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强激光与粒子束 2010年第03期杂志 文档列表

强激光与粒子束杂志脉冲功率技术

四级传输线脉冲变压器研制457-460

摘要：介绍了一种传输线脉冲变压器（TLT）的最优化设计理论，在此基础上，研制了一台四级传输线脉冲变压器。所研制的TLT所使用的磁芯基本符合级间无耦合结构TLT最优化设计的要求。采用了柔韧性好的同轴电缆，绕制完成后各级次级线电感值大小分别为1．83，3．52和5．41mH，符合预定目标。利用Blum—lein作为脉冲源，对所研制的TLT进行了测试，测试结果表明：输入脉冲宽度150ms，幅值10kV，上升前沿20ns，输出脉冲宽度150ns，幅值约40kV，上升前沿约20ns，基本波形保持较好，但下降沿和尾部波形不理想，初步分析可能的原因是TLT输出端杂散电容电感引起的阻抗不匹配。此变压器可用于低阻抗陶瓷脉冲形成线输出端的阻抗变换。

新型筒状双层闪络板等离子体枪461-464

摘要：提出了新型筒状双层闪络板等离子体枪及其驱动电路的设计方案。枪内层接脉冲高压，均布160个电弧点，每个电弧点由中心焊盘及填充TiH2粉末的凹槽组成，TiH2粉末用硅酸钠粘接于凹槽中；通过100Ω电阻连接每个高压焊盘与接地端，电极间隙中产生等离子体。通过放电实验得出：当由3kV，20μF电容器驱动时，脉宽为1．5μs、幅值约150A的电流通过枪，产生的等离子体密度为10^13～10^14cm^-3，存在时间0．5μs，等离子体定向速率达到5cm／μs。实验证明：该闪络板等离子体枪可靠性强，可重复产生均匀等离子体。

1MA直线型变压器驱动源模块设计465-468

摘要：介绍了输出电流幅值为1MA，电流上升时间为100ns的快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）模块的设计。模块由48个子块并联组成，每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发，每路高压脉冲（100kV／50ns）触发6个开关。电路模拟显示，在充电90kV条件下，输出电流幅值为1．04MA，电流上升时间为84．5ns（0-100％）和52ns（10％～90％）。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础，开关的工作条件与已研制成功的100kA—LTD模块中的开关工作条件近似，模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全，能够保证模块达到设计要求。

基于磁开关的重复频率冲击电压发生器469-473

摘要：用磁开关取代传统冲击电压发生器的放电球隙，利用磁开关可高重复频率工作和磁压缩陡化的特点和冲击电压发生器“并联充电，串联放电”的特点，可形成重复频率快前沿高压脉冲。建造了基于磁开关的冲击电压发生器，试验表明：其重复频率可达1kHz，在1nF的电容负载上可形成17kV，上升时间小于80ns的高压脉冲。

利用脉冲循环产生高压多脉冲474-478

摘要：依据电压脉冲在传输线中的传播特性，分析了将形成线和传输线构成封闭回路，使电脉冲在其中反复循环，从而在高阻负载上得到高压多脉冲输出的可能性，并进行了电路模拟研究。利用Blumlein脉冲形成线系统和400kV高压电缆组成封闭回路，进行了高压实验研究，在高阻约1kΩ负载上得到了大于200kV的多个脉冲输出，脉冲宽度120ns、间隔不超过400ns。研究表明，利用脉冲循环方法可以在较高阻抗的负载上产生MHz重复频率的高压多脉冲串，其脉冲质量与形成线开关状态密切相关。

重复频率纳秒脉冲聚四氟乙烯薄膜击穿特性479-483

摘要：实验研究了聚四氟乙烯薄膜在重复频率纳秒脉冲下的击穿特性，选用脉冲上升时间约15ns，脉宽30-40ns，重复频率1～1000Hz。测量并计算了击穿前后的电压电流波形、重复频率耐受时间和施加脉冲个数与击穿特性密切相关的参数。结果表明，重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿场强为MV／cm量级，重复频率耐受时间随施加场强和重复频率的增大而减小。薄膜本身性质及油浸时间使实验数据具有分散性，重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿应考虑重复频率条件下的热积累效应和材料缺陷。

纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性484-488

摘要：使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀，提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关，研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系，比较了两种体积比的SF6／Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明：一定气压下，平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多，电流分布趋向均匀；相同脉冲峰值与气压比值，不同气压下，高气压下的通道数较多；SF6／Ar混合气体中，氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后，结合J．C．Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。

