平板PFN-层叠Blumlein型长脉冲发生器的关键技术研究

摘要

高功率微波正在向长脉冲、功率合成方向发展，这对应用于高功率微波驱动的脉冲功率发生装置提出了新的要求，即长脉冲和可精确控制。本文提出了一种基于层叠Blumlein线技术和平板型紧凑化PFN技术的长脉冲产生方案，具有长脉冲、可精确控制、紧凑化等优势。课题在关键技术解决和关键器件研制的基础上，展开了峰值功率5 GW、脉宽大于150 ns的层叠Blumlein线发生器集成设计和初步低压实验研究，验证了技术路线的可行性。本论文的主要工作如下：
　　1、对多气体开关型层叠Blumlein线的短路路径及增阻技术进行了研究。依据电路模型分析了多气体开关型层叠 Blumlein线中短路路径的存在方式，采用理论模型和电路模拟分析了短路路径的等效模式以及对输出波形的影响；对增阻方案进行了分析研究，结果表明：扼流圈方案可以在不影响触发效果的情况增加短路路径阻抗；相应地，在层叠 Blumlein线等效放电频率下对几种主要的软磁材料的阻抗及磁导率特性进行了测试及分析。
　　2、研制了一台基于磁压缩网络的全固态多路高压纳秒触发器。理论研究表明，减小初始电压的相对扰动值和第一级网络的压缩时间是减小磁压缩网络时间抖动的有效途径；对晶闸管驱动电路和晶闸管闭合型快前沿变压器进行了研制，并构成了磁压缩网络的前级升压发生器；分析了磁导率对磁压缩增益极大值的影响，结合软磁材料磁导率的特点对三级磁压缩网络进行了设计；展开了10 Hz重频实验，触发器可输出四路同步脉冲，单路输出幅值为50.5 kV、前沿为25 ns、脉宽为60 ns，重频下输出波形稳定，系统时延约8.329μs、分散时间为13.3 ns、时间抖动为2.3 ns。
　　3、研制了数十μs充电条件下100 kV级工作电压的Trigatron开关。理论研究表明：在数十μs充电条件下，提高主间隙内部的场增强因子可以提高自击穿的稳定性，但过高的场增强因子有损于开关的触发特性，因此，场增强因子应处于一个居中的状态；设计了一种主间隙具有稍增强因子的Trigatron开关，通过静电场模拟研究，对高压电极边缘倒角半径、触发电极的相对位置等参数进行了优化；对100 kV级Trigatron开关进行了自击穿和触发击穿实验，结果表明：当气压大于4 atm时，自击穿电压相对范围降至6％以下；开关工作电压在自击穿电压70%~90%条件下的触发时间抖动为2.1 ns~0.8 ns。
　　4、对紧凑化平板PFN进行了研究。理论研究表明：电感和电容单元的参数分别为10-100 nH、nF量级的陶瓷电容型平板PFN可以较好地弥补分布参数PFL和传统PFN的缺陷，输出上升沿和平顶度较为理想的准方波，可应用于100 ns-500 ns中长脉冲；其次对商业化陶瓷介质材料的特性进行了分析比较，N4700介质具有类似于 I类介质的容量稳定性、损耗值和 II类介质的高储能密度特性，适合作为平板PFN的储能电容；相应地，采用极端测试的方法对某厂家的N4700陶瓷电容进行了耐压和放电测试，130 kV/65μs冲击电压下电容器的脉冲击穿电压最低值达到了标称电压的2.89倍，在耐压范围内，陶瓷电容放电无失效现象；对L-C-L型网络结构的平板PFN特征参数进行了理论推导，并进行了实验验证，结果表明：相邻电极的互感对PFN平板单元电感以及特征参数的影响较大，不可忽略。
　　5、开展了层叠Blumlein型长脉冲发生器的集成和初步实验研究。对4级层叠Blumlein型长脉冲发生器进行了集成化设计，该发生器具有大于5 GW级长脉冲输出的能力。研制了一套脉冲充电系统，对4级层叠Blumlein线的充电峰值时间为88μs，充电电压大于150 kV；对控制系统进行了调试，可实现储能电压和触发延迟精确控制。在降压使用的情况下，展开了二级、四级层叠 Blumlein线的实验研究，两级层叠线实际升压比为1.89，脉冲宽度为188 ns，四级层叠线实际升压比为3.43，脉冲宽度为208 ns；对实验结果进行了分析，平行布局平板PFN的单元电感易受到相邻平板PFN互感的影响，使得平板PFN的阻抗和电长度都随之提高，是多级层叠 Blumlein线脉宽加长、升压效率降低的主要原因。初步实验结果验证了平板PFN-层叠Blumlein线型长脉冲发生器技术路径的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 叠加型紧凑化脉冲发生器的发展概述

1.3 长脉冲形成线的发展概述

1.4 论文的主要工作

第二章 层叠Blumlein线短路路径及增阻技术的研究

2.1 层叠Blumlein线的基本特征

2.2 短路路径的存在方式及对波形的影响

2.3 增阻技术的研究

2.4 本章小结

第三章 全固态多路高压纳秒触发器的研制

3.1 高压纳秒触发器的基本原理及技术方案的选择

3.2 磁压缩网络的时间抖动分析

3.3 前级升压电路的研制

3.4 高压纳秒磁压缩网络的研制

3.5 触发系统调试

3.6 本章小结

第四章 数十μs充电条件下100 kV级Trigatron开关的研制

4.1 引言

4.2 数十μs充电型Trigatron开关设计的理论分析

4.3 场增强型Trigatron开关的设计与静电场模拟

4.4 场增强型Trigatron开关的实验研究

4.5 本章小结

第五章 平板PFN相关技术的研究

5.1 PFN的理论分析

5.2 陶瓷电容的选择与测试

5.3 陶瓷电容-平板型PFN的理论分析与设计

5.4 本章小节

第六章 脉冲发生器的集成和初步实验研究

6.1 发生器主体研制

6.2 辅助系统研制

6.3 多级Blumlein线的叠加实验研究

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要工作及结果

7.2 主要创新点

7.3 今后工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果