Blumlein型纳秒脉冲发生器的研制

摘要

脉冲功率技术不仅在国防军事和科技研究中起着非常重要的作用，而且在工业应用、生物医学和环境保护等民用领域中展现出了强大的应用潜力。但迄今为止还没有一台比较适合于商用的纳秒脉冲发生器，因此研制出高性能的纳秒脉冲发生器具有重要的科学意义和应用价值。本文结合脉冲功率技术和火花开关技术，研制出了一套基于Blumlein传输线的纳秒脉冲发生装置。 分别从波过程和等值电路的角度分析了利用Blumlein传输线产生高压脉冲的工作原理，并用电路仿真软件Pspice的仿真结果验证了理论分析，同时还仿真研究了杂散参数对Blumlein型脉冲发生器输出波形的影响。结果表明，放电回路的杂散电感、负载两端间杂散电容和负载前端对地杂散电容使脉冲前沿和后沿变缓，且上升时间和下降时间近似与杂散参数成正比；放电回路电阻使脉冲后沿出现严重的拖尾现象；输出回路杂散电感使脉冲前沿和后沿产生过冲；负载后端对地杂散电容也使脉冲前沿产生过冲，但后沿下降到1/2电压处发生严重畸变。 研究了场畸变火花开关的气压、间距、电场类型和电极结构，通过合理地设计绝缘结构，减小了开关尺寸；应用电场仿真软件Femlab对开关间隙的电场分布进行仿真，验证了开关电气设计的合理性，从理论上计算了开关的性能参数；还对开关的机械结构进行了设计和加工。开关试验研究了击穿时延与抖动和欠压比、触发电压之间的关系，以及开关的触发范围和触发阈值，结果表明开关工作在气压大于2atm，欠压比大于80％，触发电压大于15kV的状态下，开关击穿时延小于100ns，抖动小于10ns，触发范围大于55％，触发阈值小于10kV，满足设计要求。 对Blumlein型纳秒脉冲发生器的各部分进行了具体设计，完成了样机的装配。对元器件进行了选择和参数计算，设计出了用于测量开关触发脉冲的电阻分压器以及分压器的标定脉冲源，并对分压器进行了阶跃响应实验。对Blumlein型纳秒脉冲发生器进行了实验室总体调试和输出波形的测量，结果表明该装置满足设计要求，为实际应用奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1脉冲功率技术简介

1.1.1脉冲功率技术的发展现状

1.1.2脉冲功率技术的基本原理

1.1.3脉冲功率技术的应用

1.2纳秒脉冲发生器的研究现状

1.2.1引言

1.2.2电容放电型纳秒脉冲发生器

1.2.3传输线型纳秒脉冲发生器

1.3本文所作的主要工作

2 Blumlein型脉冲发生器的原理与仿真研究

2.1引言

2.2 Blumlein型脉冲发生器的原理

2.2.1波过程

2.2.2等值电路

2.3 Blumlein型脉冲发生器的仿真研究

2.3.1理想情况下的仿真分析

2.3.2杂散参数对输出波形影响的仿真分析

2.3.3讨论

2.4 小结

3场畸变火花开关的研制

3.1引言

3.2气体放电开关类型及结构的选择

3.2.1气体放电开关类型的选择

3.2.2火花开关结构的选择

3.3场畸变火花开关的工作原理

3.4场畸变火花开关的设计

3.4.1气压和间距

3.4.2电场类型与电极结构

3.4.3绝缘设计

3.4.4机械设计

3.5场畸变火花开关的电场仿真

3.6开关相关性能参数的理论计算

3.7场畸变火花开关的静态试验研究

3.7.1试验线路

3.7.2试验数据

3.7.3数据处理及结果分析

3.8场畸变火花开关的动态试验研究

3.8.1试验原理及仿真

3.8.2击穿时延和抖动与欠压比的关系

3.8.3击穿时延和抖动与触发电压的关系

3.8.4触发范围

3.8.5触发阈值

3.9小结

4 Blumlein型纳秒脉冲发生器的设计与测量

4.1引言

4.2 Blumlein型纳秒脉冲发生器的设计

4.2.1实际电路

4.2.2传输线的参数计算

4.2.3充电电源的参数计算

4.2.4场畸变火花开关触发系统

4.2.5用于测量触发脉冲的分压器的研制

4.3 Blumlein型纳秒脉冲发生器输出波形的测量

4.4 小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录及参加的科研项目