带反偏置的双路高压脉冲电源的研究

通过调节反向偏置电压可以改善电场渗透对质谱仪的影响,提高质谱仪的分辨率。为了满足质谱仪对脉冲电场的不同要求,提出了一种可以同时输出两路极性相反脉冲电场的脉冲电源,且高压正脉冲叠加幅值可调的直流负偏置电压。该电源只需一个充电源便可以产生正负两路脉冲电场。分析了串联开关同步驱动效果,随后通过增加补偿绕组和并联电阻优化了串联电容的分压不均的问题,并验证一个磁芯加多个副边绕组的方案可进一步降低充电电压不均。最终实现了4个电容器的充电电压与平均电压相差不超过0.1%。搭建了一台4级的电源样机,实验表明,其可以在容性负载上产生一路幅值为0~1.5 kV、脉宽为2~10μs可调的高压正脉冲且叠加幅值为0~-200 V的反向偏置电压,和一路幅值为0~-1.5 kV、脉宽为2~10μs可调的高压负脉冲,频率高达10 kHz,正负脉冲的前沿均小于30 ns,脉冲波形平稳。该脉冲电源结构紧凑,并且输出电压、脉宽、频率均连续可调。

高平均功率高次谐波光源的研究进展(特邀)

阿秒激光脉冲(10-18 s)具有超高的时间分辨率,可以用于实现原子分子内的电子动力学的探测,这使阿秒科学成为超快光学领域里最受关注的研究前沿。传统的钛宝石飞秒激光驱动的高次谐波阿秒脉冲平均功率较低。最近,高平均功率的掺镱激光发展迅速,为产生高功率高次谐波阿秒脉冲提供了良好的驱动源。本文回顾了近二十年高重频的高次谐波光源的平均功率和最高光子能量逐步提高的研究进展,并介绍了高重频高次谐波阿秒脉冲在泵浦探测实验和相干成像等方面的应用和前景。

S波段永磁式相对论磁控管设计及实验研究

对S波段永磁式全腔提取相对论磁控管进行了理论设计和数值模拟研究,并对其进行了实验研究。通过理论分析初步获取相对论磁控管结构参数,并采用三维电磁仿真软件对模型进行粒子仿真优化,根据引导磁场需求设计永磁磁场产生结构。该永磁式相对论磁控管在500 kV电压输入条件下,输出微波功率1.978 GW,效率49.2%。利用实验室小型脉冲功率驱动源平台开展了初步实验研究。实验中,该永磁式相对论磁控管在脉冲驱动源驱动下获得GW级输出功率,功率转换效率约40%,实验结果与模拟结果吻合得较好。

基于光子合成的快上升沿复杂激励信号产生技术

针对固态高功率微波系统对快上升沿窄脉冲的需求,对脉冲上升沿的影响因素进行了原理分析,提出了基于光子合成的快上升沿脉冲信号产生方法,并利用微波光子链路带宽大和带内一致性好的优势,研制了基于光子合成的纳秒量级上升沿脉冲信号产生样机,并对该样机进行了性能指标和波形产生测试试验。实验结果表明,所研制样机产生的脉冲上升沿达到纳秒量级,可生成非线性调频、相移键控(phase shift keying,PSK)和频移键控(frequency shift keying,FSK)等复合调制波形,可为固态体制高功率微波系统的多功能实现提供技术支撑。

紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器,由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离,直径为480mm,长度为700mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法,单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术,输出电压大于50kV,前沿小于100ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10GW,脉冲宽度100ns,前沿10ns,阻抗40Ω。重频工作时输出功率7GW,频率5Hz。后期调整后电参数更改为单次10GW,脉冲宽度70ns,前沿10ns,阻抗50Ω。重复频率工作时稳定输出功率8GW,频率10Hz,单串10个脉冲。初步的应用研究中,利用改进后的平台,在5GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1GW的微波输出。

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。

基于Marx电路的纳秒级高压脉冲电源设计

为满足等离子体污水处理对高压脉冲电源的要求,设计了一种基于Marx发生器的紧凑型、高重复频率纳秒级高压直流脉冲电源,该脉冲电源以绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为放电主开关,并使用多输出磁环变压器为IGBT提供驱动信号。Marx发生器由25级电路组成,每级电路由IGBT开关、快恢复二极管以及电容器组成。充电时,通过电感和二极管对电容充电,减小电路功率损耗;放电时,电感对输出脉冲高电压与输入电源之间进行隔离。为了保护IGBT开关在短路等情况不被过电流损坏,使用了过电流保护电路。实验结果表明,输入电压为500 V低压时,串联25级电路即可获得最大幅值为10 k V、最小脉宽为400 ns且脉冲前沿为50 ns的高压脉冲,可实现反应器中气体的电晕放电,达到污水快速净化的目的。

