（电子科学与技术专业论文）陡化前沿marx发生器及其应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学何论文对所研制的1 0 级陡化前沿m a r x 发生器j t ：展了初步的应用研究。在作为高压触发源的实验中，发现此发生器适应系统同步性要求较高的触发要求；在直接驱动强流场发射二极管的实验中，发现此发生器可以初步完成变压器与传输线相结合的功能，证实了这种发生器用作强流电子束加速器脉冲功率平台的可行性，由于陡化前沿m a r x 发生器不需要外部储能大电容及液体循环系统等辅助设备，从而为实现强流电子束加速器的小型化探索了一条经济可靠的技术路线；在作为n s 量级水击穿脉冲功率平台的实验中，发现该1 0 级陡化前沿m a r x 发生器适合作为基于水介质传输线的强流电子束加速器电水锤效应研究的缩比实验平台，并得到了一定实验条件下电脉冲能量与冲击波能量之间的转换系数。由以上应用研究可以看出，陡化前沿m a r x 发生器具备较好的应用前景。将1 0 级陡化前沿m a r x 发生器由原来的电阻隔离型改造为电感隔离型，进而利用恒流充电平台开展了陡化前沿m a r x 发生器重复频率运行的初步实验研究。实验结果表明，在不对内部开关吹气的情况下，当充电3 0k v 时，发生器在8 2h z 重频下稳定工作，输出脉冲的一致性较好，输出电压约为1 5 0k v ，电流约为1 8k a 。关键词：紧凑；脉冲功率发生器；陡化前沿m a r x 发生器；气体火花开关；高压触发源；强流场发射二极管；水击穿；重复频率第i i 页国防科学技术大学研究生院学何论文a b s t r a c td r i v e nb yn a t i o n a ld e f e n s ea n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，p u l s e dp o w e rt e c h n o l o g yh a sb e e na d v a n c i n gt o w a r d sh i g h e ra v e r a g ep o w e ra n dm o r ec o m p a c ts t r u c t u r e aw a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n tc a n d i d a t e sf o rt h e s ed e v e l o p m e n tt r e n d s i th a sb e e nw e l ld e v e l o p e db yf o r e i g nr e s e a r c h e r s ，w h e r e a sd o m e s t i cr e p o r t sh a v en o tb e e nf o u n dy e ti nl i t e r a t u r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , a10 一s t a g ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o ri sd e v e l o p e db a s e do nd e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t o t a lc i r c u i ts i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a ld e s i g n p r e l i m i n a r yr e s e a r c h e sa r ea l s om a d eo ni t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa n dr e p e t i t i v eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h e s ee f f o r t sa r ei n s t r u c t i v ef o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h i sk i n do fp u l s eg e n e r a t o r , a n da l s os e tag o o df o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no fh i g h e rp e r f o r m a n c ea sw e l la sm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n ga s p e c t s t h ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o ri si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l yi nd e t a i l t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ea m p l i t u d eo fo v e rv o l t a g ea c r o s sg a ss p a r kg a pi nas i n g l es t a g e ，i ti sf o u n dt h a te l i m i n a t i n gt h ec o u p l i n gs t r a yc a p a c i t a n c eb e t w e e ns t a g e sa n di n c r e a s i n gt h es t r a yc a p a c i