模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明：此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明：电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。     

低阻抗紧凑型Marx直接驱动高功率微波源北大核心CSCD

研制了一套紧凑型脉冲功率源系统,用于驱动低阻抗磁绝缘线振荡器(MILO)。脉冲功率源采用Marx发生器技术路线,由10级电容和开关组成,单级电容为100nF/100kV电容,开关采用环形轨道气体火花间隙开关,通过紧凑型结构设计,降低系统回路电感,采用电阻作为级间放电的隔离元件,整个Marx发生器系统放置于变压器绝缘油中,以实现高压绝缘。Marx发生器系统充电电压为±50kV,总储能5kJ,在12Ω的水负载上可以获得600kV,50kA的脉冲输出,脉冲上升时间小于100ns。系统尺寸为1.2m×0.5m×0.6m。基于该低阻抗脉冲功率系统,直接驱动低阻抗磁绝缘线振荡器。在二极管电压约450kV,电流约40kA条件下,测得辐射微波功率约400MW,微波脉宽约60ns,微波频率1.23GHz,辐射微波模式为TM01模。     

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

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功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;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,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW,峰值功率密度大于150 GW/m³,实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50 ns以下,脉宽约130 ns。     

1 MV低阻抗加速器主开关优化设计

介绍了一种1 MV低阻抗加速器的结构及其对主开关系统的要求,并对确定使用的油介质开关进行了优化设计与模拟。优化后的结果显示,开关工作在1 MV时,放电电感约100 nH,分布电容约150 pF,充电电感约360 nH;开关的放电参数不会对波形造成过大的不良影响,充电参数不影响Marx发生器给形成线的充电时间,开关内部电场安全,变压器油与尼龙交界面不会发生闪络。设计后的开关与其它部件搭建起低阻抗加速器进行调试,加速器输出约700 kV,70 kA、脉宽150 ns的电子束,开关满足实验需求。     

1MV低阻抗加速器主开关优化设计

介绍了一种1 MV低阻抗加速器的结构及其对主开关系统的要求,并对确定使用的油介质开关进行了优化设计与模拟。优化后的结果显示,开关工作在1 MV时,放电电感约100 nH,分布电容约150 pF,充电电感约360 nH;开关的放电参数不会对波形造成过大的不良影响,充电参数不影响Marx发生器给形成线的充电时间,开关内部电场安全,变压器油与尼龙交界面不会发生闪络。设计后的开关与其它部件搭建起低阻抗加速器进行调试,加速器输出约700 kV,70 kA、脉宽150 ns的电子束,开关满足实验需求。     

14级紧凑型重复频率Marx发生器研制

Marx发生器作为高功率微波辐射系统的驱动源,较易实现高输出峰值电压、结构紧凑、体积小,在系统小型化研究方面占据优势。介绍了紧凑型重复频率Marx发生器的结构特点,通过理论分析和实验研究,研制1台14级重复频率Marx发生器。采用正负双边恒流充电及全电感隔离,减小了能量损失,提高了Marx发生器工作重复频率。采用火花间隙开关和Marx绝缘一体设计,省略电容充电对地回路,使整个系统结构更加紧凑、简便,整个Marx发生器被放置在一个密封的金属圆筒内,圆筒内充SF6气体进行高压绝缘。通过调试,Marx发生器实现稳定、重复频率工作,充0.16 MPa的SF6时,输出电压约为475 kV,脉冲前沿约为20 ns,可以在重复频率1~20 Hz下稳定运行。     

低阻抗大面积二极管的研制

采用高纯石墨环状阴极和有机玻璃绝缘子,研制了一套低阻抗大面积二极管系统。使用理论计算和数值模拟方法对二极管进行优化设计,在保证绝缘要求的同时,尽量优化二极管轴向长度和内外筒距离以减小二极管的回路电感。实验结果表明,优化后的二极管能在200 kV左右的电压上稳定工作,绝缘结构未发生击穿现象;实验中最高输出电压为213 kV,电流为221 kA,特性阻抗约为1 ,电流密度为8 kA/cm2,脉宽(FWHM)为50 ns。     

低阻抗大面积二极管的研制

采用高纯石墨环状阴极和有机玻璃绝缘子,研制了一套低阻抗大面积二极管系统。使用理论计算和数值模拟方法对二极管进行优化设计,在保证绝缘要求的同时,尽量优化二极管轴向长度和内外筒距离以减小二极管的回路电感。实验结果表明,优化后的二极管能在200 kV左右的电压上稳定工作,绝缘结构未发生击穿现象;实验中最高输出电压为213 kV,电流为221 kA,特性阻抗约为1 ,电流密度为8 kA/cm2,脉宽(FWHM)为50 ns。     

1 MV紧凑型重频Marx发生器绝缘设计和数值分析

通过分析六氟化硫气体在静态高电压和脉冲高电压作用下的绝缘特性对Marx模块式开关结构和外筒尺寸进行了优化设计,着重优化设计了Marx发生器中的两个关键绝缘部位——开关腔体结构和外金属筒与顶部电容绝缘距离,并通过数值模拟计算,分析了该区域的局部3维电场强度分布。结果表明:最大场强均小于六氟化硫的沿面闪络和电击穿场强阈值。对模块式开关腔和外筒尺寸进行优化得到的绝缘结构满足0.3 MPa下六氟化硫的绝缘要求。     

1 MV紧凑型重频Marx发生器绝缘设计和数值分析

 通过分析六氟化硫气体在静态高电压和脉冲高电压作用下的绝缘特性对Marx模块式开关结构和外筒尺寸进行了优化设计,着重优化设计了Marx发生器中的两个关键绝缘部位——开关腔体结构和外金属筒与顶部电容绝缘距离,并通过数值模拟计算,分析了该区域的局部3维电场强度分布。结果表明:最大场强均小于六氟化硫的沿面闪络和电击穿场强阈值。对模块式开关腔和外筒尺寸进行优化得到的绝缘结构满足0.3 MPa下六氟化硫的绝缘要求。     

