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基于PFN-Marx的紧凑型脉冲源研究

基于PFN-Marx的紧凑型脉冲源研究

作者：王张浩电子科技大学

学位级别：硕士

高功率脉冲技术广泛应用于国防科研和很多其他高新技术研究领域,目前脉冲功率装置普遍存在体积大、重量重和辅助系统复杂、繁多等特点,为了推动脉冲功率技术的应用发展,脉冲功率源装置的小型化、紧凑化研究是当前高功率脉冲功率技术重... 详细信息

高功率脉冲技术广泛应用于国防科研和很多其他高新技术研究领域,目前脉冲功率装置普遍存在体积大、重量重和辅助系统复杂、繁多等特点,为了推动脉冲功率技术的应用发展,脉冲功率源装置的小型化、紧凑化研究是当前高功率脉冲功率技术重要发展方向,尤其是当脉冲功率源装置应用于高功率微波应用平台尤为重要。本文旨在设计一种高功率相对论真空器件用基于PFN-Marx的紧凑型脉冲源,该装置采用陶瓷电容器作为储能元件,铜带作为连接电感,气体开关作为电路连通开关,通过PFN-Marx电路连接方式实现并联充电、串联放电,最终形成高电压脉冲驱动相对论真空器件产生高功率微波。1、首先分析了兼顾脉冲成形与电压倍增的基于PFN-Marx的脉冲源产生方波脉冲的基本原理,理论推导出单级PFN网络的充放电过程,得到匹配负载上输出脉冲宽度和幅值特性,密切相关于PFN单元的电容、电感及充电电压。2、通过对不同类型开关静电场模型进行仿真,分析其开关击穿特性,研究发现圆柱平球头电极和半球形电极组合而成的自击穿电极最为适合高功率、快上升前沿的要求。同时为了准确控制脉冲功率装的触发时序,整个脉冲功率源初级采用在圆柱平球头电极中心插入触发针作为外触发电极,从而实现多级Marx电路的同步击穿要求。3、重点设计了基于多节级联的PFN-Marx脉冲功率源的电路模型,兼顾实际应用进一步优化高功率脉冲源的输出特性。为了紧凑化脉冲功率源结构确定采用“之”字形结构排布各级PFN单元以实现装置的小型化设计。4、为了验证设计方案的可行,根据实验室条件考虑,本文采用同样的设计原理实现5级PFN-Marx脉冲功率源,以此经济实惠地验证常规相对论真空器件用高功率脉冲功率源设计方案,为紧凑型脉冲功率应用系统的实用研究奠定基础。

关键词：脉冲形成网络 Marx发生器气体火花开关脉冲上升沿

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低时延抖动快脉冲功率源及其应用

低时延抖动快脉冲功率源及其应用

作者：徐鸿飞河北工业大学

学位级别：硕士

利用气体火花开关自击穿陡化脉冲变压器的输出电压前沿是一种研究快丝阵Z箍缩预脉冲电流水平下金属丝电爆炸的常用技术方案。然而,气体火花开关自击穿过程具有数十甚至几百纳秒的导通时延抖动,这严重地阻碍了采用高时空分辨率诊断设备... 详细信息

利用气体火花开关自击穿陡化脉冲变压器的输出电压前沿是一种研究快丝阵Z箍缩预脉冲电流水平下金属丝电爆炸的常用技术方案。然而,气体火花开关自击穿过程具有数十甚至几百纳秒的导通时延抖动,这严重地阻碍了采用高时空分辨率诊断设备捕获电爆炸过程中关键时刻的物理图像。因此,低时延抖动的快脉冲功率源对于丝阵Z箍缩早期行为的高时空分辨率同步诊断研究具有重要意义。本文分析了传统谐振充电装置的典型充、放电过程,设计了用于快脉冲电流驱动金属丝电爆炸研究的脉冲变压器。基于脉冲变压器铁芯的饱和特性提出了一种新型谐振充电装置,可以将脉冲变压器的提升电压作用与磁开关的陡化脉冲作用相结合,大幅度地提高了输出电压的前沿。这一新型谐振充电装置的电压加载速率是传统谐振充电装置的3倍。谐振充电装置电压加载速率的提升改进了利用气体火花开关陡化脉冲变压器输出电压前沿的技术方案。通过实验研究了不同电极形状、极间距离和气压对气体火花开关自击穿过程中时延抖动、击穿电压稳定性等特性的影响。针-板电极气体火花开关具有更小的时延抖动和更高的击穿电压稳定性。采用新型谐振充电装置驱动针-板电极气体火花开关的时延抖动降低到传统谐振充电装置驱动条件下的50%以下。在初始充电电压为19 k V、电极间距为5.5 mm、气压为1 atm时,气体火花开关的自击穿时延抖动可降低至13 ns。气体火花开关自击穿电压稳定性也得到较大改善。利用新型谐振充电装置建造了小型快脉冲功率源,将负载电容、针-板电极气体火花开关和负载真空腔室集成为一体,并针对上述脉冲功率源设计了用于测量快前沿脉冲电流的罗氏线圈和负载电压的电阻分压器。紧凑型脉冲功率源可以极低的导通时延抖动和较高的击穿电压稳定性输出前沿34 ns、幅值1.74 k A的脉冲电流。基于脉冲功率源、激光探针诊断系统和电磁屏蔽系统组成的金属丝电爆炸高时空分辨率诊断平台,对电爆炸等离子体演化过程进行了诊断研究。实验结果表明低抖动快前沿脉冲功率源有助于对快脉冲电流驱动金属丝负载演化过程开展精确的同步诊断。

