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《国防科学技术大学》 2010年
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折叠型双脉冲—长脉冲调制器及其激光触发技术研究

殷毅  
【摘要】:高功率微波在长脉冲输出、功率合成等方面的应用需求对脉冲功率平台提出新的要求是向长脉冲和多台装置同步运行方向发展。激光触发折叠型螺旋脉冲调制器的研究,一方面将折叠线与螺旋线技术相结合,是实现长脉冲输出的重要方法;另一方面由于激光触发开关具有触发延迟及抖动小、运行稳定可靠、适合重复运行和多个开关同步运行等优点,是开关技术发展的重要方向之一,因此利用激光对折叠型双脉冲-长脉冲调制器的两个开关同步触发,可实现单台脉冲功率装置同步输出两个脉冲,该调制器及其触发方案的研究为多台脉冲功率装置同步运行奠定了基础。 论文的研究内容主要包括以下几个方面: 1.折叠型双脉冲-长脉冲调制器的理论研究。设计了一台折叠型脉冲调制器,分析了不同充电方式对调制器结构设计影响。分别利用求解波动方程、波过程分析的方法,对长脉冲、双脉冲输出情况下,过渡段阻抗、传输线阻抗以及负载阻抗对调制器输出波形的影响进行研究,结果表明过渡段阻抗的不匹配会在负载电压波形中间(长脉冲情况)或尾部(双脉冲情况)产生凸起或下凹;利用PSpice软件对调制器进行了全电路模拟,并用高压电缆线开展了低压情况下(20kV)长脉冲、双脉冲输出的验证实验。理论分析、模拟研究与验证实验结果基本一致。 2.对激光触发开关进行系统的、深入的研究。 激光触发开关是实现双脉冲调制器两个开关同步导通的关键技术,论文从理论上分析了激光触发开关的基本原理,并对不同激光能量、欠压比下激光触发SF6气体开关进行了初步的仿真研究。 搭建了激光触发气体开关的实验测试平台,利用闪光灯泵辅的Nd:YAG激光器,开展了不同波长(266nm、532nm、1064nm)激光、不同欠压比、不同透镜焦距、不同激光通孔大小、不同电极材料以及不同气体种类对开关运行延时、抖动影响的实验研究,得到激光波长越短,开关延时、抖动越小,欠压比越高,延时、抖动越小等一系列有价值的实验结果,并对其进行了理论分析。 开展了激光同步触发两个开关的实验。不同欠压比下实验表明在激光能量15mJ,透镜焦距64cm,欠压比大于70%时,两开关导通延时时间差小于1ns,其抖动大小为亚ns;不同能量下实验表明,在欠压比85%、透镜焦距64cm、激光能量大于8mJ时,两开关导通延时时间差小于1ns,其抖动大小为亚ns。实验的开展为激光触发双脉冲调制器的研究奠定了基础。 3.激光形成火花通道长度对开关抖动的影响。 利用超高速相机对激光导通过程中火花通道进行拍照,得到了的不同能量、不同焦距下激光通道图像,并利用Matlab软件对图像进行处理,给出了轴向火花通道长度。图像分析和实验结果表明:激光触发开关的轴向通道长度是影响气体开关抖动大小的重要因素,当火花通道长度大于开关间距40%时,开关延时时间的抖动在亚ns量级。 4.激光触发单台调制器的实验研究。 建立了激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。利用DG535脉冲延时发生器控制激光器的闪光灯和初级电脉冲触发系统的工作时刻,由电脉冲触发初级触发气体开关,激光触发加速器主开关。通过对传输线充电电压滤波后进行采样,再输出触发信号来触发激光器Q开关的方案,实现了激光触发与脉冲形成线充电时刻的同步可控。 开展了激光触发调制器主开关的实验研究。在开关导通电压约795kV时,负载上得到电压402kV、电流26kA、电功率10GW、脉宽128ns的高功率电脉冲;对激光触发开关的前沿时间与自击穿情况下进行了对比;在开关自击穿电压约740kV时,开展了氮气、六氟化硫气体开关抖动、延时特性的实验研究,实验证明氮气气体开关的抖动要小于六氟化硫气体开关。 5.激光触发折叠型双脉冲-长脉冲调制器的研究。 利用COMSOL Multiphysics软件对折叠型脉冲调制器过渡段部分电容、电感等参数,进行了三维的模拟计算,给出了不同过渡段介质下其阻抗、特征时间大小。 在折叠型调制器长脉冲输出情况下,当过渡段为电容器油介质,在开关击穿电压720kV时,负载上得到了电压360kV,电流24kA,脉冲宽度264ns的高功率电脉冲;当采用乙二醇为过渡段介质时,脉冲宽度为288ns,由于阻抗匹配,其输出波形平整性较好。 开展了双脉冲的实验研究。在开关击穿电压725kV时,两个负载上分别得到了电压约365kV,脉冲宽度132ns的高功率脉冲,波形平顶较好。在欠压比70%时,对不同能量下,双脉冲输出延时、抖动特性进行实验研究,当266nm激光能量10mJ时,两开关导通延时时间差为5ns,每个开关抖动在亚ns;激光能量大于15mJ两个开关导通延时时间差小于1ns,开关抖动在亚ns。
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