常压空气亚微秒脉冲多层介质阻挡实验研究

多层介质阻挡放电可在纵向空间增大放电等离子体的体积及其与材料相互作用的表面积,在实际工业生产中将有广泛的应用前景。为此采用单极性重复频率高压亚微秒脉冲功率源,激励多层介质阻挡放电,在大气压空气中直径130 mm区域,获得3层介质2层间隙分别为2 mm、2 mm以及5层介质4层间隙分别为1 mm、1 mm、1 mm、2 mm的均匀放电等离子体,采用普通相机(曝光时间1/17 s)对放电图像进行拍摄,不能分辨放电细丝的存在。采用ICCD对三层介质挡板两层2 mm间隙放电过程进行高速摄影实验,在曝光时间5 ns情况下对放电等离子体进行拍摄,发现上下两层间隙放电发光均匀分布在整个放电间隙,并且两层发光强弱保持良好的一致性,表明多层介质阻挡放电击穿具有同时性。

基于硅堆的猝发高压脉冲源初步实验研究

为了产生驱动多幅闪光照相的高重频猝发高压电脉冲,开展了基于硅堆隔离的猝发高压脉冲发生装置的可行性研究。对普通整流硅堆脉冲条件的导通电流,反向关断时间进行了实验研究;采用脉冲形成线产生矩形脉冲,利用不同长度传输线的传输时延产生多脉冲,以硅堆隔离的方式实现多脉冲在负载的输出。研究表明:硅堆在500 ns脉宽条件下,其电流过载至少736倍,关断时间约200 ns,硅堆的绝缘恢复时间决定产生脉冲的最高重复频率。

常压空气亚微秒脉冲多层介质阻挡的实验研究

采用单极性重复频率高压亚微秒脉冲功率源，激励多层介质阻挡放电，在大气压空气中获得均匀的放电等离子体。采用高速摄影相机（ICCD）对3层介质挡板、2层2mm气隙放电过程进行了研究，在曝光时间为5ns的情况下对放电等离子体进行拍摄，结果发现：上、下2层间隙放电等离子体的发光均匀分布，并且2层发光强弱保持良好的一致性。说明多层介质阻挡放电击穿具有同时性。

常压空气亚微秒脉冲DBD高速摄影研究

为研究亚微秒脉冲激励常压空气介质阻挡放电(DBD)时空演化规律,采用高速摄影相机(ICCD)在ns量级时间曝光范围内,分别在单次及连续放电(500Hz)情况下研究放电等离子体的发光性质及放电发展过程。结果表明:在亚微秒高压脉冲平行板结构放电条件下,起始阶段放电表现出不均匀性,随着电流增大发光增强并变得均匀,在回路电流最强位置时放电达到均匀状态,并且放电均匀性在回路电流下降阶段明显好于其上升沿阶段,放电发光强度与电流波形可以很好的吻合。在一定外界参数条件下,二次放电的存在受到电源重复频率、电压幅值等参数的影响。在单次放电条件下可以明显观测到二次放电的存在,相较于一次放电,二次放电更加均匀;连续状态放电模式下几乎观察不到二次放电。

时变透镜脉冲电流源的研究

介绍了一种应用于强流脉冲电子束时变聚焦透镜的脉冲电流源。该电流源采用脉冲形成网络结构，产生的高压方波脉冲经5Q匹配水电阻，输出到单匝线圈负载上。利用PSpice程序对脉冲形成网络产生的脉冲电流进行模拟，了解了负载上的脉冲电压、脉冲电流幅度和脉冲波形情况。实验结果表明：脉冲幅度为3kA的脉冲电流，可激励线圈产生峰值约为0．04T的脉冲磁场，脉冲平顶为300ns，平顶波动小于2％。