关键词：脉冲功率源可饱和脉冲变压器气体火花开关时延抖动金属丝电爆炸

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氮气火花开关击穿机制的理论和数值研究

物理学报 2021年第1期70卷 319-328页

作者：孙强周前红宋萌萌杨薇董烨北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院研究生院北京100088

三电极气体火花开关带有触发极,相比两电极开关,其开关导通的可控性较高,工作电压较低且抖动小,所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛.本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究.通... 详细信息

三电极气体火花开关带有触发极,相比两电极开关,其开关导通的可控性较高,工作电压较低且抖动小,所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛.本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究.通过理论和数值计算发现,对于平板-平板的两电极开关来说,低电压下(小于6.3 kV)无法产生流注击穿,高电压下(大于6.3 kV)会先形成由阴极到阳极的负流注,然后再形成由阳极向阴极的正流注.而在三电极开关的击穿过程中,首先会在触发极和绝缘体之间发生击穿,然后这个通道不断向阴阳极扩展,最终形成阴阳极之间的电弧通道.在本文的计算工况下,如果需要阴极-触发极、阳极-触发极同时击穿的话,其阴极-触发极之间的外加电压需要大于1.18 kV,而阳极-触发极之间的外加电压需要大于3 kV.当考虑触发极的场致发射后,该击穿阈值可以显著降低.

关键词：气体火花开关流注击穿触发极氮气

高压合成回路用放电开关等离子体触发装置特性

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高电压技术 2019年第11期45卷 3474-3480页

作者：杨兰均马江波黄东李刚姚远李义仓西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司西安710075 西安高压电器研究院有限责任公司西安710077 国网汉中供电公司汉中723000

高压合成回路要求开关工作在极低工作系数下,常用的开关类型为大气下气体火花开关。为解决气体火花开关在极低工作系数下的触发问题,本文将毛细管放电等离子体喷射技术应用于高压合成回路点火开关。首先采用高速摄影仪拍摄了毛细管放电... 详细信息

高压合成回路要求开关工作在极低工作系数下,常用的开关类型为大气下气体火花开关。为解决气体火花开关在极低工作系数下的触发问题,本文将毛细管放电等离子体喷射技术应用于高压合成回路点火开关。首先采用高速摄影仪拍摄了毛细管放电等离子体喷射形态,然后对不同工作系数下气体火花开关的延时及其分散性进行了测量,最后在实际运行试验中对触发特性进行了验证。实验结果表明:毛细管喷射等离子体沿电极轴向进入电极间隙,形成一条电导率远高于空气的等离子体通道,从而使开关电极导通击穿。等离子体喷射触发气体火花开关导通延时和延时分散性主要由等离子体形态及贯穿过程决定。电极间距为130mm、工作系数为50%条件下,开关导通延时为114μs,分散性为±10μs。实际运行结果表明,等离子体喷射触发气体火花开关能在极低的工作系数下可靠触发导通,成功完成合成试验。

关键词：合成回路毛细管放电等离子体喷射气体火花开关导通特性

强激光能源系统故障保护对策与电磁干扰抑制方法

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中国电机工程学报 2012年第28期32卷 97-103,13页

作者：童金禄陈德怀齐珍赖贵友力一峥李冬梅栾永平何伟郭良福中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川省绵阳市621900

为了确保强激光能源系统的正常运行以及在故障条件下不危害人身安全和损坏设备,需要提高其电磁兼容水平和故障保护能力。针对这些问题,通过采用限流保护、提高关键元器件故障承受能力和优化接地网设计等技术防范措施降低了故障风险,提... 详细信息

为了确保强激光能源系统的正常运行以及在故障条件下不危害人身安全和损坏设备,需要提高其电磁兼容水平和故障保护能力。针对这些问题,通过采用限流保护、提高关键元器件故障承受能力和优化接地网设计等技术防范措施降低了故障风险,提高了故障承受能力;通过采用新型放电回路、能源模块单点接地技术、降低干扰源能量、滤波、屏蔽和光纤隔离等措施有效地抑制了电磁干扰;最终实现了MJ能源模块的工程化建设,而且整个能源系统实现了安全、稳定、可靠运行。