高功率超宽带双极脉冲产生技术489-493

摘要：介绍了采用C-P组合开关产生双极脉冲和采用Blumlein线产生双极脉冲两种高功率双极脉冲产生技术，理想情况下，这两种双极脉冲形成线产生的双极脉冲电压峰一峰值均等于入射脉冲峰值电压的2倍。设计了相应的高功率双极脉冲形成线，并采用Pspice软件对形成线进行了模拟计算。在同一台高功率超宽带单极脉冲源上，分别对这两种双极脉冲形成线进行高压实验研究，结果为：C—P组合开关双极脉冲形成线在入射脉冲电压为855．5kV、脉宽为2．1ns的情况下，可以产生负峰电压为812．0kV、正峰电压为603．2kV、半周期为720ps的双极脉冲，峰一峰值电压是入射脉冲峰值电压的1．65倍。Blumlein双极脉冲形成线在入射脉冲电压为652．0kV、脉宽为2．1ns的情况下，可以产生负峰电压为571．9kV、正峰电压为550．4kV、半周期为740ps的双极脉冲，峰一峰值电压是入射脉冲峰值电压的1．72倍。

强流电子束二极管绝缘子分析与设计494-498

摘要：对应用在Tesla型强流加速器中的电子束二极管绝缘子进行了仿真，发现电场增强区域与实际发生击穿区域基本一致。从绝缘子沿面电场分布、电力线和绝缘子表面所成角度分布以及材料缺陷等方面分析了击穿发生的原因。认为材料中存在缺陷是导致绝缘子发生击穿的主要原因，局部场增强和非最优化结构设计促成了击穿的发生。对影响绝缘子沿面电场分布的同轴线关键位置进行了设计，得出了阳极倒角半径和阴极屏蔽环半径两个参量的最佳取值范围。

铁电-铁磁多铁性脉冲形成线特性499-502

摘要：对“多铁性”脉冲形成线输出特性进行了研究。利用镍锌铁氧体一钛酸钡陶瓷复合多铁性材料制作了脉冲形成线。在不同的磁回路条件下得到了不同脉冲宽度的电脉冲方波，其中以高磁导率材料组合成的闭合磁回路得到了脉冲宽度约201ns的方波输出。推算出脉冲形成线的相对介电常数接近2000，相对磁导率大于1．4。基于有效磁导率的概念，分析了多铁性脉冲形成线几何构型对脉冲输出特性的影响。分析表明：平板状“多铁性脉冲形成线”的有效磁导率不仅取决于平板介质的磁导率，还取决于周围介质的磁导率，因而有效磁导率通常较小，其输出表现出明显的铁电性而只有“弱”的铁磁性；相比之下，同轴结构的“多铁性脉冲形成线”具有更高的有效磁导率，其输出可同时表现出强的铁电性和铁磁性，即更明显的“多铁性”。“多铁性脉冲形成线”有可能在紧凑型脉冲功率系统中获得应用。

结构紧凑陶瓷电容器型脉冲调制器503-506

摘要：设计了一种结构紧凑的陶瓷电容器型脉冲调制器，对其电路进行了理论计算，分析了主要参数对调制器输出波形的影响，并用PSpice软件建立电路模型进行验证，模拟结果与理论计算结果相符较好。该调制器能够产生上升前沿小于10ns、脉宽30-40ns、幅度为100-200kV的可调高电压脉冲。该调制器用陶瓷电容器作为储能器件，用SFs作为绝缘介质，是一种无液体的脉冲调制器，具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点。

薄膜介质层绕式Blumlein线理论与实验研究507-510

摘要：对薄膜介质层绕式Blumlein线的特性参数进行了理论分析。采用Pspice软件对电路模型进行了计算，分析了开关电感、寄生电阻对负载输出波形的影响。结果表明：开关电感的存在使得负载波形前沿变缓，后延波形扭曲变差，寄生电阻会影响负载的电压输出效率。采用模拟软件对传输线中的电磁场分布进行了计算，结果表明薄电极边缘场畸变以及折叠弯曲部分的场变化是绝缘介质耐压必须考虑的因素。基于此理论分析，设计制作了一种新型薄膜介质Blumlein线，绝缘材料为聚酯薄膜，单层薄膜厚100μm，电极为厚50μm的铜皮，单元模块设计耐压50kV。进行了三级模块串联叠加实验，充电25kV，匹配负载输出60kV，脉冲上升沿80ns，脉冲宽度200ns。

11kV大功率SiC光电导开关导通特性511-514

摘要：采用高质量半绝缘碳化硅（SIC）单晶材料制作了超快高耐压大功率SiC光电导开关。应用氟化氪准分子脉冲激光器作为激发光源，得到了脉宽为40ns，上升沿为9．6ns的超快响应的电脉冲，开关的上升沿存在两个不同阶段。测试开关两端电压从1kV到10kV时开关导通的电压波形表明，开关的导通电阻随电压的增加不发生明显变化，开关在导通态时导通电阻在12Ω左右。采用92Ω精密电阻作为负载，计算得到开关两端外加11kV电压时通过其电流峰值高达159A，此时峰值功率达到1.4MW，在此范围内未出现载流子饱和现象。

