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重频模块化感应电压叠加器及其相关技术研究

孟志鹏  
【摘要】:国防和工业应用的需求促进脉冲功率技术向高平均功率、高重频、固态化和紧凑化方向发展。基于感应电压叠加器(Induction Voltage Adder, IVA)技术的固态化脉冲电子束加速器是符合这一发展方向的重要方案之一。本文在对固态化脉冲电子束加速器方案中采用的IVA技术进行了深入细致的理论分析、电路模拟和实验验证的基础上,设计了一台500kV的10级IVA装置。同时,根据固态化技术方案,研制了一台输出阻抗约3?,脉冲宽度约230ns的卷绕型带状脉冲形成线,利用该形成线对前4级感应单元进行了初步的单次脉冲和重频实验研究。本文的研究结果为固态化脉冲电子束加速器的研制奠定了基础。 论文的研究内容主要包括以下几个方面: 1.提出了一种改进型固态化脉冲电子束加速器的设计方案,该方案具有高平均功率、长脉冲、固态化以及长寿命等优点。加速器由初级能源、脉冲变压器、磁压缩系统、带状脉冲形成线、IVA等组成。本文重点介绍了IVA的研制,并对加速器的其它子系统进行了设计和模拟研究。 2.对IVA技术进行了深入细致的理论研究。针对不同的应用条件,分别建立了集中参数等效电路模型和分布参数等效电路模型。在集中参数等效电路中,对于馈入脉冲的不同阶段,包括上升前沿、平顶和下降沿,分别利用Laplace变换求解了纯阻性负载上的电压表达式,尤其是我们比较关心的脉冲前沿部分,分别针对零前沿和有限长的上升前沿进行了求解。通过分析,总结出IVA在设计中应遵循的一些原则。在分布参数等效电路中,介绍了源匹配型和负载匹配型两种类型的IVA电路模型,根据传输线理论和波的反射、透射理论对其中的波的过程进行了分析。最后进行了缩比验证实验。 3.根据理论分析,结合拟研制的IVA脉冲功率系统的特点,设计了一台500kV的10级IVA,其直径约0.58m,长度2.2m。该IVA的10级感应单元均采用单路馈电的方式,感应腔内采用角向传输线实现电流的均匀分布;磁芯采用了开放式封装的铁基非晶磁环,每个单元中的磁芯伏秒值大于10mV·s。利用时域有限差分的方法对感应腔内的瞬态场分布进行了分析,并建立了单个感应单元和10级IVA的等效电路模型进行了模拟研究。设计制作了与装置相配套的测量系统,包括电阻分压器、电容分压器和Rokowski线圈等。 4.对卷绕型带状脉冲形成线进行了理论分析、电场模拟和实验研究。采用不同绕制方法设计制作了两台输出阻抗为1.5?、脉宽200ns的卷绕型带状脉冲形成线,分析了其内部的电场分布,并通过实验对两台带状线的输出电压波形进行了对比。研究结果表明,在铜带等宽度的情况下,采用两种不同方法绕制的带状线都可以产生前沿在20ns左右的脉冲,区别在于脉冲平顶部分。采用三层铜带加三层绝缘层的方法绕制的带状线,其输出脉冲更为理想,平顶振荡较小。另外,为了研究10级IVA单个感应单元的响应特性,研制了一台输出阻抗约3?,脉宽约230ns的Blumlein型卷绕型带状脉冲形成线。 5.利用3?、230ns卷绕型带状脉冲形成线作为馈源对IVA进行了初步的实验研究。分别对单个感应单元,两级IVA和4级IVA进行了单次脉冲实验研究。实验结果表明,单个感应单元对馈入的脉冲信号响应较好,波形基本没有畸变。4级IVA在输入电压约30kV的情况下,在50?的水负载上得到了电压幅值约120kV、脉冲宽度约230ns的电脉冲输出,实现了4倍升压,电流效率约80%。最后对4级IVA进行了初步的重频实验研究。在重复频率为3Hz,充电电压约25kV的情况下装置运行稳定,脉冲序列间具有较好的重复性。


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