全电感隔离型重复频率Marx发生器

 介绍了发生器的结构特点,采用有限元数值方法对开关腔体内静电场进行了3维模拟计算,通过理论分析和实验研究,研制了1台12级重复频率Marx发生器,该发生器采用正负双边恒流充电方式及全电感隔离,其主要元器件间基本呈无感排列,结构简单、紧凑。实验结果显示：发生器输出电压为532 kV,脉冲前沿约40 ns,建立时间约32 ns;开关腔内充纯净SF6气体,可以在重复频率1~50 Hz下稳定运行。     

全电感隔离型重复频率Marx发生器

介绍了发生器的结构特点,采用有限元数值方法对开关腔体内静电场进行了3维模拟计算,通过理论分析和实验研究,研制了1台12级重复频率Marx发生器,该发生器采用正负双边恒流充电方式及全电感隔离,其主要元器件间基本呈无感排列,结构简单、紧凑。实验结果显示：发生器输出电压为532 kV,脉冲前沿约40 ns,建立时间约32 ns;开关腔内充纯净SF6气体,可以在重复频率1~50 Hz下稳定运行。     

百千伏紧凑型Marx发生器的研制

研制了一种百千伏紧凑型Marx发生器,介绍了紧凑型Marx发生器的工作原理和设计原则。依据设计原则采取单边充电,陶瓷电容作为储能元件,开关和绝缘腔体一体化设计,功能模块化等措施使得Marx发生器结构紧凑。该发生器前级部分集成了触发、充电和气路控制模块,只需提供气源和市电即可实现可靠工作;该发生器输出电压范围为15~100 kV,通过不同的负载转接结构已用于高压触发装置和电磁脉冲模拟装置脉冲源等应用。     

快前沿mini-Marx发生器研制

介绍了mini-Marx发生器的工作原理,总结了快mini-Marx发生器的设计原则。设计了一台10级单极性同轴结构的mini-Marx发生器。设计上将火花开关排成一排,借用前级开关强烈的紫外光以预电离下一级火花开关从而达到可靠运行,利用开关与屏蔽外筒间的结构电容来锐化高压脉冲的输出,同时采用紧凑性、低电感设计来获得快前沿的输出。发生器储能70 J,在70 Ω负载上获得了前沿6 ns、脉宽40 ns、幅度210 kV的高压脉冲。实验结果表明设计合理可行,达到了脉冲功率系统的小型化设计、获得了快前沿高幅度的高压脉冲。很好地满足了脉冲功率系统对快前沿高压脉冲的需求。用它直接驱动闪光X射线二极管,在距光源25 cm处获得了剂量大于7.7×10-6 C/kg的闪光X射线。     

紧凑型X箍缩脉冲功率发生器

为研究丝阵负载对X箍缩的影响,设计了一台紧凑型脉冲功率发生器。介绍了该脉冲功率发生器的设计及初步实验。根据装置的结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载内筒,构成回路测量负载电流的探头。结果表明:在对Marx电容器充电60 kV时,输出电流峰值117 kA,脉宽 60 ns,上升沿22 ns,该装置已经成功箍缩出X射线。     

紧凑型X箍缩脉冲功率发生器

为研究丝阵负载对X箍缩的影响,设计了一台紧凑型脉冲功率发生器。介绍了该脉冲功率发生器的设计及初步实验。根据装置的结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载内筒,构成回路测量负载电流的探头。结果表明:在对Marx电容器充电60 kV时,输出电流峰值117 kA,脉宽 60 ns,上升沿22 ns,该装置已经成功箍缩出X射线。     

基于Marx和磁开关的方波脉冲电源的研制

设计了一种全固态高压重频方波脉冲发生器,主要由Marx发生器、脉冲形成线和磁开关构成。Marx发生器通过电感对脉冲形成线进行充电,将其充电至所需电压水平;当脉冲形成线充电至峰值电压时,磁开关饱和;脉冲形成线通过饱和的磁开关对匹配负载进行放电,在负载上形成一个高压方波脉冲。串入电感与磁开关相互匹配,不仅直接影响放电过程,同时也决定着磁开关需承受的伏秒数和负载上的预脉冲大小。介绍了Marx发生器和磁开关的设计,在单次和5 kHz重复频率下分别进行实验。在50 的匹配电阻负载上,获得电压幅值为12.5 kV、电流幅值为250 A、上升时间为46 ns、脉宽为220 ns的方波脉冲。对放电过程进行了PSPICE仿真模拟,仿真结果与实验结果匹配良好。     

快前沿mini-Marx发生器研制

 介绍了mini-Marx发生器的工作原理,总结了快mini-Marx发生器的设计原则。设计了一台10级单极性同轴结构的mini-Marx发生器。设计上将火花开关排成一排,借用前级开关强烈的紫外光以预电离下一级火花开关从而达到可靠运行,利用开关与屏蔽外筒间的结构电容来锐化高压脉冲的输出,同时采用紧凑性、低电感设计来获得快前沿的输出。发生器储能70 J,在70 Ω负载上获得了前沿6 ns、脉宽40 ns、幅度210 kV的高压脉冲。实验结果表明设计合理可行,达到了脉冲功率系统的小型化设计、获得了快前沿高幅度的高压脉冲。很好地满足了脉冲功率系统对快前沿高压脉冲的需求。用它直接驱动闪光X射线二极管,在距光源25 cm处获得了剂量大于7.7×10^-6 C/kg的闪光X射线。