t a n c eb e t w e e nt h ee l e c t r o d ea n dt h eg r o u n da r ef a v o r a b l ef o rt h ef o r m a t i o no fe r e c t e dw a v e f o r mo ft h em a r xg e n e r a t o r e q u a t i o n sd e s c r i b i n gt h ee q u i v a l e n td i s c h a r g i n gc i r c u i to fa nn s t a g ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o ra r ee s t a b l i s h e da n dn u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h es p e c i f i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h es i n g l es t a g e ，t h eg e n e r a t o rh a sa no p t i m u mn u m b e ro fs t a g e st oo b t a i na no u t p u tp u l s e 、析t hb o t haf a s tr i s et i m ea n daq u a s i s q u a r ew a v e f o l - h a c o n s i d e r i n gt h ei m p e d a n c ea n dt h ec h a r g i n gu n i f o r m i t ys y n t h e t i c a l l y ，t h eo p t i m u mn u m b e ro fs t a g e si sc h o s e nt ob e10a tl a s t t h ee f f e c t so fp a r a m e t e r so np e r f o r m a n c eo ft h e10 s t a g ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o ra r ea n a l y z e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h es i n g l es t a g ec i r c u i ti n d u c t a n c es l i g h t l ya f f e c t st h ev a r i a t i o nt r e n do fo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r m s ，h o w e v e ral a r g e ri n d u c t a n c ew i l lr e d u c et h ep u l s ea m p l i t u d e ，a n di n c r e a s eb o t ht h ep u l s ew i d t ha n dt h er i s et i m e ；w h i l et h es t r a yc a p a c i t a n c eb e t w e e nt h ee l e c t r o d ea n dt h eg r o u n di st h ec r i t i c a lc o m p o n e n ta n di ts h o u l db eo fap r o p e rv a l u et of o r mah i g hv o l t a g ep u l s ew i n lf a s tr i s et i m eo nt h el o a d c a l c u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h es w i t c h c l o s i n gi no r d e ri sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ew a v ee r e c t i o np r o c e s s at o t a lc i r c u i tm o d e lo ft h e10 - s t a g ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o ri sd e v e l o p e dv i ap s p i c es o f t w a r ea n dd e t a i l e ds i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e db a s e do nt h em o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l l 、析t ht h ea b o v ec a l c u l a t i o nr e s u l t s b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s ，ar e s i s t i v e l yi s o l a t e d10 - s t a g ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o ri sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e dw i t h3n fh i g hv o l t a g el o wi n d u c t a n c ec a