光导开关Blumlein型脉冲网络电压传输效率

为了在高阻负载上获得高效率的重复频率平顶高压脉冲输出,开展了影响基于光导开关的Blumlein型脉冲形成网络电压传输效率因素的初步实验研究。以陶瓷电容、铝条和GaAs光导开关构成全固态Blumlein型脉冲形成网络(BPFN),采用气体间隙进行了设计参数的验证实验,在匹配负载上研究了光导开关工作场强、激光触发能量与BPFN电压转换效率的关系。设计的BPFN阻抗7.8Ω,电长度32.6ns,实验表明光导开关较高的导通电阻是影响PCSS-BPFN电压传输效率的主要因素。当触发激光能量30.4mJ,工作场强25.1kV/cm时,获得电压效率83.2%,相应最小导通电阻1.89Ω;在触发激光能量3.5mJ时,为了使阻抗为7.8Ω的BPFN在匹配负载上达到75%以上电压传输效率,应至少使光导开关工作场强为25.1kV/cm,相应最小导通电阻2.88Ω。

150kV脉冲X射线测试系统

基于Marx发生器原理设计了150kV脉冲X射线测试系统,该系统采用正负极充电的双边Marx发生器线路,Marx发生器设计为15级同轴结构,采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。实验结果表明,X光机设计合理,获得了窄脉宽、高幅度的高压脉冲输出:在充电电压为20kV的情况下,X射线管电压150kV;X射线脉宽约60ns;25cm处剂量约7.8×10-6 C/kg;焦斑直径2.5mm。搭配计算机X射线摄影系统,成像面积可达30cm×40cm,分辨力大于1lp/mm,可以满足一般低能闪光照相的需要。

基于光导开关及层叠Blumlein线的纳秒脉冲源

设计了一台层叠Blumlein线型脉冲功率源。该脉冲源以平板型Blumlein线为储能器件,使用4个GaAs光导开关作为脉冲形成开关,通过4级Blumlein线层叠结构以获得更高输出电压。分别使用10mm及3mm间隙光导开关进行实验,比较了PSpice电路仿真与实验结果。实验测试显示,10mm开关充电23.5kV时上升沿较大,可能的原因是偏置电场较低时开关导通时间较长。测试了不同工作电压下功率源的输出电压,结果显示:在10mm间隙开关条件下,充电23.5kV时,负载上得到了53kV的高压脉冲输出;3mm开关充电13.9kV时输出电压39.4kV,输出效率70%。实验结果表明,随着工作场强的提高,电压输出效率呈现先下降后上升最终趋于饱和的趋势。

多脉冲直线感应加速器外接复位系统

基于硅堆隔离网络的多脉冲直线感应加速器（LIA）需要外接独立的复位系统,以满足其加速腔磁芯在主脉冲励磁前的复位需求.介绍了猝发三脉冲LIA外接复位系统的工作原理、电路参数以及具体的电路设计,并针对大型LIA感应腔数量众多、运行时电磁环境复杂的特点,介绍了复位系统在工程实施中的主要技术难点和最终布局.该复位系统解决了磁芯在励磁和复位这两种高压模式间的切换问题,实现了10～20kV可调复位电压的稳定输出,建立了在复杂电磁环境下可稳定运行的远程监控系统,确保了三脉冲LIA的92个加速腔能够在主脉冲励磁前稳定、快速、充分的复位.