用高压脉冲电晕技术脱硫脱硝的研究进展

从脉冲电晕的放电原理出发 ,分析了几种脉冲电源的实现方法 ,综述了脉冲电晕技术的发展及存在的问题 ,指出研制新型的脉冲电源。

纳秒级高压快脉冲发生器的研制

为了研究电力系统中不断产生的特快速瞬态过电压(VFTO)对电工绝缘材料的影响,设计了一台用于模拟VFTO的快脉冲发生器,其输出波形要求:上升时间<50ns、峰值电压达1000kV。该发生器由Marx发生器、负载测试腔及中间连接段组成。Marx采用正负充电电路,包括10个0.015μF/100kV的塑壳电容器、6个火花隙放电开关。负载端并联一个500Ω的大电阻,以加快输出高压脉冲的振荡衰减速度,降低设备绝缘要求,从而使Marx结构紧凑化,减小放电回路电感。同时,Marx发生器中的电容器和火花开关采用特殊的折返式布线形式,进一步减小放电回路电感。还给出了快脉冲发生器的设计方案,Pspice仿真结果表明:在负载实际变动范围内,当输出电压为1000kV时,上升时间在23～28ns之间变动,满足要求。

20GW紧凑Marx型重复频率脉冲驱动源研制进展

介绍了一种基于电触发技术的重复频率脉冲驱动源,其突破了双电容结构脉冲成形、紧凑型结构高压产生、大电流条件下重复频率稳定运行等关键技术,采用电路结构最简单的Marx电压叠加技术,解决了Marx在重复频率运行中的技术难点。脉冲功率驱动源设计输出功率20GW、脉冲宽度180ns、重复频率1~50Hz,输出功率和重复频率在一定范围内可调。研制的脉冲功率驱动源体积仅2.5m^3,重量低至2.2t,脉冲形成单元储能密度高达23kJ·m^(-3),驱动源单次工作状态下输出功率约20GW;在重复频率30 Hz工作状态下,输出功率16GW、连续运行时间10s、系统抖动约6ns,系统运行稳定可靠。

基于快Marx发生器的紧凑型重频脉冲驱动源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲驱动源。采用低功率电源(比如30 V电池)作为初始能源,重频高压充电电源集成大容量超级电容,可脱离外部电源重频对Marx发生器充电至100 k V,结合对高压充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现Marx发生器的重频高功率多脉冲输出;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF6气体绝缘等设计,最高建立电压800 k V、额定储能1.6 k J;高压充电电源和脉冲触发源采用真空灌封绝缘胶等紧凑设计,全系统集成后外形尺寸约0.9 m×0.45 m×0.45 m。在实验中获得了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压>400 k V、电流>21 k A的连续多脉冲输出,为研制更高性能的小型化重频脉冲驱动源奠定了基础。

一次CINRAD/SA雷达发射机功率偏低故障的分析及处理

发射机是CINRAD/SA雷达的重要组成部分,由于结构复杂,长期处于连续高压强电的工作状态,其故障率往往是几个分机系统中最高的,而且发射机系统的故障基本都是强迫整机瘫痪的"不可工作"级别的恶性故障,严重影响日常的观测业务。基于CINRAD/SA雷达发射功率一次异常的陡降现象,深入分析其原因,发现高频脉冲形成器的损坏导致脉冲宽度变小,脉冲信号的占空比也随之减小,从而引起发射功率的下降。同时,对故障源的查找、定位方法也做了详细的阐述。

用于产生非平衡等离子体的纳秒级脉冲电源研制

为了给非平衡等离子体相关实验提供ns级高压脉冲,研制了一台基于传输线变压器(transmission linetransformer,TLT)原理的高压重频ns脉冲电源,通过在传输线外套加磁环增加二次阻抗,提高TLT的输出电压和能量传输效率。同时设计了一种电容-开关-传输线的紧凑化同轴结构。实验表明,在连接匹配负载条件下,电源输出脉冲电压峰值可以达到26kV,脉宽100ns,上升时间25ns,可在500Hz频率下稳定运行。同时成功地将其应用于大气压氩气等离子射流实验,发现与正弦电压相比,相同电压峰值下,脉冲电源作用下的等离子体射流长度更长,但2种电源作用下的射流长度均出现饱和现象,同时电源频率对射流长度无明显影响。