p a c i t o r sa n d5 0垃h i g hp o w e rs o l i dr e s i s t o r s ，r e s p e c t i v e l y ，嬲i t se n e r g ys t o r a g ea n di s o l a t i o nc o m p o n e n t s t h ed i m e n s i o no ft h i sg e n e r a t o ri sd 0 2 2m x1 6m a ta4 0k vc h a r g i n gv o l t a g e ，t h eg e n e r a t o rc a nd e l i v e rah i g hv o l t a g ep u l s ew i t ha m p l i t u d eo f 210k v ，r i s et i m eo f - 5n s ，a n dp u l s ew i d t h( f w h m ) o f - - 4 0n st ot h e9 0qm e t a lf i l mr e s i s t o rl o a d i ti st h ef i r s td o m e s t i cr e p o r to nt h i st y p eo fp u l s eg e n e r a t o rw i t h s u c hp e r f o r m a n c e t h r o u g he x p e r i m e n t si ti sf o u n dt h a tac o a x i a l第i i i 页国防科学技术大学研究生院学位论文s t r u c t u r ei si m p o r t a n tf o rb o t ht h ed e s i g na n dt h ed i a g n o s t i c so ft h ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o r d u et op r o p e rd e s i g n 、析t hr e s p e c tt ot h eo v e rv o l t a g ea c r o s ss p a r kg a pt or e a l i z et h es p a r kg a p sc l o s i n gr a p i d l yi no r d e r ，t h eg e n e r a t o rc a np r o d u c eaf a s tr i s et i m ea n dh i g hv o l t a g ep u l s ee v e nw i t h o u tt h eh e l po fu l t r a v i o l e t ( u v ) c o u p l i n gb e t w e e ns t a g e s ；h o w e v e ri t sp e r f o r m a n c em a yb ee n h a n c e dw i t hu vc o u p l i n gi n t r o d u c e db yf u r t h e rm o d i f i c a t i o no ft h eg e n e r a t o rs t r u c t u r e c o m p a r e dt ot h ec o p p e rs u l p h a t es o l u t i o nl o a d ，t h em e t a lf i l mr e s i s t o rl o a dc o m b i n e ss u c ht w ov i r t u e st h a tn e a r l yw i t h o u ts t r a yc a p a c i t a n c ea n da d o p t i n ga ni m p e d a n c et a p e r i n gs t r u c t u r et or e d u c ew a v er e f l e c t i o n ，t h u si tc a nm a k eam o r ep r e c i s em e a s u r e m e n ti nc o o p e r a t i o nw i t hac a p a c i t i v ed i v i d e r t h eo u t p u tp e r f o r m a n c eo ft h eg e n e r a t o rh a sb e e na n a l y z e dt h r o u g hd e f i n i n gt w ok i n d so fi m p e d a n c e s ，z 0 ，t h el u m p e di m p e d a n c eo ft h eg e n e r a t o r ,a n dz n , t h ei m p e d a n c er a i s e df r o mt h ee f f e c t i v et r a n s m i s s i o nl i n ef o r m e db ys t r a yp a r a m e t e r so ft h eg e n e r a t o r t h e naf u r t h e ri m p r o v e m e n ts u g g e s t i o no ft h eg e n e r a t o ri sp u tf o r w a r d p r e l i m i n a r yr e s e a r c hi sm a d eo nt h ea p p l i c a t i o no ft h e10 一s t a g ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o r w h e na p