空气中三介质层脉冲DBD对聚四氟乙烯的亲水性改善

为了研究多层脉冲介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)对聚四氟乙烯薄膜表面亲水性改善的影响,采用3层介质层阻挡的结构,在大气压空气中使用亚微秒级重复频率单极性脉冲电源驱动产生放电低温等离子体。在一定的处理时间条件下,通过改变薄膜所处介质层方式、施加电压幅值、电源频率及气隙间距进行聚四氟乙烯薄膜表面处理实验,并测量处理前后薄膜的表面水接触角。结果显示当3层介质层上均贴有薄膜样品时水接触角变化最大,处理效果较好;随电压幅值及频率的增加薄膜表面水接触角减小并趋于饱和,气隙间距1 mm时薄膜表面水接触角从118°变化最小可到72°左右;而对处理后薄膜进行酒精清洗,发现频率过大或过小时、气隙间距过大或过小时薄膜表面处理效果不明显,在电压40 k V、频率500 Hz、气隙间距1 mm时的薄膜表面亲水性改善效果最佳,清洗后其表面水接触角最小可达85°左右,并可进行多层薄膜同时处理。与双层介质层放电等离子体表面效果相比,该放电结构具有很好的PTFE薄膜亲水性改善效果,能够增加薄膜处理面积,为实际应用提供了可靠的数据参考及可行路线。

聚龙一号装置上首次铝套筒Z箍缩X射线背光照相实验

在聚龙一号脉冲功率装置上首次完成了对带正弦扰动铝套筒Z箍缩的X射线背光照相实验。实验采用千焦耳激光器(1053nm,1kJ,1ns)驱动固体靶材产生X射线,然后利用基于球面晶体的单色背光照相技术以及直接点投影背光照相技术,成功观测到约7.5 MA电流驱动条件下,Z箍缩铝套筒的外边界不稳定性发展情况。该实验验证了在聚龙一号装置上联合千焦耳激光器开展X射线背光照相实验的能力,为后续精密Z箍缩物理研究奠定了基础。

大型LTD装置功率源可靠性初步分析

产生脉冲电流约50 MA的大型LTD装置功率源由数十万个电容器、开关和触发器组成。规模庞大的功率源采用串联系统可靠性模型,其可靠度想要达到一个较高的水平,存在所要求的开关可靠度难以实现的情况。大型LTD装置功率源的主要故障模式为开关自击穿和触发器故障,开关自击穿将导致其所在的模块故障,而触发器一对多的触发方式,使其故障时引起更多的模块故障。在LTD装置输出性能满足要求的前提下,允许存在一定数量的模块故障,并且控制故障模块分布,是实现功率源高可靠度的关键。基于概念设计的大型LTD装置功率源构成框架,分别建立了在功率源、支路、分层上控制故障模块数量的可靠性模型。采用蒙特卡罗方法对该模型进行仿真计算,得出了在给定的功率源可靠度条件下开关和触发器需要达到的可靠度。为实现该可靠性模型,使故障模块不对其他部分产生影响,还对故障模块隔离技术进行了分析。

一种磁绝缘传输线真空功率流的电路计算方法

介绍了基于电报方程的磁绝缘传输线真空功率流电路计算方法的基本原理,开发了相应的计算程序,对Angara-5-1装置4600发次实验进行了计算,电路模拟结果与实验结果符合较好,提供了一种新的计算磁绝缘传输线真空功率流的方法,分析了Angara-5-1装置磁绝缘传输线阻抗突变处损失电流随时间的变化规律,讨论了该方法与TLCODE和Bertha等电路模拟方法的区别,采用该电路模拟方法计算Angara-5-1等工作在超磁绝缘状态的脉冲功率装置,不仅能够保证计算精度而且提高了解的收敛性,使得对磁绝缘传输线损失电流的计算更加自洽。

大功率全桥串联谐振充电电源理论设计

为了对电容重复频率且高能量转换效率地充电,开展了全桥串联谐振充电电源的理论设计。通过数值解析的方法获得谐振电感、电容、功率器件耐压与通流、电源功率、脉冲变压器伏秒数等参数,通过数值模拟的方法获得脉冲变压器励磁电感参数,以基于Pspice的全电路仿真验证设计参数的合理性。仿真结果表明为了实现对110 nF电容1 kHz重频充电,在初级电压为1.2 kV和谐振参数为33 kHz时,谐振电感、电容应分别为625 nH,37μF,脉冲变压器伏秒数、励磁电感至少分别应为45 mVs、1 mH,功率器件峰值电流约300 A。

