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一种陶瓷径向绝缘强流二极管耐压结构设计

强激光与粒子束 2007年第6期19卷 1019-1022页

作者：荀涛杨汉武张建德赵延宋罗铃国防科学技术大学光电科学与工程学院长沙410073

对外径230 mm的陶瓷绝缘板,依据强流真空二极管径向绝缘的设计思想,设计加工了“锥-柱”型阳极外壳,并在传输线内筒和阴极杆末端位置增加了均压罩和屏蔽环结构。利用静电场有限元程序计算了陶瓷-真空界面电场分布,通过对外壳细节结构以... 详细信息

对外径230 mm的陶瓷绝缘板,依据强流真空二极管径向绝缘的设计思想,设计加工了“锥-柱”型阳极外壳,并在传输线内筒和阴极杆末端位置增加了均压罩和屏蔽环结构。利用静电场有限元程序计算了陶瓷-真空界面电场分布,通过对外壳细节结构以及均压罩、屏蔽环形状和位置的调整,使得真空界面上沿面场强和三结合点处场强均得到了有效控制。在单线长脉冲加速器上进行了实验研究,结果显示,二极管能够耐受400 kV、脉宽大于200 ns的脉冲电压,运行稳定,达到了理论设计要求。

关键词：强流二极管陶瓷绝缘板径向绝缘长脉冲加速器

基于陶瓷-金属焊接的强流二极管绝缘结构设计

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高电压技术 2009年第2期35卷 355-358页

作者：荀涛张建德杨汉武王勇赵延宋国防科技大学光电科学与工程学院长沙410073

应用氧化铝陶瓷作为强流二极管中的绝缘体,实现金属化连接,是器件保真空的基础。为了提高强流二极管陶瓷界面的耐压强度,应用ANSYS有限元程序计算了陶瓷真空界面的电场分布,并根据沿面闪络理论和径向绝缘设计思想,结合具体封接工艺,提... 详细信息

应用氧化铝陶瓷作为强流二极管中的绝缘体,实现金属化连接,是器件保真空的基础。为了提高强流二极管陶瓷界面的耐压强度,应用ANSYS有限元程序计算了陶瓷真空界面的电场分布,并根据沿面闪络理论和径向绝缘设计思想,结合具体封接工艺,提出了一种适合小尺寸陶瓷板的套封结构。数值模拟显示,该结构在400kV外加电压下,陶瓷沿面最大场强≤70kV/cm,阴极三结合点场强二极管进行了耐压测试,所设计的绝缘结构能够稳定耐受420kV、200ns脉冲电压,与理论计算比较相符。

关键词：强流二极管径向绝缘闪络真空封接陶瓷结构设计

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百纳秒脉冲下强流二极管的工作稳定性

强激光与粒子束 2012年第10期24卷 2488-2492页

作者：来定国邱爱慈张永民黄建军任书庆杨莉西北核技术研究所西安710024

以闪光二号加速器为研究平台,实验研究了前沿80ns和34ns脉冲电压下的二极管工作稳定性,通过对比实验结果和数值模拟结果,分析了脉冲前沿对二极管启动时间、阴极发射均匀性和阻抗重复性的影响,探讨了脉冲前沿对平面阴极二极管工作状态的... 详细信息

以闪光二号加速器为研究平台,实验研究了前沿80ns和34ns脉冲电压下的二极管工作稳定性,通过对比实验结果和数值模拟结果,分析了脉冲前沿对二极管启动时间、阴极发射均匀性和阻抗重复性的影响,探讨了脉冲前沿对平面阴极二极管工作状态的影响机制。实验结果表明:脉冲前沿、二极管启动时间增加时,二极管的阻抗重复性降低;平面阴极易于在中心位置形成强区域发射,等离子体覆盖整个阴极发射面的时间随脉冲前沿增大而增加;屏蔽效应对阴极发射的影响随前沿增加而变大,进而导致阴极表面不均匀强点发射,等离子体运动速度增加,阴极有效发射面积减小,在等离子体运动速度和阴极有效发射面积共同作用下,二极管工作稳定性下降。

