重要意义。

675型泥浆脉冲器短节应力分析及结构设计优化

为给钻柱上功能短节的结构设计及优化提供指导,以承受压弯扭组合载荷的极限工况为例,对675型仪器串的泥浆脉冲器短节模型进行简化处理,建立了有限元分析模型。针对675型仪器串上泥浆脉冲器短节的结构特点,对泥浆脉冲器短节的不同区域采取不同的网格划分方法。在模型两侧添加工装以进行复合加载,对于压弯扭组合载荷中的弯曲载荷,通过计算极限狗腿度下产生的最大挠度进行等效加载。分析结果表明,在压弯扭组合载荷共同作用的极限工况下,应力集中现象主要出现在钻铤及电子骨架上,开孔及开槽处为薄弱位置,基于分析结果提出了675型仪器串泥浆脉冲器短节的结构改进建议。本文提出的分析方法和设计经验可为此类功能短节设计及优化提供参考。

非线性传输线在DSRD脉冲电源中的应用

加速器技术的发展,对注入引出系统的kicker脉冲电源提出了新的技术要求。注入引出系统冲击磁铁不仅要求脉冲电压高,底宽达到ns量级,还对波形的稳定性和前后残余电压有很高要求。漂移阶跃恢复二极管(DSRD)因其速度快、工作电流大等优点,在ns级脉冲电源中应用前景广泛,但其工作过程中会存在预脉冲等使脉冲波形偏离理想形态的因素。基于一种已有的DSRD脉冲电源,使用非线性传输线对脉冲进行整形,同时对脉冲的前后边沿进行锐化,缩短脉冲边沿的时间,大幅减小脉冲前后的残余电压,提高电源的性能。完成了一台电源样机的设计和实验,实验结果表明,该样机在50Ω负载上产生的脉冲幅值约10 kV,前后边沿时间(10%~90%)约2 ns,底宽(3%~3%)小于8 ns。

摆动阀式泥浆脉冲器电机输出特性及影响因素分析

摆动阀泥浆脉冲器本身可以产生较高频率的载波,成为高速泥浆脉冲传输的较好选择。由于工作时负载力矩复杂,影响因素众多,为电机输出特性研究带来较大困难。利用在井下工作时的动力学平衡方程,通过水循环实验方式测量得到摆动阀电机在最大转矩比电流控制方式下的位置角度和输出电流数据,进而计算井下工作时电机输出转矩和输出功率,并对其影响因素进行综合分析。结果表明,受惯性转矩、弹性转矩和动态水力转矩的影响,电机输出转矩在不同工作频段表现为不同特征;低频段时,电机输出转矩的变化幅度随载波频率的增大而减小,输出功率随载波频率的增大而缓慢增大;中低频段时,电机输出转矩和输出功率在该频段幅度变化较小,相对比较稳定;高频段时,电机输出转矩和输出功率均随频率的增大而快速增大。可以通过增大扭杆刚度系数和降低摆动阀转子轴系转动惯量的方式降低电机在高频段的输出,以保证电机在额定转矩和额定功率下可以控制摆动阀在井下实现高频快速的摆动,产生稳定高载波频率下的泥浆脉冲压力波形,实现高频载波的目的,为随钻测井数据的高速传输提供了保障。

连续波钻井液脉冲器边界反射机理数值仿真

目前,国内对高速率连续波技术地面水循环管线试验结果分析中,缺乏对下游管线边界反射干扰的理论分析。为此,建立了脉冲器与试验管线的数值仿真模型,以研究不同长度管线及工作频率下的压力波发生、反射过程。研究结果表明:转子旋转时,上、下游同时产生相位相反、幅值相等的膨胀波与压缩波;压力波在大气出口发生“软边界”反射,幅值相等、相位相反,而且反射波在转子处发生二次反射与透射,幅值减小、相位不变;发生波与反射波的时延为整数倍周期时,二者幅值翻倍,波形改善;时延为非整数倍周期时,二者幅值减小,波形甚至会严重畸变;地面试验下游管线设计推荐采用0 m出口管线。研究结果可为地面水循环试验压力波信号的频率选择以及管线设计提供理论指导。

摆动阀脉冲器转动惯量和粘滞摩擦系数测量方法

转动惯量和粘滞摩擦系数可以用于分析和求解电动机的机械运动方程,对于摆动阀转子运动轨迹控制的优化及摆动阀脉冲器本身机械结构参数的优化具有十分重要的意义。基于电机运动平衡方程,提出了一种通过电动机在有限角度空间内做周期性摆动来测量转子转动惯量和粘滞摩擦系数的方法,克服了传统的电动机需要在连续旋转状态下才能测量转动惯量的局限。