基于感应叠加原理的充电电源初步研究

高功率转换开关是限制大功率高压脉冲调制器重复运行频率的关键因素。为避免高功率转换开关的使用,开展了基于感应叠加原理的高压充电电源初步研究。建立了构成感应叠加充电电源基本单元的脉冲变压器调制电路的数学模型,确立了变压器磁芯截面的设计原则,以IGBT作为调制器的转换开关,开展了2级感应叠加充电电源的初步实验研究。实验表明与单元脉冲变压器输出电压相比,升压系数接近2,波形没有发生畸变。

级联Blumlein型脉冲网络充电电源设计

各级Blumlein型脉冲形成网络充电电压的不一致是影响级联脉冲形成网络电压传输效率的因素之一,为了使级联网络的充电电压一致,设计了一种多路充电电源。每路电源由脉冲变压器,IGBT,初级储能电容组成,IGBT的同步触发使得每路电源同时对负载充电。实验结果表明各级网络的充电电压不一致性<0.1%。

多脉冲强流电子束在线测试数据处理

在多脉冲强流直线感应加速器(LIA)的测控和诊断系统中,电子束的在线测试数据处理是重要的组成部分。多脉冲强流电子束在线测试数据处理系统是集测试仪器、计算机和工作站等组成的工业以太网,以及实现测试网络配置、测试仪器的通信及控制、数据采集、束流强度和束质心位置计算、显示以及存储等功能为一体的专用软件。多脉冲强流电子束采用基于电阻环束流位置检测器(BPM)的束流测试线路,根据束线上每个BPM测试得到的四个象限点的原始电压信号波形,以及测试线路的结构参数,计算束线上每个PBM位置的束流强度以及束质心位置随时间变化的波形,根据随时间变化的波形数据计算每个BPM位置多个脉冲束流的强度以及束质心位置的统计数据。数据的存储采用SQL和文件系统相结合的方式。这套多脉冲强流电子束在线数据处理系统在多脉冲强流LIA的调试实验中稳定可靠运行,为实验提供有效可靠的数据。

级联Blumlein型脉冲网络电感设计

为了利用级联Blumlein型脉冲形成网络在高阻抗负载产生理想的高压平顶脉冲输出,开展了构成该脉冲功率源关键单元的始端电感和终端电感设计。从充电电压一致性,输出脉冲不发生严重畸变,高的电压叠加效率,可接受的负载预脉冲幅值出发,确定了始端电感和终端电感值的计算方法,利用锰锌铁氧体磁芯的饱和特性设计电感,通过实验开展锰锌铁氧体磁芯参数测试。研究表明锰锌铁氧体饱和和剩余磁感应强度之和约为1.75,饱和磁导率约3.3,非饱和磁导率约1 462,饱和电感值为7.3 mH,非饱和电感值3.2 mH。

Blumlein型脉冲形成网络设计

为了产生驱动高阻脉冲X光管的快前沿平顶脉冲,开展了级联B线主要组成单元Blumlein型脉冲网络的研究。在网络阻抗和电长度一定时,从Blumlein型脉冲形成网络级数、级电容杂散电感、开关参数和隔离电感4个方面开展了影响输出脉冲前沿、过冲、顶降、反冲和预脉冲因素的研究。研究表明级电容杂散电感和开关导通电阻使输出脉冲严重畸变。实验表明设计的网络阻抗7.8Ω,输出脉宽65.2 ns,前沿18.6 ns,与预期一致。

基于光电信号控制触发的四路高压脉冲源

采用光电信号作为前级控制触发脉冲，驱动后级高压开关管输出高压脉冲信号的思路，设计了一台脉冲幅度为500～1000V、脉冲宽度大于500ns、脉冲前沿小于25ns以及各通道之间输出的高压脉冲信号分散性小于10ns的四路高压脉冲源。通过实验结果验证了采用的设计方法的可行性，给出了单次触发情况下四路高压脉冲输出的实验结果。