磁芯材料脉冲间叠加复位研究

 介绍了通过反向叠加长脉冲的方法，在双脉冲间隔小于1 μs的情况下对直线感应加速器磁芯进行的脉冲间复位实验，复位后波形幅度得到了明显改善，在最大伏秒值280 kV×100 ns的单脉冲感应腔上得到了两个伏秒值为200 kV×100 ns的感应脉冲。实验表明：当主脉冲脉宽小于100 ns，间隔大于500 ns时，采用脉冲间叠加复位的方法,将主脉冲叠加在一个反向的长脉冲上（脉宽大于10 μs，最大幅度约为主脉冲的20%）形成正负脉冲串，能有效提高感应加速腔磁芯的利用率，且对感应主脉冲没有明显影响，使单脉冲直线感应加速器的多脉冲改造成为可能。     

低剩磁磁芯自复位能力研究

 在MHz重复频率的高压多脉冲下,如何在脉冲间隔对磁芯进行快复位是高压多脉冲感应加速腔研制的关键问题。对低剩磁磁芯在脉冲励磁后磁通量密度的自恢复能力及其影响因素进行了实验研究和理论分析,证实了利用低剩磁磁芯的自恢复能力来实现在高压多脉冲下重复利用磁芯伏秒值的可能。实验证明：在选用合适的材料及工作电路后,磁芯在脉冲励磁后自复位到剩磁处的时间可小于500 ns,可稳定地工作在MHz重复频率的高压多脉冲环境下。     

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。     

低压重频感应加速组元参数分析

针对脉冲源+传输线+感应腔和储能电容+固态开关+感应腔两种常见的脉冲感应组元结构,对相同感应腔的腔压波形进行了实验对比和理论分析,推导出了不同组元结构下感应腔中磁芯回路电感量、匹配电阻阻值和感应脉冲幅度间的关系表达式,分析对比了两种组元结构下感应腔电感量和电阻值变化对腔压平顶影响的程度和差异,为低压重频脉冲感应加速组元的参数选择和优化提出建议和判据。     

“神龙二号”直线感应加速器加速腔电路模拟

针对神龙二号直线感应加速器所采用的非晶磁芯感应加速腔，建立了能够兼顾结构参数和磁芯性能的加速腔电路模型。对与加速腔结构相关的各集总电容参数进行了计算，并通过模拟波形与实验电压电流波形的对比，确定了加速腔磁芯模块的参数设定，实现了对非晶磁芯感应加速腔脉冲励磁过程较为准确的模拟。通过电路模拟，可以得到脉冲励磁时加速腔各部分的电压电流分布，为加速腔的结构优化和故障原因分析提供了有效的手段。     

多脉冲励磁下铁氧体及非晶磁环的磁特性

感应脉冲加速器的磁芯通常为铁氧体或非晶材料,而感应腔磁芯在工作脉冲下的磁性能是决定感应加速脉冲波形好坏的重要因素。搭建了低压多脉冲实验平台对铁氧体和非晶小磁环分别进行MHz重复频率的多脉冲励磁,对励磁线圈上的电压电流波形进行监测,绘制了多脉冲励磁下磁环的磁化曲线,并结合含磁芯线圈动态电感量的递推公式计算出磁环在多脉冲励磁过程中磁导率的变化曲线;在高压三脉冲实验平台上对铁氧体磁芯和非晶磁芯实验感应腔进行了高压三脉冲实验,得到的磁芯多脉冲磁化规律与低压实验的结果一致。最后对两种磁环在多脉冲励磁下的磁性能差异进行了对比分析。     

层叠Blumlein纳秒脉冲形成线设计与实验

研究了一种结构紧凑型的多级层叠Blumlein纳秒脉冲形成线,从理论上分析了放电时回路各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出电压的影响,并利用PSpice模拟验证了各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出结果的影响,发现开关的导通电阻是制约输出电压幅值的主要因素,开关的分布电感对输出波形的影响大于负载分布电感的影响,基于时域有限差分法原理,利用XFDTD软件模拟了两级层叠Blumlein线的电磁耦合效应。开展了多级层叠Blumlein脉冲形成线实验,结果表明,基于陶瓷固态传输线和GaAs光导开关的层叠Blumlein脉冲形成线能够实现输出电压叠加,可用于产生ns量级脉宽的脉冲高压。     

三脉冲功率系统模块

采用基于并联Blumlein脉冲形成线的MHz重复频率脉冲功率技术和基于激光触发气体开关的多级触发系统,设计了脉冲功率系统模块,该模块具备6路输出能力,每路均可以MHz重复频率猝发方式输出三脉冲,幅度可达300 kV。对模块中的Blumlein装置、脉冲汇流、隔离网络、触发系统等部件参数进行了设计。以多脉冲直线感应加速器感应腔作为负载,对该模块的性能进行了分析,结果表明:模块中每个脉冲的输出时间抖动小于2.3 ns（标准差）,脉冲间最小时间间隔大于500 ns时可在负载上获得高品质波形。     

双脉冲电子束源实验

2MeV直线感应加速器注入器系统由电子束产生器和脉冲功率系统组成。电子束产生器包括由感应腔组成的阴极电压叠加器、阳极电压叠加器和真空二极管及束输运系统。脉冲功率系统则包含初级功率源Marx、次级功率源Blumlein线和触发系统，其作用是为感应腔提供一个具有数十纳秒平顶宽度的高压脉冲，激发感应腔在感应腔间隙上获得一个加速电场。在2MeV注入器功率系统中，4个Blumlein线的充气开关是由发散装置的输出触发信号进行导通控制的。通过控制发散输出触发信号到达Blumlein线开关的时间，即可以实现Blumlein线开关在不同时间内触发导通，使Blumlein线依据所设定的时间顺序输出激励脉冲，从而在真空二极管上获得高压脉冲串。由于功率系统采用的是182C结构，即一根Blumlein线驱动两个感应腔，因此最多可以实现四脉冲串列。     