关键词：强流二极管电子束稳定性阻抗特性

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强流二极管绝缘结构设计与保真空

强流二极管绝缘结构设计与保真空

作者：荀涛国防科学技术大学

学位级别：硕士

真空二极管是强流电子束加速器的重要部件之一。随着高功率微波技术的发展与实际应用的需要,要求二极管体积小、耐电压高,并且具有一定的保真空时间和机械强度。本文应用陶瓷介质作为真空界面绝缘体,通过理论总结、数值模拟和实验等手段... 详细信息

真空二极管是强流电子束加速器的重要部件之一。随着高功率微波技术的发展与实际应用的需要,要求二极管体积小、耐电压高,并且具有一定的保真空时间和机械强度。本文应用陶瓷介质作为真空界面绝缘体,通过理论总结、数值模拟和实验等手段,设计了一种二极管径向绝缘结构,同时对二极管材料出气特性和陶瓷-金属封接结构进行了研究。首先,从真空沿面闪络机理及其影响因素出发,概括了径向绝缘结构设计的一般原则;然后,应用静电场数值模拟的方法,比较了锥体和平板两种形状绝缘体的沿面电场分布,确定采用平板绝缘体和锥形阳极外壳的结构;针对平板绝缘体,设计了三种降低阴极三结合点场强的方案,比较了绝缘体沿面电场和阴极三结合点场强大小;根据击穿概率分布特点,应用面积加权的方法,对沿面击穿场强进行了深入计算,结果表明,在阴极杆末端增加屏蔽环,能够满足沿面耐压要求,并使阴极三结合点场强在允许值以下。在确定绝缘方式后,结合外径小于230mm的陶瓷板,又对阳极外壳等进行了优化:将锥形外壳改为“锥-柱”形外壳,在水界面传输线内筒增加均压环。通过对外壳细节结构以及均压罩、屏蔽环形状和位置的调整,使得真空界面上沿面和三结合点处场强均得到了有效控制。模拟结果显示:绝缘体沿面电场分布均匀,电场线与绝缘体所成角度基本保持在45o,阴极三结合点场强为23kV/cm。安全系数为1.5时估算二极管理论耐压水平为400kV、200ns。在水介质单线(螺旋线)长脉冲加速器上对上述二极管进行了耐压实验研究。结果显示,二极管能够耐受420kV、脉宽大于200ns的脉冲电压,工作稳定,达到理论设计指标。在二极管保真空方面,本文针对上述二极管,建立了抽气模型,讨论了管道流导对有效抽速的影响,模拟计算了真空室主要材料出气率和抽气曲线;通过抽气实验,研究了常温和烘烤状态下二极管材料的出气特性。实验结果显示,烘烤对于加快材料出气、减小抽气时间具有明显效果;同时,结合常温下的抽气实验数据,对二极管保真空时间进行了大致估算。最后,针对二极管陶瓷-金属封接中特有的工艺结构,讨论了其细节结构对绝缘设计的影响。考虑到二极管的机械强度,对陶瓷封接进行了结构静力分析;通过模态计算,得到了陶瓷固有频率和自振周期、振型等,这对开展电水锤研究具有一定的实际意义。

关键词：强流二极管陶瓷径向绝缘材料出气

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大半径高阻抗强流二极管研究

大半径高阻抗强流二极管研究

作者：陈英豪国防科技大学

学位级别：硕士

为满足O型高功率微波（High Power Microwave,HPM）器件高频率、高功率、高效率、小型化的应用需求,针对O型过模HPM器件使用的大半径环形二极管在提高阻抗时所带来的尺寸较大、阴极发射电场较低等问题,本文提出了一种大半径高阻抗强流... 详细信息