大能量长脉冲TECO2激光器

研制了一台基于pulser/sustainer放电技术,增益体积为2.48 L的大能量长脉冲紫外预电离TE CO2激光器。利用14 nF的pulser电容控制200 nF的sustainer电容,通过优化激光器激励电路网络参数以及张氏电极进行修正,实现了稳定的辉光放电,获得了最高达135 J的能量注入。在激光工作气体CO2,N2,He混合体积比为1∶2.5∶13,气压为40 kPa的条件下,最大激光输出脉冲能量达18.51 J,激光脉冲宽度约为30μs,电光转换效率高达14.3%。

长脉冲TECO2激光器的调谐特性

采用光栅谐振腔,对基于Pulser/Sustainer技术的紫外预电离长脉冲TE CO2激光器的调谐特性进行了实验研究。在增益体积为1.17 L,激光混合气体比CO2:N2:He=1:5:19的条件下,比较了刻槽密度分别为80、120、150 line/mm的光栅在不同工作气压和激励电路条件下的激光器调谐特性,其中,120 line/mm的光栅谐振腔可以输出75条激光谱线,4条主要谱线(9R(20)、9P(20)、10R(20)、10P(20))输出能量与采用全反铜镜的非调谐谐振腔激光器输出能量相当。深入实验研究了120 line/mm光栅谐振腔激励电路和工作气压对长脉冲TE CO2激光器调谐特性的影响。

全固态高稳定度纳秒脉冲源的相干合成技术

单个子源的稳定度指标是多源相干合成技术的关键。文章首先对脉冲源稳定度指标进行了定义，并指出全固态纳秒脉冲源具有较高的稳定度指标，在相干合成中具有潜在优势。对脉冲时基抖动、波形抖动机理进行了深入分析，给出了高稳定度子源设计的关键技术途径，采用过触发、欠容量等具体改善方案，有效提高了子源的时基稳定度和波形稳定度，单个子源脉宽抖动小于等于1％，峰值抖动小于等于1％，单次短时抖动小于等于20ps，长时漂移小于等于100ps／min。最终成功实现了256单元的16×16路电路-空间综合合成，研制出30MW全固态高稳定度多路相干合成纳秒脉冲源，脉冲源16路输出端口最大时基离散度小于30ps，合成峰值电压抖动小于1％，合成峰值电压效率可达到90％～95％。

小型纳秒级电压脉冲发生器的研制

研制了一台体积小 ,重量轻的新型 ns级电压脉冲发生器 ,可用于电声脉冲法测量空间电荷的试验装置中。该发生器采用以开关电路为基础的电源代替原来的工频整流电源 ,以湿簧管代替火花间隙 ,使得电源的重量下降到原来的 1/5 ,体积也大缩小。经试验可输出脉冲宽度为 2 0 ns,幅值最高为 2 0 0 0

基于绝缘薄膜开关的快前沿高压方波发生器

本文对基于绝缘薄膜开关的方波脉冲发生器的设计及整体结构作了较详细的介绍 ,并分析了方波发生器放电回路杂散参数对方波前沿的影响。整机可产生幅值1 5～ 8kV、前沿小于 1 5ns、脉宽 40ns的方波脉冲。

枯草杆菌电击法转化

高电压电击法转化枯草杆菌,以菌株BR151和pBC11质粒为材料,获得每微克DNA的1.6×10~3个转化子。此方法主要依赖于电流脉冲的两个性质:电场强度和脉冲时间RC(时间常数)。

高功率全固态微波纳秒级脉冲源的设计与应用

基于雪崩三极管雪崩效应,研制出了一种数千伏、纳秒级脉冲源。其为全固态微波PCB电路结构形式,利用数字电路产生可控重频触发信号,脉冲全底宽度400ps～2ns可调,重频1k～1000kHz可调,脉冲幅度360～2600V可调,峰值功率可达135kW。详细讲述了电路设计、器件选择以及重要电路结构。针对高压窄脉冲引起的特殊问题,提出了新颖的欠电荷充电法以及有效的梳状PCB(印刷电路板)结构。电路性能优良、稳定可靠,已投入超宽带目标探测实验系统应用。

