平板PFN-層疊Blumlein型長脈沖發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、高功率微波正在向長脈沖、功率合成方向發(fā)展，這對(duì)應(yīng)用于高功率微波驅(qū)動(dòng)的脈沖功率發(fā)生裝置提出了新的要求，即長脈沖和可精確控制。本文提出了一種基于層疊Blumlein線技術(shù)和平板型緊湊化PFN技術(shù)的長脈沖產(chǎn)生方案，具有長脈沖、可精確控制、緊湊化等優(yōu)勢(shì)。課題在關(guān)鍵技術(shù)解決和關(guān)鍵器件研制的基礎(chǔ)上，展開了峰值功率5 GW、脈寬大于150 ns的層疊Blumlein線發(fā)生器集成設(shè)計(jì)和初步低壓實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了技術(shù)路線的可行性。本論文的主要工作如下：

2、r>　　1、對(duì)多氣體開關(guān)型層疊Blumlein線的短路路徑及增阻技術(shù)進(jìn)行了研究。依據(jù)電路模型分析了多氣體開關(guān)型層疊 Blumlein線中短路路徑的存在方式，采用理論模型和電路模擬分析了短路路徑的等效模式以及對(duì)輸出波形的影響；對(duì)增阻方案進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：扼流圈方案可以在不影響觸發(fā)效果的情況增加短路路徑阻抗；相應(yīng)地，在層疊 Blumlein線等效放電頻率下對(duì)幾種主要的軟磁材料的阻抗及磁導(dǎo)率特性進(jìn)行了測(cè)試及分析。
　　2、研制了

3、一臺(tái)基于磁壓縮網(wǎng)絡(luò)的全固態(tài)多路高壓納秒觸發(fā)器。理論研究表明，減小初始電壓的相對(duì)擾動(dòng)值和第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的壓縮時(shí)間是減小磁壓縮網(wǎng)絡(luò)時(shí)間抖動(dòng)的有效途徑；對(duì)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路和晶閘管閉合型快前沿變壓器進(jìn)行了研制，并構(gòu)成了磁壓縮網(wǎng)絡(luò)的前級(jí)升壓發(fā)生器；分析了磁導(dǎo)率對(duì)磁壓縮增益極大值的影響，結(jié)合軟磁材料磁導(dǎo)率的特點(diǎn)對(duì)三級(jí)磁壓縮網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；展開了10 Hz重頻實(shí)驗(yàn)，觸發(fā)器可輸出四路同步脈沖，單路輸出幅值為50.5 kV、前沿為25 ns、脈寬為60 ns，

4、重頻下輸出波形穩(wěn)定，系統(tǒng)時(shí)延約8.329μs、分散時(shí)間為13.3 ns、時(shí)間抖動(dòng)為2.3 ns。
　　3、研制了數(shù)十μs充電條件下100 kV級(jí)工作電壓的Trigatron開關(guān)。理論研究表明：在數(shù)十μs充電條件下，提高主間隙內(nèi)部的場(chǎng)增強(qiáng)因子可以提高自擊穿的穩(wěn)定性，但過高的場(chǎng)增強(qiáng)因子有損于開關(guān)的觸發(fā)特性，因此，場(chǎng)增強(qiáng)因子應(yīng)處于一個(gè)居中的狀態(tài)；設(shè)計(jì)了一種主間隙具有稍增強(qiáng)因子的Trigatron開關(guān)，通過靜電場(chǎng)模擬研究，對(duì)高壓電極邊緣倒

5、角半徑、觸發(fā)電極的相對(duì)位置等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；對(duì)100 kV級(jí)Trigatron開關(guān)進(jìn)行了自擊穿和觸發(fā)擊穿實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)氣壓大于4 atm時(shí)，自擊穿電壓相對(duì)范圍降至6％以下；開關(guān)工作電壓在自擊穿電壓70%~90%條件下的觸發(fā)時(shí)間抖動(dòng)為2.1 ns~0.8 ns。
　　4、對(duì)緊湊化平板PFN進(jìn)行了研究。理論研究表明：電感和電容單元的參數(shù)分別為10-100 nH、nF量級(jí)的陶瓷電容型平板PFN可以較好地彌補(bǔ)分布參數(shù)PFL和傳統(tǒng)PFN

6、的缺陷，輸出上升沿和平頂度較為理想的準(zhǔn)方波，可應(yīng)用于100 ns-500 ns中長脈沖；其次對(duì)商業(yè)化陶瓷介質(zhì)材料的特性進(jìn)行了分析比較，N4700介質(zhì)具有類似于 I類介質(zhì)的容量穩(wěn)定性、損耗值和 II類介質(zhì)的高儲(chǔ)能密度特性，適合作為平板PFN的儲(chǔ)能電容；相應(yīng)地，采用極端測(cè)試的方法對(duì)某廠家的N4700陶瓷電容進(jìn)行了耐壓和放電測(cè)試，130 kV/65μs沖擊電壓下電容器的脈沖擊穿電壓最低值達(dá)到了標(biāo)稱電壓的2.89倍，在耐壓范圍內(nèi)，陶瓷電容放電無

7、失效現(xiàn)象；對(duì)L-C-L型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的平板PFN特征參數(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：相鄰電極的互感對(duì)PFN平板單元電感以及特征參數(shù)的影響較大，不可忽略。
　　5、開展了層疊Blumlein型長脈沖發(fā)生器的集成和初步實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)4級(jí)層疊Blumlein型長脈沖發(fā)生器進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，該發(fā)生器具有大于5 GW級(jí)長脈沖輸出的能力。研制了一套脈沖充電系統(tǒng)，對(duì)4級(jí)層疊Blumlein線的充電峰值時(shí)間為88μs，充電電壓大于150

8、 kV；對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電壓和觸發(fā)延遲精確控制。在降壓使用的情況下，展開了二級(jí)、四級(jí)層疊 Blumlein線的實(shí)驗(yàn)研究，兩級(jí)層疊線實(shí)際升壓比為1.89，脈沖寬度為188 ns，四級(jí)層疊線實(shí)際升壓比為3.43，脈沖寬度為208 ns；對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，平行布局平板PFN的單元電感易受到相鄰平板PFN互感的影響，使得平板PFN的阻抗和電長度都隨之提高，是多級(jí)層疊 Blumlein線脈寬加長、升壓效率降低的主要原因。初步實(shí)