为满足O型高功率微波（High Power Microwave,HPM）器件高频率、高功率、高效率、小型化的应用需求,针对O型过模HPM器件使用的大半径环形二极管在提高阻抗时所带来的尺寸较大、阴极发射电场较低等问题,本文提出了一种大半径高阻抗强流二极管,利用梯度磁场导引电子束改变其中心半径,实现强流二极管工作在高阻抗状态的同时,并具有结构紧凑的特点。论文主要研究内容和结果如下:1.研究了强流电子束在梯度磁场中的传输问题,根据电子束传输方程得出了电子束波动以及电子束径向速度波动的规律,并采用粒子模拟方法得到了验证;当二极管和漂移管中分别存在逐渐减小的梯度磁场时,对电子束波动以及电子束径向速度波动的变化规律进行了分析和粒子模拟。结果表明:应尽可能避免二极管中存在逐渐减少的梯度磁场,该磁场会增加电子束的波动和电子束径向速度的波动,而漂移管中存在逐渐减少的梯度磁场时,在一定情况下有利于减小电子束的波动,实际设计中需要结合电子束进入到漂移管时的初始状态进行分析。2.对三种不同阻抗和漂移管中心半径的大半径高阻抗二极管进行了设计。相比于相同参数下的传统二极管,在不考虑导引磁场尺寸的条件下,径向尺寸和轴向尺寸均缩短达30%以上,大半径高阻抗二极管的结构更为紧凑;且大半径高阻抗二极管阴极轴向发射电场与同阻抗传统二极管的阴极轴向发射电场相比,均提高了25%以上,有利于电子束均匀发射。大半径高阻抗二极管的工作半径越大、阻抗越高,对二极管尺寸的缩小、阴极发射电场的提高越有利,尤其是工作半径的增大,对二极管性能的提升更高。3.研究了磁场位型、电参数和其他因素对电子束传输特性的影响。结果表明:导引梯度磁场对电子束的传输是极为重要的,电子束半径改变速度越慢,其径向动量波动会越小;导引梯度磁场相对二极管的位置直接影响了电子束进入漂移管时的初始状态,在设计时,这个位置是十分重要的。在磁场位型不变的条件下,越高的二极管电压越有利于减小电子束的径向振荡,内导体的引入有利于稳定电子束传输;当漂移管中均匀磁场强度足够时,电流的小幅度变化不会对电子束造成较大影响且电子束偏心对电子束的传输影响较小;如果对电子束半径变化过程时内导体进行锥面处理时,应尽可能保证锥面高与电子束贴合。4.设计了使用大半径高阻抗二极管的Ku波段三轴相对论速调管放大器（TKA）,在二极管电压680 k V,阻抗77Ω,注入微波信号30 k W、14.25GHz,导引梯度磁场参数为:B=0.94 T,z=9.2 cm,α=1 cm,B=0.6 T的条件下,输出微波功率为1.4 GW,效率为23%;与使用传统二极管的Ku波段TKA相比,在相同的二极管电压、阻抗和注入微波信号条件下,均匀磁场强度为0.6 T时,两种TKA输出微波特性相同,验证了大半径高阻抗二极管的可行性。5.对梯度磁场进行了设计,通过引入永磁体阴极和调节结构,达到增大轴向均匀区和缩小线圈尺寸的目的,电子束传输路径的轴向长度不小于450 mm,漂移管中均匀磁场的强度为0.6 T,通过联合仿真验证了电子束可在该梯度磁场下实现变径过程并稳定传输。与相同情况下的传统均匀磁场相比,大半径高阻抗二极管及其梯度磁场的尺寸比传统二极管及其磁场的尺寸仍要小约10 mm。对大半径高阻抗二极管和传统二极管的磁能消耗进行了定量计算,相较于传统二极管,大半径高阻抗二极管的磁能消耗减少了10%以上,且二极管的工作半径越大,减少的磁能消耗越多。

关键词：高功率微波强流二极管梯度磁场强流相对论电子束电子束动量

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强流二极管阳极靶温度和热形变模拟

强激光与粒子束 2022年第7期34卷 99-105页

作者：胡杨蔡丹孙江张金海杨海亮孙剑锋尹佳辉呼义翔西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室西安710024

以电子束在靶中的能量沉积剖面为桥梁,建立了二极管阳极靶温度和热形变模拟方法。该方法可获知二极管不同工作状态下靶的温度分布和热形变情况,为靶热-力学损伤研究提供基础数据,为二极管构型设计和寿命提升提供技术支撑。将该方法应用... 详细信息