直线感应加速器组元的双脉冲改造

 对用于单脉冲直线感应加速器的加速组元进行了双脉冲改造的初步尝试：利用传输线延时获得了双脉冲馈入；用铁氧体作为磁芯材料，在感应腔上得到了双脉冲腔压波形。结果表明，现有组元功率系统经过简单的改造，可以获得两个甚至多个脉冲输出；在伏秒值允许的范围内，铁氧体磁芯的感应腔可以感应出双脉冲波形。为以后多脉冲直线感应加速器的改造和设计提供了一个方向，也提出了一些有待解决的问题。     

具有螺旋内筒和螺旋外筒的Blumlein线

提出了具有螺旋内筒和外筒的同轴Blumlein线的结构。采用横电磁波传输理论分析脉冲形成过程,该结构具有传统Blumlein线内外线独立传输的典型特征,给出了特征阻抗、慢波系数等参数的表达式;原理实验输出脉冲顶部平坦,顶宽占半宽的80%,输出辐值和半脉宽与理论计算基本一致,验证了该结构产生长脉冲的可行性;指出了该结构容易受周围环境导体的影响,外部环境导体距离越远对脉冲输出的影响越小,在螺旋外筒底部与接地导体平板之间填充铁氧体磁芯,可把两者距离从500mm缩减至100mm。     

层叠Blumlein线产生电压波的解析解

采用Laplace变换的方法求解了无损耗情况下层叠Blumlein线输出电压的解析表达式。从传输线两端口网络模型出发,分别求出了负载端短路和开路时传输线特征阻抗的频域表达式。简化了单Blumlein线电路结构,并求出了其输出电压的解析表达式。在此基础上,结合电路叠加原理,求解出了典型的2级层叠Blumlein线输出电压的时域解析表达式。采用递推法,推广得到任意级数情况下的输出电压波解析解。     

Blumlein双极脉冲形成线

 为了提高超宽带系统的辐射因子,对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究,介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论,通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线,在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究,分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,Blumlein双极脉冲形成线可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍,辐射因子为4.54 MV。     

螺旋Blumlein脉冲形成线的放电分析

 利用拉普拉斯方法严格求解双电报方程,得到了内外线传输时间不相同的螺旋Blumlein脉冲形成线在纯电阻负载上输出电压波形的解析表达式,分析并讨论了螺旋Blumlein脉冲形成线内线传输时间等于外线、小于外线和大于外线等3种情况下输出电压的特点,同时与波过程分析方法进行了比较,结果完全一致。研究结果表明,对于内外线非等传输时间的螺旋Blumlein脉冲形成线,与传统Blumlein脉冲形成线相比,具有其显著的特点。     

径向馈入和轴向馈入对感应加速腔性能的影响

 感应加速腔有径向馈入和轴向馈入两种常用的脉冲功率馈入方式。在理论上分析了不同功率馈入方式对感应加速腔输出电压平顶的影响，并对分析结果进行实验论证。实验采用1B2C结构，用相同的脉冲功率源馈入径向腔和轴向腔，测量此两种加速腔的电压波形。测得轴向腔±1％电压平顶时间为61 ns，径向腔±1％电压平顶时间为62 ns，两种腔都可满足±1%电压平顶大于60 ns的要求。此外对不同功率馈入方式导致的横向阻抗的变化进行了数值模拟，分别计算了采用这两种馈入方式的加速腔模型的横向阻抗，发现轴向加速腔的横向阻抗较小。     

四级传输线脉冲变压器研制

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5.41 mH,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150 ns,幅值10 kV,上升前沿20ns,输出脉冲宽度150 ns,幅值约40 kV,上升前沿约20 ns,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。     

利用脉冲循环产生高压多脉冲

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400 kV高压电缆组成封闭回路,进行了高压实验研究,在高阻约1 kΩ负载上得到了大于200kV的多个脉冲输出,脉冲宽度120 ns、间隔不超过400 ns。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。     

猝发双脉冲直线感应加速器组元研究

 在原单脉冲直线感应加速器（LIA）组元的基础上，利用电缆延时和电缆反射两种方式获得了间隔500～1 000 ns的猝发双脉冲输出。在感应加速腔上进行了双脉冲实验，获得了幅度大于200 kV、前沿小于35 ns、平顶大于60 ns的双脉冲加速电压波形。两种方式中第一个脉冲的前沿和幅度都达到了原单脉冲组元的水平，表明加速腔负载的变化对波形没有明显影响，但由于电缆对波形的损耗，第二个脉冲的幅度和前沿比第一个脉冲略差。可以利用水介质传输线来代替长电缆，减小传输线的长度及其对波形的损耗。两个脉冲间的幅度差异可以通过改变长电缆的阻抗来调节。实验表明，通过这两种猝发双脉冲的产生方式并结合加速腔磁芯的改进，可简单高效地完成原单脉冲LIA的双脉冲改造。     

单开关调制的PFN型层叠Blumlein线发生器

采用平板线加载的陶瓷电容型脉冲形成网络（PFN）构成了单开关调制的层叠Blumlein线发生器。采用传输线理论对短路寄生传输线的短路特性进行了理论分析,结果表明,短路寄生传输线的阻抗可以等效为耦合电感在主传输线的放电频率下产生的感抗。Pspice软件模拟表明,层叠线Blumlein线的电压叠加效率随耦合电感增加而增加。提出了一种磁环增感方法,在4级层叠Blumlein线上实现了3.1倍的脉冲电压叠加。