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《紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源_王庆峰》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第21卷第6期强激光与粒子束Vol.21,No.62009年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun.,2009文章编号:1001-4322(2009)06-0956-05①紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源王庆峰,高国强,张政权,刘庆想,胡克松(西南交通大学理学院,成都610031)摘要:讨论了一种低阻抗、高储能密度、可输出中等高压的百ns脉冲形成技术,其输出波形质量较好;采用磁感应电压叠加技术将该脉冲形成装置输出的中等高压脉冲叠加到应用需求的高电压高功率脉冲。研究表明单个感应模块可在2.8Ψ的负载上获得脉冲宽度为220ns,前沿为50ns的中
2、等高压脉冲。关键词:高功率纳秒脉冲源;Marx发生器;脉冲形成线;脉冲形成网络;Tesla变压器;直线变压器驱动源;高功率开关中图分类号:TN501文献标志码:A[1]随着强流束脉冲功率源研究及应用的发展,对可重复运行的强流束脉冲功率源的需求越来越明显。目前的脉冲功率技术水平,要获得100～200ns脉冲宽度的数GW～10GW强流脉冲束流很容易,但要实现脉冲功率源系统能够在短时间内重复运行,且体积和重量基本达到可运载的要求还有一定的技术难度。获得高功率束流有多种技术途径,就其基础技术来看,缺少不了储能、产生高压和形成脉冲等3个基本过程,控制这3个过程转变的是开关,因此高功率开
3、关是脉冲功率技术的关键技术,而制约可重复运行强流束脉冲功率源发展的[2]主要器件也是开关。目前具有一定重复运行能力的高功率脉冲源以Tesla脉冲功最高。用Tesla变压器代替Marx发生器给脉冲形成线充电,避开了Marx发生器中多个火花间隙开关对重复运行的限制,另外是采用Tesla变压器和脉冲形成线一体化设计技术,有利于减小系统体积,所以只要解决脉冲形成线上的开关重复运行问题,系统便能达到重复运行要求。它的缺点是Tesla变压器充电脉冲形成线的时间太长,达到了100μs左右,降低了脉冲形成线的耐压性能,所以一体化的Tesla和形成线的体积也很庞大,系统进一步小型化有困难。解决
4、可重复运行脉冲功率源受限于高功率开关的途径有两种:一种是设计研制出新型的可重复运行的高功率开关替代现有的高功率开关,所有从事高功率脉冲技术研究的单位都有这方面研究的工作安排,这是根本上解决问题的考虑,但受到高功率开关技术研究进展的限制,需要时间较长,是短时间难以实现的;另一种考虑是避开应用高功率开关,在现有可重复运行的中等脉冲功率开关基础上,探讨可否实现数GW～10GW强流脉冲功率源。1高储能密度的中等高压脉冲形成技术脉冲形成网络是由数个L-C单元串联组成,每个L-C单元的电感和电容值要求尽可能相同。设N节L-C单元组成的脉冲形成网络的波阻抗为Z,形成脉冲宽度为T时,每节L-
5、C单元的电感电容值的关系为T=2NLC,Z=L/C(1)用式(1)设计两个N=10、波阻抗Z=1.5Ψ的脉冲形成网络,其中一个输出脉冲宽度为5μs,每节电感电容值分别为0.275μH和0.1667μF;另一个输出脉冲宽度为200ns,每节电感电容值分别为15nH和6.6667nF。可以看到当要求脉冲形成网络输出脉冲宽度为μs量级时,其电感和电容是容易采购到的,但要得到产生百ns[3]脉冲需要的电感和电容就困难了。所以在高功率μs脉冲设备中普遍采用脉冲形成网络,而在高功率ns脉冲设备中几乎见不到脉冲形成网络技术的应用。形成μs脉冲需要的电容器对电容器内电感要求不高,采用理想的电
6、容器(内电感为零的电容器)和有100nH内电感的电容器为脉冲形成网络单元的储能电容器得到的脉冲波形没有多大区别,如图1所示。一根1m长的导线的电感为100～1000nH,ns脉冲形成网络中十几nH的单元电感只需要数cm长的金属条,这也就是说它的数nF电容的电容器的体积不能大,特别是横向尺寸必须控制在数cm内,如果电容器横①收稿日期:2008-07-07;修订日期:2008-11-15基金项目:国家高技术发展计划项目作者简介:王庆峰(1979—),男,博士研究生,从事脉冲功率技术研究;wangqingfeng173@163.com。第6期王庆峰等:紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉
7、冲源957Fig.1Simulatedwaveformspulseformingnetwork(PFN)图1脉冲形成网络模拟输出波形向尺寸过大,串联后的电感将达不到要求。根据以上分析,现有电容器商品中没有符合要求的产品,只好联系电容器生产单位试制了一批高介电常数的陶瓷电容器,其横向尺寸是直径6cm的圆,电容量1.7nF,电容器内电感基本为零。用长度6.2cm,截面2cm×0.2cm的金属条作为单元电感,串联成N=10的脉冲形成网络进行实验。图2给出了工作电压为20kV时脉冲形成网络的输出波形。脉冲形成网