p l i e da sah i g hv o l t a g et r i g g e r , i ti sf o u n dt ob es u i t a b l ef o rt r i g g e r i n gt h es y s t e m sw h e r es t r i c ts y n c h r o n i z a t i o ni sr e q u i r e d t h eg e n e r a t o ri ss u c c e s s f u l l yu t i l i z e dt od r i v eaf i e l d e m i s s i o nd i o d ed i r e c t l y ，w h i c ha c c o m p l i s h e st h ej o i n tf u n c t i o no fat r a n s f o r m e ra n dap u l s ef o r m i n gl i n e ( p f l ) a n dv e r i f i e st h ep o s s i b i l i t yt od r i v ea ni n t e n s er e l a t i v i s t i ce l e c t r o nb e a m ( r e b )a c c e l e r a t o r t h i sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o rd r i v e nr e ba c c e l e r a t o rm a yo p e nan e we c o n o m i c a la n dr e l i a b l er o u t ef o rt h em i n i m i z a t i o no ft h er e bg e n e r a t o r s t h e10 - s t a g ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o ri sa l s of o u n dt ob ea p p l i c a b l ef o rp r o d u c i n gn sr a n g eu n d e r w a t e rs h o c k w a v et os i m u l a t et h ee l e c t r i cw a t e rh a m m e re f f e c to ft h ew a t e rt r a n s m i s s i o nl i n eb a s e dr e bg e n e r a t o ri no p e r a t i o n t h ee n e r g yt r a n s f o r m a t i o nr a t eo fe l e c t r i c a lp u l s ea n ds h o c k w a v ei so b t a i n e du n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s a l lt h ea b o v ea p p l i c a t i o n ss h o wt h a tt h ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o rh a sap r o m i s i n gf u t u r e t h e10 - s t a g ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o ri sm o d i f i e df r o mar e s i s t i v e l yi s o l a t e dc o n f i g u r a t i o nt oa ni n d u c t i v e l yi s o l a t e dc o n f i g u r a t i o nf o rt h ei n v e s t i g a t i o no ni t sr e p e t i t i v eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta ta3 0k vc h a r g i n gv o l t a g e ，t h e10 一s t a g ew a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o rc a no p e r a t es t a b l ya t8 2h zr e p e t i t i o nr a t ew i t h o u tg a sb l o w - o f ff r o mt h ei n t e r n a ls p a r kg a p s ，p r o d u c i n ga no u t p u tp u l s eo f15 0k va n d1 8k a k e yw o r d s ：c o m p a c t n e s s ，p u l s ep o w e rg e n e r a t o r , w a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o r ，g a ss p a r kg a p ，h i g h - v o l t a g et r i g g e r ，i n t e n s ee l e c t r o nb e a mf i e l d e m i s s i o nd i o d e ，b r e a k d o w ni nw a t e r ，r e p e t i t i o nr a t e第i v 页同防科学技术大学研究生院学彳 ：论文表目录表1 1 基于大型m a r x 发生器的典型脉冲功率装置3表1 2 