LD脉冲侧面泵浦Nd：YAG电光调Q低重频窄脉宽紫外激光器

介绍了在1～20Hz电光调Q情况下,半导体脉冲激光侧面泵浦Nd:YAG晶体腔外四倍频266nm紫外激光器的输出特性.实验采用直腔结构,在腔外分别利用KTP和BBO晶体产生532nm倍频绿光、266nm四倍频紫外激光.当泵浦电流为120A、重复率为1Hz时,266nm紫外激光最大单脉冲能量为15.4mJ、脉宽8ns,峰值功率高达1.93mW;重复率20Hz时,获得了最大平均功率为156.2mW的266nm紫外激光输出,四倍频的转换效率为10.63%.同时利用一组分光镜,获得了352mW的532nm脉冲绿光和423mW的1064nm脉冲红外光输出.

高频脉冲功率源初级单元的设计

针对半导体断路开关型、数十kHz高频脉冲功率源设计了初级单元。该单元在低频电路的基础上进行了改进和优化,放电主开关采用IGBT串并联组件,解决了同步触发问题,增加了过流保护系统,设计了高频脉冲触发器。研究发现,初级单元的放电电容放电后有残余电压存在,这会降低脉冲功率源的输出稳定性。该初级电路加强了高频率脉冲功率源的稳定性和可靠性,成功应用于数十kHz高频脉冲功率源。从波形上看,初级充电电源工作电压约为1kV,放电电流约1.5kA,在10kHz条件下可以稳定工作。

超级电容器用于建立强脉冲磁场的可行性研究

为解决爆炸磁流体发电机应用设计中储能高压脉冲电容器存在的一些缺点,提出了一种以超级电容器替代高压脉冲电容器作为储能器件建立强脉冲磁场的设计方案。在给出脉冲放电回路中超级电容器的等效电路模型、超级电容器模块的设计原则和储能系统管理方案后,对超级电容器模块振荡放电和非振荡放电两种类型进行了分析计算。超级电容器模块和高压脉冲电容器模块的放电电流仿真波形和模块参数的对比结果表明,在产生同样大的脉冲电流下,超级电容器模块放电持续时间更长,在体积和重量上有一定的优势,用于建立强脉冲磁场是可行的。

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。

高功率脉冲离子束的产生

分析了高功率二极管中的双向流以及提高离子流产生效率的反射三极管、磁绝缘二极管和箍缩二极管工作原理，概述了高功率脉冲离子束研究进展及发展方向。

快速关断半导体开关工作特性及实验研究

介绍了快速关断半导体开关(DSRD)的工作原理,研究了开关内部的物理过程,分析了系统参数对开关输出特性的影响,研究发现:基区材料的击穿阈值越高、载流子饱和漂移速度越大输出电压上升速率越快;基区高的电场击穿阈值或低的掺杂浓度会增加器件关断时间和最大工作电压;考虑各参数的影响,基于高击穿阈值的DSRD是实现快脉冲输出的理想器件;缩短正向泵浦时间可有效抑制预脉冲,当正向泵浦时间小于200 ns时,输出脉冲波形基本不变;为了获得理想的脉冲前沿,反向电流应在达到峰值时完成对注入电荷的抽取。设计了单前级开关的DSRD泵浦电路,研制了基于DSRD的快脉冲产生系统,输出脉冲前沿约4 ns,电压约8 kV,电压上升速率约2 kV/ns,满足FID开关器件对触发电压的要求。

基于磁开关技术的长脉冲驱动源初步研究

基于磁开关技术提出了一种高功率长脉冲驱动源方案,主要包括脉冲变压器、磁脉冲压缩、低阻抗脉冲形成网络、磁开关类型主开关,以及感应电压叠加器等关键子系统;研制了各关键子系统并开展了单独的实验调试,基于跑道型磁芯制作了闭环磁芯脉冲变压器,采用硬连接绕组方式制作了方便调节的两级磁压缩系统,利用陶瓷电容器制作了圆周对称的Blumlein型低阻抗脉冲形成网络,配合低阻抗脉冲形成网络研制了磁开关类型主开关,基于单端口馈电和角向传输线技术建立了四级IVA实验装置;在上述关键子系统调试基础上,开展了全系统的初步联合实验,验证了技术方案。