以电子束在靶中的能量沉积剖面为桥梁,建立了二极管阳极靶温度和热形变模拟方法。该方法可获知二极管不同工作状态下靶的温度分布和热形变情况,为靶热-力学损伤研究提供基础数据,为二极管构型设计和寿命提升提供技术支撑。将该方法应用于“强光一号”短γ二极管,计算结果显示:当阳极离子密度大于10^(14) cm^(−3)时(强箍缩),靶表面温度最高可达5500~6000℃,热形变量达约4.5 mm;无离子流时(弱箍缩),温度处在4500℃左右,形变为2.8~3.5 mm。

关键词：强流二极管阳极靶温度热形变模拟

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强流真空二极管材料放气特性研究

国防科技大学学报 2009年第5期31卷 141-144页

作者：荀涛杨汉武张建德王勇国防科技大学光电科学与工程学院湖南长沙410073

高功率微波技术的实用化进程要求强流真空二极管缩短抽气准备时间并保持较高的真空度水平。材料出气是高真空状态下二极管腔体内的主要气源,直接制约着抽气和保真空时间。针对一种陶瓷真空界面、黄铜和硬铝为阴极和阳极外壳的氟橡胶压... 详细信息

高功率微波技术的实用化进程要求强流真空二极管缩短抽气准备时间并保持较高的真空度水平。材料出气是高真空状态下二极管腔体内的主要气源,直接制约着抽气和保真空时间。针对一种陶瓷真空界面、黄铜和硬铝为阴极和阳极外壳的氟橡胶压封二极管,利用真空设计软件VacTran建立了抽气模型,模拟了管道流导对有效抽速的影响以及真空室主要材料出气率和抽气曲线;实际比较了常温和烘烤状态下二极管材料的出气特性:以60h作为总的出气时间,200℃烘烤8h的出气量超过了总出气量的65%;真空室气压在没有吸气泵作用下维持10-2Pa水平的时间相比未烘烤时提高了约1.5倍。烘烤对缩短加速器真空系统准备时间、提高器件真空度水平具有明显效果。

关键词：强流二极管陶瓷材料放气烘烤保真空

Pspice子模块在脉冲功率装置电路模拟中的应用

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强激光与粒子束 2012年第3期24卷 689-692页

作者：来定国谢霖燊西北核技术研究所西安710024

介绍了Pspice子模块的建立方法;根据气体开关和强流二极管的工作原理,建立了能够较为准确描述这些部件工作过程的子模块;模拟了"闪光二号"加速器二极管正常工作和短路状态下的电压电流输出结果,二极管电压电流和阻抗模拟结果与实验结果... 详细信息

介绍了Pspice子模块的建立方法;根据气体开关和强流二极管的工作原理,建立了能够较为准确描述这些部件工作过程的子模块;模拟了"闪光二号"加速器二极管正常工作和短路状态下的电压电流输出结果,二极管电压电流和阻抗模拟结果与实验结果基本一致。建模方法和参数控制方法可以用于阻抗非线性、工作过程复杂、随机性较大的部件的电路模拟,有利于使用大规模相同部件电路的参数控制。

关键词：子模块电路模拟强流二极管自击穿开关

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陡化前沿Marx发生器的阻抗特性

强激光与粒子束 2008年第12期20卷 2105-2108页

作者：高景明刘永贵荀涛刘金亮杨建华国防科学技术大学光电科学与工程学院长沙410073

利用50 kV无感电容器与固体电阻制作了10级陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。使用不同阻值的水电阻负载研究了发生器的阻抗特性,并进一步制作了金属膜电阻负载进行实验,测定90Ω负载可以使发生器处于临界... 详细信息

利用50 kV无感电容器与固体电阻制作了10级陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。使用不同阻值的水电阻负载研究了发生器的阻抗特性,并进一步制作了金属膜电阻负载进行实验,测定90Ω负载可以使发生器处于临界阻尼放电状态,从而确定发生器的内部阻抗约为45Ω。当充电电压为40 kV时,在金属膜电阻负载上得到了幅值约为210 kV,脉宽约为40 ns,前沿约为5 ns的快前沿高压脉冲。利用此发生器成功地驱动了强流二极管,当二极管阴阳极间距为15 mm时,在30 kV充电情况下,其输出电压约为154 kV,束流约为1 kA。

关键词：脉冲功率源陡化前沿 Marx发生器阻抗特性强流二极管