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1、第11卷 第4期强激光与粒子束Vol.11,No.41999年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,1999文章编号:1001-4322(1999)04-0470-03X一种重复频率的高功率脉冲发生器张嘉生(西北核技术研究所,西安市69号信箱13分箱,710024) 摘 要:介绍了一种由Tesla变压器和同轴脉冲形成线组成的高功率、高重复频率的脉冲发生器,其特点是结构紧凑,容易实现小型化。简述了该发生器的结构,论述了基本原理和特性,分析了应用前景。 关键词:高功率;重复频率;Tesla变压器
2、中图分类号:TM863;TL503.5文献标识码:A 几十年来,脉冲功率技术作为高功率粒子束和高功率电磁脉冲辐射的支撑技术之一,不仅在科学技术研究领域获得了广泛应用,而且在环境保护、辐照加工、食品保鲜等国民经济建设中也正在逐步得到应用。高重复频率、高可靠性、长寿命、小型化等技术是脉冲功率装置走向实用化的关键所在,特别是高重复频率和小型化技术已经成为近几年脉冲功率技术研究的热点。八十年代发展起来的高重复频率、高功率脉冲发生器,将Tesla变压器与同轴脉冲形成线巧妙地结合在一起,不仅实现了高电压、高重复频率的输出,而且较传统的、同等储能
3、的Marx发生器的体积大大缩小。七十年代,前苏联开始研制这种Tesla变压器与脉冲形成线相结合的脉冲功率源,八十年代将其应用于加速器上,使加速器的体积大大缩小,特别是与气体火花隙开关相结合,使加速器实现了重复频率运行,加速了其实用化的进程。其中以托木斯克大电流所和叶卡捷琳堡电物理所利用这种脉冲功率源研制的SINUS系列加速器和RADAN系列加速器最具有代表性。这种高功率脉冲发生器已被用于重复频率的电子束加速器和超宽带高功率微波辐射器中,输出脉冲宽度从几个纳秒到几十纳秒,输出电压可达几兆伏,电流几十千安,重复频率取决于形成线的充电时间和
4、充电回路的开关或可控硅通断特性,目前已经接近kHz。1 结 构Fig.1Structureofgenerator图1 发生器结构示意图X国防科技基础研究基金资助课题1998年12月28日收到原稿,1999年5月4日收到修改稿。张嘉生,男,1961年7月出生,副研©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第4期张嘉生等:一种重复频率的高功率脉冲发生器471 这种以Tesla变压器为基础的高功率脉冲发生器的结构如图1所示。它将Tesla变压器置于脉冲形成
5、线的内外筒之间,初级线圈为一个单匝的环,次级线圈被绕制在锥形绝缘筒上,形成线内外筒的耦合电容作为Tesla变压器的次级振荡回路的电容,内外筒的绝缘介质同时也是变压器的绝缘介质,这一巧妙的组合,既节约了绝缘子,又使电源的体积大大缩小。Fig.2Equivalentcircuit图2 等效回路2 回路分析 图1的等效回路如图2所示,C1、C2分别为初级回路的充电电容和脉冲形成线的电容;’’L1、L2分别为初级线圈和次级线圈的电感;M为互感;L1、L2分别为初级回路和次级回路的杂散电感;R1、R2分别为初级回路和次级回路的电阻。假设在t=
6、0时刻,C1已充电至U0,此时撤去外源,开关K闭合,则回路的初始条件为i0(0)=0,uc1(0)=U0,i2(0)=0,uc2(0)=0(1)2121R1对图2回路方程取拉氏变换,并引入参数:X1=’,X2=’,’=(L1+L1)C1(L2+L2)C2L1+L12’X1R2X22M2L2+L2,’=,k=’’,n=’。其中X1、X2分别为初级回路和次Q1L2+L2Q2(L1+L1)(L2+L2)L1+L1级回路的固有谐振频率;Q1、Q2为品质因数;k为Tesla变压器的有效耦合系数;n为有效变压系数。可以求得22U0ksI2=222
7、242(2)M[(s+X1söQ1+X1)(s+X2söQ2+X2)-sk]假设初级回路和次级回路的固有谐振频率相等,即X0=X1=X2,并认为1öQ1和1öQ2n1,则(2)式经拉氏逆变换得U0C211i2=(sinX11t-sinX12t)(3)’1-k1+k2L1+L11uc=-U0n(cosX11t-cosX12t)(4)22其中X11=X0ö1-k;X12=X0ö1+k。可以看出当(X11+X12)tö2=(Pö2+lP)、(X11-’’X12)tö2=(Pö2+mP)时,uc=nU0,其中l、m为整数;当(L1+L1)n(
8、L2+L2)时,就实现2了升压的目的。Tesla变压器的能量传输效率:©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.472强激光与粒子束第1
