平板PFN-層疊Blumlein型長脈沖發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、高功率微波正在向長脈沖、功率合成方向發(fā)展，這對應(yīng)用于高功率微波驅(qū)動的脈沖功率發(fā)生裝置提出了新的要求，即長脈沖和可精確控制。本文提出了一種基于層疊Blumlein線技術(shù)和平板型緊湊化PFN技術(shù)的長脈沖產(chǎn)生方案，具有長脈沖、可精確控制、緊湊化等優(yōu)勢。課題在關(guān)鍵技術(shù)解決和關(guān)鍵器件研制的基礎(chǔ)上，展開了峰值功率5 GW、脈寬大于150 ns的層疊Blumlein線發(fā)生器集成設(shè)計和初步低壓實驗研究，驗證了技術(shù)路線的可行性。本論文的主要工作如下：

2、r>　　1、對多氣體開關(guān)型層疊Blumlein線的短路路徑及增阻技術(shù)進(jìn)行了研究。依據(jù)電路模型分析了多氣體開關(guān)型層疊 Blumlein線中短路路徑的存在方式，采用理論模型和電路模擬分析了短路路徑的等效模式以及對輸出波形的影響；對增阻方案進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：扼流圈方案可以在不影響觸發(fā)效果的情況增加短路路徑阻抗；相應(yīng)地，在層疊 Blumlein線等效放電頻率下對幾種主要的軟磁材料的阻抗及磁導(dǎo)率特性進(jìn)行了測試及分析。
　　2、研制了

3、一臺基于磁壓縮網(wǎng)絡(luò)的全固態(tài)多路高壓納秒觸發(fā)器。理論研究表明，減小初始電壓的相對擾動值和第一級網(wǎng)絡(luò)的壓縮時間是減小磁壓縮網(wǎng)絡(luò)時間抖動的有效途徑；對晶閘管驅(qū)動電路和晶閘管閉合型快前沿變壓器進(jìn)行了研制，并構(gòu)成了磁壓縮網(wǎng)絡(luò)的前級升壓發(fā)生器；分析了磁導(dǎo)率對磁壓縮增益極大值的影響，結(jié)合軟磁材料磁導(dǎo)率的特點對三級磁壓縮網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計；展開了10 Hz重頻實驗，觸發(fā)器可輸出四路同步脈沖，單路輸出幅值為50.5 kV、前沿為25 ns、脈寬為60 ns，

4、重頻下輸出波形穩(wěn)定，系統(tǒng)時延約8.329μs、分散時間為13.3 ns、時間抖動為2.3 ns。
　　3、研制了數(shù)十μs充電條件下100 kV級工作電壓的Trigatron開關(guān)。理論研究表明：在數(shù)十μs充電條件下，提高主間隙內(nèi)部的場增強因子可以提高自擊穿的穩(wěn)定性，但過高的場增強因子有損于開關(guān)的觸發(fā)特性，因此，場增強因子應(yīng)處于一個居中的狀態(tài)；設(shè)計了一種主間隙具有稍增強因子的Trigatron開關(guān)，通過靜電場模擬研究，對高壓電極邊緣倒

5、角半徑、觸發(fā)電極的相對位置等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；對100 kV級Trigatron開關(guān)進(jìn)行了自擊穿和觸發(fā)擊穿實驗，結(jié)果表明：當(dāng)氣壓大于4 atm時，自擊穿電壓相對范圍降至6％以下；開關(guān)工作電壓在自擊穿電壓70%~90%條件下的觸發(fā)時間抖動為2.1 ns~0.8 ns。
　　4、對緊湊化平板PFN進(jìn)行了研究。理論研究表明：電感和電容單元的參數(shù)分別為10-100 nH、nF量級的陶瓷電容型平板PFN可以較好地彌補分布參數(shù)PFL和傳統(tǒng)PFN

6、的缺陷，輸出上升沿和平頂度較為理想的準(zhǔn)方波，可應(yīng)用于100 ns-500 ns中長脈沖；其次對商業(yè)化陶瓷介質(zhì)材料的特性進(jìn)行了分析比較，N4700介質(zhì)具有類似于 I類介質(zhì)的容量穩(wěn)定性、損耗值和 II類介質(zhì)的高儲能密度特性，適合作為平板PFN的儲能電容；相應(yīng)地，采用極端測試的方法對某廠家的N4700陶瓷電容進(jìn)行了耐壓和放電測試，130 kV/65μs沖擊電壓下電容器的脈沖擊穿電壓最低值達(dá)到了標(biāo)稱電壓的2.89倍，在耐壓范圍內(nèi)，陶瓷電容放電無

7、失效現(xiàn)象；對L-C-L型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的平板PFN特征參數(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并進(jìn)行了實驗驗證，結(jié)果表明：相鄰電極的互感對PFN平板單元電感以及特征參數(shù)的影響較大，不可忽略。
　　5、開展了層疊Blumlein型長脈沖發(fā)生器的集成和初步實驗研究。對4級層疊Blumlein型長脈沖發(fā)生器進(jìn)行了集成化設(shè)計，該發(fā)生器具有大于5 GW級長脈沖輸出的能力。研制了一套脈沖充電系統(tǒng)，對4級層疊Blumlein線的充電峰值時間為88μs，充電電壓大于150

8、 kV；對控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，可實現(xiàn)儲能電壓和觸發(fā)延遲精確控制。在降壓使用的情況下，展開了二級、四級層疊 Blumlein線的實驗研究，兩級層疊線實際升壓比為1.89，脈沖寬度為188 ns，四級層疊線實際升壓比為3.43，脈沖寬度為208 ns；對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析，平行布局平板PFN的單元電感易受到相鄰平板PFN互感的影響，使得平板PFN的阻抗和電長度都隨之提高，是多級層疊 Blumlein線脈寬加長、升壓效率降低的主要原因。初步實