全电感隔离型重复频率Marx发生器

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1、第２１卷第４期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４２００９年４月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｐｒ．，２００９文章编号：１００１４３２２（２００９）０４０６３７０４全电感隔离型重复频率犕犪狉狓发生器张晋琪，张现福，杨周炳，徐刚，陆巍（中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳６２１９００）摘要：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、

2、紧凑。实验结果显示：发生器输出电压为５３２ｋＶ，脉冲前沿约４０ｎｓ，建立时间约３２ｎｓ；开关腔内充纯净ＳＦ６气体，可以在重复频率１～５０Ｈｚ下稳定运行。关键词：Ｍａｒｘ发生器；恒流充电；全电感隔离；结构紧凑；重复频率中图分类号：ＴＭ８３２文献标志码：Ａ［１］Ｍａｒｘ发生器是高功率脉冲技术中最常见的功率源，目前正朝着贮能密度大、结构紧凑、重复频率运行方向发展。而采用电感作为电容器间隔离元件，和传统的用充电电阻隔离的发生器相比有明显的优势：同步范围宽、波形重复性好。只要采用合理的充电方式，就可以加快充电速度和提高充电效率，实现较高重复频率运行。本文在理论分析和静电场

3、模拟的基础上设计、建造，并调试了一台输出电压５３２ｋＶ，重复频率５０Ｈｚ的Ｍａｒｘ发生器，初步研究和掌握了全电感隔离型重复频率Ｍａｒｘ发生器的关键技术。１犕犪狉狓发生器结构特点１２级全电感隔离型重复频率Ｍａｒｘ发生器主要元器件有：隔离电感、低感电容及带触发圆盘的场畸变开关。自制电感如图１所示，双层绝缘线绕制在筒性尼龙骨架表面，骨架内装有磁芯，磁芯采用棒状为１０ｍｍ×１００ｍｍ锰锌铁氧体材料。带磁芯的棒状隔离电感，不存在磁饱和现象，既可增大电感值，又能减小电感体积。本文设计得出隔离电感犔为２００。高功率脉冲技术中，要求Ｍａｒｘ电路必须是低电感的，而电容器的电感０

4、μＨ又是回路电感的主要组成部分之一，因此本文采用由２个极板组成的塑壳陶瓷介质电容器，它具有介电常数大，寄生电感小（＜２０ｎＨ），外形尺寸小（１００ｍｍ×５６ｍｍ×１２０ｍｍ）的优势。［２］实现电容串联放电的场畸变开关与低感电容呈交错条形排列，并与触发电阻、充电保护电感和隔离电感一同置于长方形金属变压器油箱内，如图２所示，除能减小Ｍａｒｘ发生器的体积，保证电绝缘可靠，不发生闪络或击穿现象，还可以屏蔽向外界辐射的电磁波，同时也避免了高电压直接对外的危险。发生器系统油箱体积为１０００ｍｍ×５００ｍｍ×４００ｍｍ，电容间及电容与开关间通过一定厚度（犱＝５ｍｍ）的黄铜板牢

5、固连接，放电回路基本呈无感排列，结构紧凑，回路电感小。Ｆｉｇ．１ＲｏｄｓｈａｐｅｄｉｎｄｕｃｔｏｒｓｗｉｔｈｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｒｅＦｉｇ．２ＬａｙｏｕｔｏｆｔｈｅＭａｒｘｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｏｉｌｔａｎｋ图１带磁芯的棒状电感图２Ｍａｒｘ发生器在变压器油箱内的结构布局收稿日期：２００８０９２７；修订日期：２００９０１１３基金项目：国家高技术发展计划项目作者简介：张晋琪（１９７９—），女，硕士，从事高功率微波技术研究；ｚｊｑ２７９９＠１６３．ｃｏｍ。６３８强激光与粒子束第２１卷２开关腔体静电场分析Ｍａｒｘ发生器中导通开关是整个系

6、统的关键性部件。本文采用带中间圆盘的场畸变开关，电极形状为半球削顶，电极头直径为３０ｍｍ，其圆滑过渡的平面直径为１４ｍｍ，间距为８ｍｍ；触发圆盘处在两电极间的对称平面上，其中心开孔直径为１８ｍｍ。为了进一步优化开关结构设计，本文通过有限元数值方法对场［３］畸变开关腔体内静电场进行了分析计算，图３为场畸变开关腔体内静电场分布，正负电极上所施电压±５０ｋＶ，当中心开孔的触发圆盘上外施触发电压为开Ｆｉｇ．３Ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｓｗｉｔｃｈｃａｖｉｔｙｗｈｉｌｅｃｈａｒｇｉｎｇ图３外施触发电压下开关腔体内静电场分布关间隙电压的６０％～

7、７０％时，开关腔内电场发生严重畸变，激化最大场强均匀分布于半球削顶圆滑过渡犃区域和相对应的触发圆盘的中心圆孔犅边缘，类似环形多通道击穿开关，可以减小开关导通时间及开关电感，以获得短的发生器建立时间和小的建立时间抖动。本文设计的场畸变开关采用固定尺寸的放电间隙，击穿电压范围用改变气体压力的方法调节。腔体内充狆＝０．１５ＭＰａ的ＳＦ６气体，从图３中可以看出，开关电极底部、绝缘壳体及ＳＦ６三种介质交界犆处场增强，分界面不影响击穿过程本身而仅影响它的边界条件（场强分布、初始电子数和电子损失）。工程条件下分界面闪络场强半［４］经验计算公式为（１０狆）犮（１）犈ｄｔｓ＝（

8、犈ｄｔ／狆）式中：犈为分