国内外紧凑型m a r x 发生器与陡化前沿m a r x 发生器的性能参数6表1 3a p e l c 公司的陡化前沿m a r x 发生器系列产品8表2 11 0 级陡化前沿m a r x 发生器中开关导通的时间间隔3 0表2 2 火花开关动态电阻表达形式3 2表3 1 脉冲电容器的参数要求5 4表4 11 0 级陡化前沿m a r x 发生器的性能参数- 8 l第l v 页国防科学技术大学研究生院学位论文图目录图1 1 基于陡化前沿m a r x 发生器的脉冲功率装置与传统的脉冲功率装置对比示意图1图1 2h e r m e si i 大型r 射线模拟器装置示意图3图1 3 用于小型高密度z p i n c h 系统的中型m a r x 发生器4图1 4 两种固态m a r x 发生器装置图5图1 5 日本k u b o t ay 等研制的同轴型m a r x 发生器及典型实验结果7图1 6b e v e r l yi i i 等人研制的陡化前沿m a r x 发生器产品及实验结果7图1 7 基于m g l7 1 c 5 0 0 p f 型陡化前沿m a r x 发生器的超宽带( u w b ) 辐射系统8图1 8 基于m g l 7 1 c 5 0 0 p f 型陡化前沿m a r x 发生器的g a t l i n g 辐射系统9图1 9 基于m g l 5 3 c 2 7 0 0 p f 型陡化前沿m a r x 发生器的窄带h p m 辐射系统9图1 1 0 利用p c 电路板制作的紧凑型m a r x 发生器l o图1 1 1 德克萨斯大学( t t u ) 研制的基于紧凑型m a r x 发生器的h p m 系统1 0图2 1 电阻隔离型陡化前沿m a r x 发生器的单级放电回路1 2图2 2 对比串联电感三2 有无的计算结果1 4图2 3 级间耦合分散电容对过电压幅值的影响一：1 4图2 4 开关电极对地分散电容对过电压幅值的影响1 4图2 5 开关电极间分散电容对过电压幅值的影响1 4图2 6 充电电阻对过电压幅值的影响1 5图2 7 回路串联电阻对过电压的影响1 5图2 8 结构i 型m a r x 发生器示意图1 6图2 9 结构i i 型m a r x 发生器示意图1 6图2 1 0 利用结构i 型获得的典型实验结果1 6图2 1 1 利用结构i i 型获得的典型实验结果1 6图2 1 2 等效r l c 电路及典型实验结果j ：1 8图2 1 3 加陡化电容的等效r l c 回路及典型实验结果1 9图2 1 4 等效为传输线加陡化电容的回路及典型实验结果1 9图2 1 5n 级陡化前沿m a r x 发生器放电等效回路2 1图2 1 6 利用o b a r a 的数据验证n 级模型2 2图2 1 7 利用k u b o t a 的数据验证n 级模型2 3图2 18 陡化前沿m a r x 发生器单元结构示意图2 4图2 1 9 单独的开关电极对地分散电容：2 4图2 2 0 级数对陡化前沿m a r x 发生器输出脉冲波形的影响。2 7图2 2 1 关于分散电容的参数分析结果2 8图2 2 2 不同级数的分析结果2 9图2 2 3 关于单元回路电感的参数分析结果j 2 9第v 页国防科学技术大学研究牛院学位论文图2 2 4 开关导通时i 、日j 间隔。3 0图2 2 5 开关同时导通时的输出电压脉冲波形3 0图2 2 6 电容经火花开关放电回路3 3图2 2 7 电容经火花开关放电的电压计算波形3 5图2 2 8 电容经火花开关放电的实验波形。3 5图2 2 9 传输线经火花开关放电回路3 6图2 3 0 电导率恒定时的计算结果。3 7图2 3 ls o r e n s e n 实验数据及其计算结果。3 7图2 3 2 电导率变化时的计算结果3 7图2 3 3 氢气开关放电的计算结果。3 8图2 3 4 氢气开关的实验放电波形3 8图2 3 5 氢气火花动态电阻的计算结果3 8图2 3 6 由电容经火花开关放电估算通道电阻3 9图2 3 7 由传输线经火花开关放电估算通道电阻3 9图2 3 8 采用理想闭合开关的p s p i c e 电路模型4 0图2 3 9 单独考虑等效传输线的模拟结果4 1图2 4 0 去除独立等效传输线的模拟结果4 1图2 4 1 采用自击穿开关的p s p i c e 电路模型4 2图2 4 21 0 级陡化前沿m a r x 发生器全电路模拟与理论计算结果对比4 2图2 4 3 关于负载寄生电容的参数分析结果4 3图2 4 4 关于输出馈电段阻抗的参数分析结果4 3图2 4 5 关于击穿电压的参数分析结果4 3图2 4 6 关于充电电阻的参数分析结果4 3图3 1 基于陡化前沿m a r x 发生器的脉冲功率装置示意图4 6图3 2 陡化前沿m a r x 发生器单级结构示意图4 7图3 3 纯s f 6 气体的击穿电压：4 8图3 4 间隙为2 6m m 时2 0 s f 6 8 0 n 2 的耐压估算4 8图3 5 陡化前沿m a r x 发生器单级结构实验装置图4 9图3 6 利用4 心脉冲电容器放电实验结果4 9图3 7n 2 中开关的击穿电压一4 9图3 8 三种小容值脉冲电容器5 0图3 9 基于小容值脉冲电容器的典型实验结果5 0图3 1 0 基于小容值脉冲电容器放电的模拟结果5 0图3 1 1 场畸变开关示意图，5 l图3 1 2 触发管开关示意图5 1图3 1 3 三电极火花开关三维示意图一5 1第v i 页国防科学技术大学研究牛院学位论文图3 1 4 三电极气体火花_ ) 于关实物图5l图3 1 5 三电极触发开关的光学测量实验示意图5 2图3 1 6 用于触发开关光学测量的高速相机5 2图3 1 7 高速相机的电触发信号5 2图3 1 8 放电通道形成后火花通道的图像5 3图3 1 9 反映火花通道消逝的图像5 3图3 2 0 储能电容器与充电电阻5 5图3 2 l 陡化前沿m a r x 发生器中的绝缘支撑体。