脉冲形成网络能量传递效率分析515-518

摘要：采用无感陶瓷电容器作为储能介质，相邻电容器采用宽度为2cm、厚度为0．2cm的金属铝条相连接，设计了2．5Ω，200ns低阻抗Blumlein型脉冲形成网络。理论计算表明，当频率等于2．5MHz时，相邻电容器之间导线的高频电阻约为3．2mΩ；基于Pspice仿真软件的模拟结果表明，设计的脉冲形成网络能量传递效率可以达到94．92％；实验研究结果表明，在2．6Ω负载条件下，该脉冲形成网络的电压传递效率约为93．53％，能量传递效率约为93．22％。实验结果与理论分析结果基本吻合。

高功率低阻抗三平板传输线的设计519-523

摘要：设计了Z箍缩实验装置中单路模块样机的低阻抗水介质三平板结构的传输线。根据三平板传输线的结构参数及相关计算公式，得到所设计的三平板传输线实际阻抗为4．08Ω（设计阻抗为4．00Ω）。在考虑传输线内板边缘与水箱耦合电容影响的条件下，采用有限元方法精确计算得到三平板传输线阻抗为3．77Ω。根据实验得到的传输线入口、出口电压电流测量结果，计算得到三平板传输线的实际运行阻抗为3．83Ω，与计算结果基本一致。另外，还对三平板传输线进行了静电场计算和分析，耐压实验表明，当三平板传输线出口电压达到3．1MV时，未出现绝缘闪络，绝缘设计满足指标要求。

脉冲变压器充电过程中次级线圈匝间电压的分布524-528

摘要：实验发现线绕的螺旋形脉冲变压器在充电期间存在击穿的现象，有时甚至在原边刚导通的时刻就发生击穿，而此时副边并无电压输出。为解释这种实验结果和避免击穿，提高耐压水平，利用简化的多导体传输线方法，在忽略了充电过程中的位移电流情况下，给出了变压器在不同时刻次级绕组层间电压分布。结果表明：变压器层间电压分布随时间变化，且与电路外部参数如失谐、原边电容电压等存在关系。失谐系数较小时，可能在充电的初始时刻就发生变压器击穿。可以利用这些特性来改进螺旋形线绕变压器的设计，使电压分布尽可能均匀，提高耐压强度。

皮秒脉冲功率技术理论模型及其优化设计529-533

摘要：为了产生100～500ps，200500kV，1～10kA数量级的皮秒放电脉冲，建立了一个皮秒脉冲发生器理论模型，并提出利用增益系数极值法，确定其最大兼容工作点，相对于纳秒脉冲成形线，皮秒脉冲成形线实现了90％，70％，85％的归一化电压增益、能量增益和放电功率增益。为了最大限度地降低皮秒脉冲成形线的载压时间，提高系统的绝缘安全因子，利用华罗庚0．618优算法，设计了电压传输系数。在纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线阻抗比值等于1．63条件下，在4倍和6倍皮秒脉冲成形线时间之内，归一化电压增益、能量增益和放电功率增益就可以分别达到94％，72％，89％与99％，53％，97％。

脉冲成形网络参数对轨道型电磁驱动系统效率的影响534-538

摘要：针对分布馈电式（DES）轨道型电磁驱动系统，建立了基于PSpiee的电路模型；采用最常见的电容储能方式构成脉冲成形网络（PFN）；负载模型充分考虑电枢运动时的滑动摩擦，以及导轨电感、电阻等非线性因素。由仿真结果得到的电流值可以计算出电枢所承受的电磁力，从而得到电枢的加速度、速度，以及动能。分别选取不同电容器组的电容量或初始电压，脉冲成形电感器的电感量，主放电开关的闭合时问间隔，以及PFN模块参数（包括模块的数量、结构等），进行仿真分析，得出在各种参数下的系统效率，并加以比较，确定了几种可以有效提高轨道型电磁驱动系统效率的方法或者最优化的参数。仿真结果表明：在电枢质量与加速距离不变的条件下，电容器组的电容量或初始电压越高，电枢初速度越大，而系统效率随着电压的升高先增大后减小；脉冲成形电感器的电感量越大，电感器中的剩余能量越大，系统效率越低；主放电开关的闭合时间间隔越短，系统的效率越高；在初始能量一定的前提下，电源的模块数越多，电枢的出膛速度越大，系统效率也越高，可以通过采用多组小电容值的电容，来提高系统的效率；优化的PFN模块参数设计能够提高系统的效率。