关键词：激光能源系统故障保护电磁干扰单点接地预电离气体火花开关

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氮气短间隙的耐受电压和气体密度恢复特性

高电压技术 2011年第6期37卷 1471-1478页

作者：蔡新景邹晓兵王新新东北电力大学电气工程学院吉林132012 清华大学电机工程与应用电子技术系北京100084

为了提高气体火花开关重复运行频率,对氮气短间隙的耐受电压和气体恢复特性进行了研究。采用"双脉冲法"获得了气隙耐受电压恢复特性,利用Mach-Zahnder干涉仪记录了气体密度的恢复过程,用CCD相机拍摄了放电图像。实验发现:耐受电压恢复... 详细信息

为了提高气体火花开关重复运行频率,对氮气短间隙的耐受电压和气体恢复特性进行了研究。采用"双脉冲法"获得了气隙耐受电压恢复特性,利用Mach-Zahnder干涉仪记录了气体密度的恢复过程,用CCD相机拍摄了放电图像。实验发现:耐受电压恢复过程分为静态击穿电压恢复和过电压击穿能力恢复两个阶段,后者所需的时间远超过前者。即使气体密度完全恢复了,气隙也仅恢复其静态击穿电压,其原因可能是放电残留的长寿命氮原子在阴极上复合导致阴极电子发射,持续不断地为放电提供初始电子。"双脉冲法"实验中气隙两次击穿的路径通常是分离的,说明气体绝缘最薄弱之处并不一定位于第1次火花放电通道上。

关键词：气体放电气体火花开关气体击穿电压气体恢复双脉冲法马赫-贞德干涉法

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电容快放电型触发器的电路分析与设计

高电压技术 2011年第4期37卷 975-981页

作者：尹佳辉刘鹏孙凤举邱爱慈刘志刚张众西北核技术研究所西安710024 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

为获得快前沿的高电压脉冲,分析了电容放电型触发器的电路,利用简化的等效电路研究了放电回路参数和气体开关的火花通道电阻、电感对触发脉冲上升时间的影响。分析了电压波在高阻抗负载上形成触发脉冲的过程,讨论了不同置地元件对输出... 详细信息

为获得快前沿的高电压脉冲,分析了电容放电型触发器的电路,利用简化的等效电路研究了放电回路参数和气体开关的火花通道电阻、电感对触发脉冲上升时间的影响。分析了电压波在高阻抗负载上形成触发脉冲的过程,讨论了不同置地元件对输出波形的影响。在此基础上,给出了快前沿的电容放电型触发器的基本设计原则,并完成了30与100 kV快前沿触发器的设计。结果表明,30 kV触发器输出脉冲的前沿约12 ns,高阻抗负载上的幅值可达44 kV;100 kV触发器输出脉冲的前沿约10 ns,高阻抗负载上的幅值可达170 kV。

关键词：电容快放电触发器气体火花开关快前沿电脉冲脉冲功率低电感

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借助Pspice对高频高压线路的模拟研究

核电子学与探测技术 2005年第5期25卷 570-573页

作者：高建江李泉凤郑曙昕李文君唐传祥清华大学工程物理系加速器实验室北京100084

讨论了3种传输介质传送高频高压信号的情况,借助P sp ice软件模拟了传输线在3种负载匹配情况下得到的终端电压波形。实验结果与P sp ice模拟的结果在一定误差范围内非常接近,因此借助P sp ice软件的模拟对改进实验电路具有重要的指导意义。

关键词：高频高压脉冲气体火花开关 Pspice

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兆伏级重复频率三电极气体开关工作特性研究

强激光与粒子束 2005年第6期17卷 905-908页

作者：罗敏赵殿林甘延青龚胜刚常安碧刘忠中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900

以“CHP01”加速器为实验平台,对自行研制的重复频率三电极气体开关的工作特性开展了实验研究,并对实验结果进行了分析。研究结果表明开关在自击穿工作下的工作稳定性远小于触发工作时,开关工作范围与触发针位置和气压等因素有关;开关... 详细信息

以“CHP01”加速器为实验平台,对自行研制的重复频率三电极气体开关的工作特性开展了实验研究,并对实验结果进行了分析。研究结果表明开关在自击穿工作下的工作稳定性远小于触发工作时,开关工作范围与触发针位置和气压等因素有关;开关电压选择在自击穿电压的大约80%时,开关抖动小、误触发率低,具有较好的工作特性。

关键词：三电极气体开关重复频率气体火花开关抖动