5 5图3 2 2 改进后的充电套筒5 5图3 2 31 0 级陡化前沿m a r x 发生器的结构示意图5 6图3 2 4 陡化前沿m a r x 发生器的充电端。5 7图3 2 5 充电系统与触发系统5 7图3 2 6 水电阻分压器原理结构一5 8图3 2 7 利用水电阻分压器的测量系统5 8图3 2 8 电容分压器的电路原理图6 0图3 2 9 伞式探针型电容分压器的结构一6 0图3 3 0 罗氏线圈结构示意图6 l图3 3 1 法拉第筒结构示意图6 1图3 3 2 电容补偿型电容分压器的电路原理图6 2图3 3 3 电容补偿型电容分压器的结构示意图6 2图3 3 4 电容分压器实验标定的系统框图6 3图3 3 8 外带积分器型电容分压器的模拟结果一6 4图3 3 9 外带积分器型电容分压器的实验结果6 4图3 4 0 电阻补偿型电容分压器电路原理图6 5图3 4 l 电阻补偿结构中r l 的参数分析结果：6 5图3 4 2 电阻补偿结构中l 的参数分析结果6 5图3 4 3 电阻补偿型电容分压器的电路模拟结果6 6图3 4 4 电阻补偿型电容分压器的实验结果j 6 6图3 4 5 电容分压器接头及标定结果6 6图3 4 6 电容分压器开路定标装黄及实验结果6 7图3 4 7 陡化前沿m a r x 发生器的负载装置图6 8图3 4 8 利用连续脉冲源的定标结果6 8图4 1 陡化前沿m a r x 发生器级数递增实验结果与理论计算结果的对比7 l图4 21 0 级陡化前沿m a r x 发生器实验装置7 l图4 31 0 级陡化前沿m a r x 发生器的开路实验结果7 2图4 4 全连接后实验结果与理论计算结果的对比7 2第v i i 页、国防科学技术大学研究牛院学位论文图4 5 充电电脏为3 0k v 时的初步实验结果7 2图4 6 初步实验后开关电极表面的烧蚀情况7 3图4 7 脉冲电容器的渗油现象7 4图4 8 水电阻负载实物图7 5图4 9 改进后充电电压为3 0k v 时的实验结果7 5图4 1 0 改进后充电电压为3 6k v 时的实验结果7 6图4 1 1 利用金属膜电阻制作的大功率负载7 7图4 1 2 两种渐变结构的阻抗变化对比7 8图4 1 3 对假负载进行脉冲方波加载的电路图7 8图4 1 4 对假负载进行脉冲方波加载的模拟结果7 8图4 1 5 电容分压器与采样电阻的定标结果7 8图4 1 6 陡化前沿m a r x 发生器与金属膜电阻负载的连接示意图7 9图4 1 7 利用金属膜电阻负载时不同充电电压情况下的实验结果7 9图4 1 8 烧毁的金属膜电阻7 9图4 1 9 两种负载上的实验结果对比8 0图4 2 0 阻挡紫外光预电离的挡板8 2图4 2 1 紫外耦合隔断后的实验结果8 2图4 2 2 被触发的脉冲形成网络实验装置8 3图4 2 3 利用高压互感器触发时的实验结果8 4图4 2 4 利用陡化前沿m a r x 发生器触发时的实验结果一8 4图4 2 5 强流电子束二极管的结构示意图8 4图4 2 6 基于l o 级陡化前沿m a r x 发生器的强流电子束加速器初步安装结构8 5图4 2 7 强流场发射二极管的阴极实物图8 6图4 2 8 关于真空二极管的阻抗估算8 6图4 2 9 充电3 0k v 间距为9n l l n 时真空室电容分压器的测量结果8 6图4 3 0 充电3 6k v 间距为4m m 时真空室电容分压器的测量结果8 7图4 3 1 基于l o 级陡化前沿m a r x 发生器的强流电子束加速器的改进安装结构8 7图4 3 2 不同间距的二极管实验结果8 7图4 3 3 真空二极管的电路仿真模型8 8图4 3 4 真空二极管的模拟结果与实验结果对比8 8图4 3 5 水击穿实验装置示意图8 9图4 3 6 水击穿装置静电模拟模型8 9图4 3 7 水开关部分的p s p i c e 电路模型8 9图4 3 8 水击穿的p s p i c e 电路模拟结果8 9图4 3 9 典型击穿电压与冲击波压力测量结果9 0图5 1 利用直流高压电源充电的重复频率电感隔离型m a r x 发生器的充电回路9 2第v i i i 页国防科学技术大学研究生院学位论文图5 2 利用恒流源充电的重复频率电感隔离型m a r x 发生器的充电叫路9 2图5 3 充电电感对输出电压脉冲的影响9 3图5 4 充电电感实物图及安装结构9 3图5 5 电感隔离时的充电等效回路一9 4图5 6 电感隔离时的充电过程模拟：9 4图5 7n 2 中放电时两种隔离方式的实验结果对比9 4图5 8s f 6 中放电时两种隔离方式的实验结果对比9 5图5 9 充电电感对开关过电压持续时间的影响- 9 5图5 1 0 两种隔离方式对过电压持续时间的对比。：9 5图5 1 1 重频充电触发系统：9 6图5 1 2 利用恒流源低电流充电1 h z 时的重复频率实验结果9 7图5 1 3 开关逆序导通的p s p i c e 电路模拟结果9 7图5 1 4 利用恒流源较大电流充电8 2h z 时的重复频率实验结果9 8图6 1 进行双极性充电的改进型陡化前沿m a r x 发生器一1 0 2第1 x 页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：壶量明日期如p ，年多月形日学位论文版权使用授权书一本文完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本文授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阒；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：睦丝煎鲨丛垒! 茎发生墨丞基廛周盟窥一学位论文作者签名：作者指导教师签名：日期崩尸年多月，多日日期2 ，护。尹年多月名日同防科学技术大学研究生院学位论文第一章绪论高功率脉冲技术是把“慢 储存起来的能量进行快速压缩，再经转换或直接释放给负载的电物理技术。