基于磁开关技术的长脉冲驱动源初步研究.pdf

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1、第26卷第6期强激光与粒子束Vo1．26。NO．62014年6月HIGHPOWERIASERANDPARTICIEBEAMSJun．，20I4基于磁开关技术的长脉冲驱动源初步研究高景明，李嵩，杨汉武，刘朝夕，钱宝良，张军(国防科学技术大学光电科学与T程学院，长沙410073)摘要：基于磁开关技术提出了一种高功率长脉冲驱动源方案，主要包括脉冲变压器、磁脉冲压缩、低阻抗脉冲形成网络、磁开关类型主开关，以及感应电压叠加器等关键子系统；研制了各关键子系统并开展了单独的实验调试，基于跑道型磁芯制作了闭环磁芯脉冲变压器，采用硬连

2、接绕组方式制作了方便调节的两级磁压缩系统，利用陶瓷电容器制作了圆周对称的Blumlein型低阻抗脉冲形成网络，配合低阻抗脉冲形成网络研制了磁开关类型主开关，基于单端口馈电和角向传输线技术建立了四级IVA实验装置；在上述关键子系统调试基础上，开展了全系统的初步联合实验，验证了技术方案。关键词：长脉冲驱动源；磁开关；低阻脉冲形成网络；感应电压叠加器中图分类号：TM833文献标志码：Adoi：lO．11884／HPLPB2O1426．065003近些年来，受长脉冲高功率微波(HPM)技术的牵引J，高功率长脉冲驱动源技术取得

3、了快速进步，这与当今世界脉冲功率技术朝着高平均功率方向发展的趋势相一致。中国工程物理研究院先后采用水介质脉冲形成线和L型脉冲形成网络，配合激光触发开关以及直线变压器，开展了长脉冲HPM驱动源的研究，通过工程实验取得了功率为数GW、脉冲宽度约160ns、重复频率为数十Hz的长脉冲电子束输出；西北核技术研究所基于Tesla变压器、马蹄型脉冲形成网络和电触发气体火花开关，研制了TPG700L脉冲驱动源，在匹配负载上电脉冲输出功率8GW，脉冲宽度大于200ns，重复频率50Hz[；西南交通大学利用直线型脉冲形成网络、赝火花开

4、关和直线变压器技术，探讨了基于可重复运行的中等功率开关实现输出功率数GW的强流脉冲功率源方案，取得了初步实验结果；国防科学技术大学基于大变比脉冲变压器、分立式水介质脉冲形成线和自击穿气体开关技术，研制的长脉冲驱动源实现了输出功率约10GW、脉冲宽度约160ns、重复频率为20Hz的长脉冲电子束输出l_g；此外，中国工程物理研究院还研制了基于薄膜介质线模块的紧凑型长脉冲功率源，在匹配负载上获得了功率大于4GW，脉冲宽度156ns的电脉冲输出l1。上述研究对推动高功率长脉冲驱动源技术的进步发挥了重要作用，不过多采用气体火

5、花开关实现高功率电脉冲输出，而气体开关存在着电极烧蚀和放电恢复等方面的限制，会在一定程度上影响装置的长时间运行；固态化磁开关由于工作状态主要决定于伏秒积分过程，具有较强的可重复性、无磨损和较快的恢复速度，从而在高重复频率、长寿命运行等方面有显著的优势。国外对基于磁开关的长脉冲驱动源已开展了相应研究，美国QM公司(QMTechnologies)利用氢闸流管和磁开关技术研制出QM—I调制器，输出指标为400kV，40kA，150ns，i0Hz，用于离子束表面处理方面的应用；日本长冈大学研制的ETIGOIV重复频率脉冲发生

6、器，使用磁开关分别进行脉冲压缩和主脉冲输出，可在lHz重复频率下输出400kV，13kA，120ns的准方波脉冲ll1；国内尚未见该方面的研究报道。因此，本文提出一种基于固态化磁开关技术的高功率长脉冲驱动源方案，介绍了各关键子系统的研制情况和全系统初步联合实验结果，拟通过深入研究推动该类型驱动源的进一步发展。1系统方案在整体方案设计中，为了避免储能单元体积随电压和脉冲持续时间超线性增长，并且尽量减小磁开关的伏秒积，将功率压缩过程尽可能在低电压等级下进行，并同时完成高功率方波脉冲的形成；那么，为了实现以上功能，采用了磁

7、脉冲压缩技术和低阻抗脉冲形成技术1]。。。。这种情况下，为了在负载端获得高压脉冲，需要完成对脉冲电压的进一步提升，采用了感应电压叠加器的升压方式，其优点在于方便绝缘和进行模块化设计，能够根据负载端对电压幅值的需求采用不同的模块个数实现升压目的。系统框图如图1所示，主要包括初级单元、*收稿日期：2013-11—14；修订日期：2013-12—25基金项目：国家高技术发展计划项目作者简介：高景明(1981～)，男，博士，从事脉冲功率技术研究；megod818@163．COITI。O650031强激光与粒子束脉冲变压器、脉

8、冲磁压缩、低阻抗脉冲形成线、磁开关、感应叠加器和负载等部分。首先，初级单元中的电容器经控制开关对脉冲变压器放电；然后，脉冲变压器将电压升高并对两级磁压缩单元充电；两级磁压缩单元采用等电容压缩的方式，保持电压不变，提高电流，压缩后的脉冲对低阻抗脉冲形成线进行快速充电；充电完成后，磁开关型主开关导通，将产牛的方波脉冲馈电给感应电压叠加器的各感应单元