超宽带雷达实验系统中大功率纳秒级脉冲源的研制

分析了超宽带雷达试验系统对脉冲源信号的具体指标要求,提出超宽带雷达用脉冲源的指标规范。根据具体系统指标,选择全固态微波电路方案,研制出了系列的数千伏、纳秒级、超宽带雷达用脉冲源。基于微波PCB电路结构、利用雪崩三级管雪崩效应进行设计。为减小反射,提高脉冲波形指标,提出了新颖的欠电荷充电法。文中详细讲述了电路设计、重要电路结构以及投入超宽带雷达试验系统应用,目标探测试验相关结果。

基于雪崩管Marx电路的高稳定度脉冲技术

采用Marx电路提高雪崩管脉冲源输出脉冲幅度,分析基于雪崩管Marx电路脉冲源的时基稳定度和波形稳定度的影响因素。采用适当的优化措施提高稳定度指标,设计了高稳定度的雪崩管脉冲源,脉冲峰值电压2 000 V(50Ω负载),脉冲全底宽度5 ns,上升时间400 ps,重复频率达到25 kHz,具有很高的稳定度指标:短时抖动小于30 ps,长时漂移小于100 ps/min,峰值电压和脉冲宽度抖动小于1%。

探地雷达高功率高稳定度脉冲源设计

对于探地雷达,脉冲源的功率和稳定度直接影响其作用距离和探测精度,对目标成像时进行相干积累有着重要意义。采用雪崩三极管设计的全固态脉冲源具有很高的稳定度指标,但输出功率较低,使用Marx电路可以提高其输出峰值电压幅度。梳状PCB(印刷电路板)电路是一种结构紧凑具有自相似性的电路形式,有利于进一步提高脉冲源的稳定度指标,也有利于脉冲源的小型化设计。根据某探地雷达要求,采用梳状PCB电路形式,实现了12级Marx电路的脉冲源,采用欠电荷法对脉冲波形进行了优化设计,其输出峰值电压大于400 V(50Ω负载),脉冲宽度为600 ps,重复频率大于25 kHz;并且具有良好的时基稳定度和波形稳定度,脉冲宽带抖动小于1%,峰值抖动小于1%。

基于雪崩三极管的高重频高稳定度脉冲源研究

基于雪崩三极管的脉冲源具有稳定度高、脉冲窄、上升时间短等优点,分析了雪崩三极管脉冲源稳定度的影响因素。采用适当的优化措施提高了稳定度指标,设计了高稳定度的雪崩三极管脉冲源,脉冲峰值电压1500V(50Ω负载),脉冲宽度1ns,上升时间200ps,具有很高的稳定度指标:短时抖动小于30ps,长时漂移小于100ps/min,峰值电压和脉冲宽度抖动小于1%。通过对改进脉冲电路的充电形式,实现了重复频率为60kHz的脉冲输出。

一种采用全固态开关的高压双极性脉冲源

为满足高压脉冲电场灭菌实验的需要,提出一种结合经典Marx发生器与全固态开关器件的高压双极性方波脉冲源设计方案. 选用全固态开关器件替代传统的火花间隙开关,以单极性Marx发生器为核心,实现能量压缩,通过全桥固态调制器可实现高压方波脉冲的双极性输出. 详细分析了电路的结构、工作过程、控制策略和负载适应能力. 以全固态IGBT为主开关器件,研制了脉冲源的高压主回路部分;设计了相应的控制电路和开关同步触发电路,通过光纤和隔离供电模块实现了信号传输和强弱电的隔离. 相比于常规的双极性高压脉冲源,该方案具有更简洁的电路结构和良好的负载适应能力,实现了输出脉冲极性可控、前沿更陡,脉冲频率、脉宽、电压幅值可调等优点. 实验结果表明,该脉冲源系统可以产生幅值范围-7~7 kV、每秒脉冲数1~1 000、脉宽范围2~10μs、极性可变的高压方波脉冲,为开展高压脉冲电场灭菌实验,寻找最佳灭菌电参数条件,提供了硬件支持.

连续波高速率泥浆脉冲器设计研究

随钻测井的参数越来越多,这些参数需要快速有效地传至地面,研制一套高速率泥浆脉冲遥传系统势在必行。介绍了连续波泥浆脉冲器脉冲发生机理,给出了连续波泥浆脉冲器样机的设计方案及工作原理;详细解释了泥浆遥传系统连续波的编码与解码方式;定量分析了影响井下信号强度的因素,认为噪声的来源主要有电干扰噪声、泥浆泵噪声、泥浆马达噪声、钻头噪声、回声及反射噪声等,这些噪声对井下信号的调制与解调具有较大的影响。研究结果对研制连续波钻井液脉冲器具有一定的参考价值。