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水介质螺旋线型长脉冲加速器的研究

刘振祥  
【摘要】: 脉冲功率技术在国防建设和国民生产中有着广泛的应用,它当今发展的主要方向之一是提高平均功率,长脉冲的研究是其中的一个重要课题。本课题在研究了螺旋传输线基本特性的基础上,研制了一台单线结构的水介质螺旋线型长脉冲加速器,作为长脉冲研究的脉冲功率实验平台。本论文的研究内容主要包括以下几个方面: 采用电磁场理论对螺旋传输线内的电磁场进行了分析。分析表明:对用于脉冲功率装置的螺旋传输线,内外筒之间的径向电场要比其它横向电场分量大两个数量级,电磁场的绝大部分能量沿着螺旋导电的方向流动,螺旋角越大,电磁波沿着轴向传播的速度越小。 采用电磁场和电路相结合的分析方法求出了螺旋传输线的特性阻抗和波速度,引入了平均特性阻抗和平均波速度的概念,并定义了它们的计算公式。通过原理性实验测试了螺旋传输线的波速度、色散特性以及色散特性对所形成脉冲波形的影响。研究表明,所定义的计算公式具有相当的精度,可用于螺旋线型脉冲形成线的设计计算。 通过对脉冲形成线充电过程的分析,解决了二极管负载的预脉冲问题。理论分析结果表明,通过在过渡段加上一个并联电阻的方法可以很好地解决二极管的预脉冲问题。文中导出了并联电阻的阻值与预脉冲大小的关系,计算结果显示,在过渡段加上一个比负载阻值大几百倍的并联电阻,可以使预脉冲电压减小到允许的程度。通过对脉冲形成线放电过程的分析,导出了螺旋线型脉冲形成线所形成脉冲的频谱函数和波形函数。在已知开关上升沿和脉冲形成线结构参数的情况下,能够根据这些函数计算出所形成脉冲的波形,便于对其色散影响作出评估。 对螺旋线型加速器的充放电过程进行了数值模拟研究。通过PSPICE程序模拟了螺旋线型脉冲形成线结构参数对充电电压的影响,模拟结果显示,和同样尺寸的同轴线型脉冲形成线相比,螺旋线型脉冲形成线因存在较大的电感而充电时间较长;利用KARAT程序对螺旋线型脉冲形成线内的电磁场分布和变化情况进行了数值模拟研究,特别研究了容易引起匝间击穿的轴向电场分量。模拟结果表明,在电压波前经过的一段时间内,形成线内筒表面轴向电场的值较大,螺旋角越大、主开关上升沿越小、负载阻值越小,则轴向电场的值越大。 在上述工作的基础上,研制了一台单线结构的水介质螺旋线型长脉冲加速器,这种加速器在国内外还未见报道。根据加速器的运行特点,设计了一套相应的测量系统,并利用测量负载电压的分压器电阻解决了预脉冲问题。加速器直径为0.41m,总长度2.2 m,脉冲形成线特性阻抗为20Ω,在阻抗约20Ω的二极管上的输出电压大于400 kV,脉宽约为296 ns(FWHM),上升沿约12 ns,下降沿接近150 ns。输出脉冲存在前沿上冲和平顶下凹,后沿也存在拖尾现象。 针对加速器输出脉冲波形中出现的前沿上冲和后沿拖尾等现象,采用理论分析和数值模拟的方法研究了加速器内阻抗不匹配段对输出波形的影响,结果表明:使螺旋线和主开关之间的同轴连接段的阻抗等于或者稍大于螺旋线的阻抗,同时减小其电长度,就可以解决这一问题。 为了消除前沿上冲,提出了在加速器的连接段加上一个高分子材料环的方法,使连接段的阻抗接近于螺旋线的阻抗,同时减小其电长度。通过调整过渡段的阻抗和电长度,减小了它对上升沿的影响。最后在阻抗约20Ω的二极管上得到了电压约400 kV、上升沿约18 ns、平顶宽度200 ns、下降沿约40 ns的近似方波的高电压脉冲输出。用该加速器驱动带有过模慢波结构微波源,得到了脉宽大于100 ns、功率在百兆瓦量级的X波段高功率微波输出。 另外,通过在该加速器的脉冲形成线内加入乙二醇或者乙二醇的水溶液,使其特性阻抗可以在20~27Ω内调整,能够和更多的微波源达到阻抗匹配。


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