它是在2 0 世纪6 0 年代，随着核物理、电子束加速器物理、激光和等离子体物理研究的发展，迅速发展起来的一种高新技术，是当前国际上非常活跃的前沿科技之一，在军事领域和民用领域都有广泛的应用前景【1 - 7 】。1 1 选题依据及课题研究的意义装置的小型化与重复频率运行是高功率脉冲技术发展的两个重要方向。俄罗斯学者研制的s i n u s t 8 。1 0 】和r a d a n 系列产品【1 3 】对高功率脉冲技术这两方面的发展做出了巨大的贡献，然而这两类脉冲功率系统的造价往往是比较高的；近些年，随着电容器与气体火花开关技术的发展，一类被称为陡化前沿m a r x 发生器( w a v ee r e c t i o nm a r xg e n e r a t o r ) 1 4 - 1 6 】的小型脉冲功率系统，鉴于其结构紧凑、性能可靠尤其是制作成本低廉等优点，得到了较好的发展，改变了大家对m a r x 发生器的传统认识，是高功率脉冲技术实现小型化与重频运行进程中值得探索的一条技术路线。关于陡化前沿m a r x 发生器并无严格的定义，通常是指在未附加陡化结构情况下能够实现陡化前沿高压脉冲波形输出的m a r x 发生器。它的工作原理【1 7 2 0 】在于巧妙地利用了自身结构中的开关电极对地分散电容，使每一级气体火花开关在导通前具有较大的过电压，从而保证各级开关顺序快速导通，同时该分散电容在各级单元结构中还起到一定程度上陡化电容的作用，最终使发生器在负载端实现陡化前沿的高压脉冲输出。它相对于传统m a r x发生器的最大区别在于可以获得较快的脉冲前沿，而传统m a r x 发生器由于输出脉冲前沿缓慢通常用作初级储能，经过脉冲形成部分进行脉冲压缩后才能够形成a s 量级的脉冲驱动负载，基于传统m a r x 发生器的脉冲功率系统如图1 1 所示。图1 1 基于陡化前沿m a r x 发生器的脉冲功率装置与传统的脉冲功率装置对比示意图陡化前沿m a r x 发生器的应用目前已经比较广泛，早期用于触发较难触发的大型设备 2 1 , 2 2 】，长期以来一直用作产生x 射线【2 3 - 2 5 j ，后来由于前沿得到进一步的陡化，可以进入亚纳秒范围，开始用作高功率射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 或超宽带( u l t r a - w i d eb a n d ，u w b ) 辐射系统的脉冲功率源【1 4 1 6 ，2 眈8 1 ，并有进一步应用于高精度雷达系统的趋势【1 4 l 。如果对输出脉冲波形进行进一步的调制，使其同时具备快前沿和一定的平顶脉宽，用于直接驱动场发射第1 页国防科学技术大学研究生院学位论文真空二极管产生强流电子束，则可以实现传统m a r x 发生器或变压器与脉冲形成线相结合的功能( 如图1 1 所示) 。由于采用气体绝缘，省去了水介质传输线的水处理系统或者油介质传输线的滤油系统，同时还可以省去初级储能系统的大电容，可以看出陡化前沿m a r x发生器的研究对于强流电子束加速器系统装置的小型化非常有利。目前国外关于陡化m a r x 发生器已经有较多的报道，并由美国a p e l c 公司实现了此类发生器的产品化，但是出于商业保密或其它原因，关于其机理的分析与设计细节的描述甚少，而国内目前尚无关于此类发生器及其工作机理的报道，所以有必要对陡化前沿m a r x发生器这一类紧凑型高功率脉冲功率源进行深入细致的理论研究与实验研究。经进一步合理的设计，使其输出脉冲同时具备陡化前沿与一定程度的近似平顶，用于直接驱动场发射真空二极管产生强流电子束，初步实现目前变压器与脉冲形成线相结合的功能，进而推动强流电子束加速器的小型化进程。因此，本课题的研究具有重要的实际意义与应用价值。1 2 陡化前沿m a r x 发生器的国内外研究现状m a r x 发生器的基本原理可以简单地概括为：若干电容器通过并联充电后再以串联方式放电产生高电压脉冲。其相关概念于1 9 2 3 年由m a r xe 教授提出，进而被命名为“m a r x发生器”并取得了专利权，最早被用于雷电冲击电压实验。上世纪6 0 年代，m a r t i njc 成功地将b l u m l e i n 线与m a r x 发生器结合起来，把脉冲宽度从微秒量级压缩到几十纳秒，从而使用于产生高功率粒子束或强脉冲x 射线的m a r x 型高功率脉冲系统得到了快速的发展。m a r t i njc 在脉冲功率技术发展史上这一划时代的贡献，使其本人荣获了1 9 8 1 年国际脉冲功率会议( t h e3 坩i n t e m a t i o n a lp u l s e dp o w e rc o n f e r e n c e ) f 拘最高荣誉第一届“e r w i nm a r xa w a r d ；这一奖项的颁布同时也体现出m a r xe 教授及其发明对高功率脉冲技术发展所产生的深远影响。在过去的近百年时间里，世界范围内涌现出许多结构各异、性能各异的m a r x 发生器，本节将对其进行大致分类并简要介绍，然后对陡化前沿m a r x 发生器的国内外发展现状进行综述和评论。1 2 1 基于m a n 发生器的脉冲功率系统的大致分类对于目前众多的m a r x 发生器装置很难进行严格的分类，不过按照体积并参考开关类型可以大致划分4 类【2 0 】：大型m a r x 发生器系统( l a r g em a r xg e n e r a t o rs y s t e m ) 、中型m a r x发生器系统( m o d e r a t em a r xg e n e r a t o rs y s t e m ) 、紧凑型m a r x 发生器系统( c o m p a c tm a r xg e n e r a t o rs y s t e m ) 和固态m a r x 发生器系统( s o l i ds t a t em a r xg e n e r a t o rs y s t e m ) 。大型m a r x 发生器可以提供大于m v 量级的脉冲电压和m j 量级的单脉冲能量，一般工作于单