百kv纳秒脉冲源的设计

百kv纳秒脉冲源的设计

高压脉冲lasembly通过lesn-soll反演生成的高压脉冲，并与主压力装置配合产生的高压脉冲输出从数十ns到几十ns。高压波器通过电极产生强流电子束，产生高功率微波，或通过电池生成超宽光谱短脉冲，直接辐射。该类型脉冲源因其具有可重复频率工作、稳定性高、结构紧凑而被重点研究和广泛应用。多路装置并联同步运行,进行功率合成是超宽谱高功率微波产生技术的重要发展方向,可以使装置尺寸大大减小,开关导通速度与系统能量效率得到很大提升,降低装置研制工程难度。使用该技术路线产生超宽谱高功率微波的核心技术问题就是纳秒脉冲的同步问题。在目前进行的纳秒脉冲源同步技术研究中,作为触发脉冲源使用的GW级Tesla型纳秒脉冲源由于其抖动较大(可达1μs),造成同步装置稳定性较差,将其自击穿开关更换为触发开关是最为有效的解决措施,结合使用需求,要求触发器能够输出50kV左右电压,对应抖动小于0.2μs,可重复频率工作,Tesla型脉冲源能够较好地满足这个要求。同时考虑到触发开关研究等需求,将研制的脉冲源的最高输出电压选定为100kV,根据使用要求选择输出电压。本文设计了一种百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源使用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构。可用于超宽谱高功率微波技术研究或作为触发器用于触发开关技术研究。1脉冲源设计1.1脉冲源设计尺寸该脉冲源的脉冲形成线为单筒同轴形成线,特征阻抗为40Ω,最高设计输出电压为100kV,最高充电电压为210kV,形成线绝缘介质为变压器油,在μs级充电,重复频率100Hz条件下,场强100kV/cm左右对于变压器油绝缘来说是安全的,选取形成线外筒半径r2=5cm,内筒半径r1=1.8cm,根据公式Umax=Emaxr1ln(r2/r1),该尺寸条件下内筒表面场强Emax=116kV/cm。形成线长度决定了脉冲源输出脉冲宽度,该脉冲源的设计脉宽为4ns,根据公式τ=2lεr−−√/cτ=2lεr/c,考虑到输出脉冲前后沿的影响,形成线长度l选取为35cm(内筒长度)。τ为形成线输出脉冲宽度,εr为形成线绝缘介质的相对介电常数,c为真空中光速。1.2脉冲源参数的确定Tesla变压器初次级参数包括初级电容、次级电容、初级线圈、次级线圈等。脉冲源初级电压设定为800V,最高充电电压240kV,变比为300,考虑到回路杂散电感与回路电阻的影响,次级线圈匝数选为400匝,初级线圈匝数为1匝。一旦Tesla变压器同轴线的特征阻抗及电长度确定,次级电容便被确定,该脉冲源的次级电容为45pF,初级电容应为7.2μF,考虑到初次级回路的杂散电感及回路损耗的影响,初级电容选为10μF。形成线达到最大电压时的充电时间可以表示为Δt=πLsC−−−−√=1.8μs(1)Δt=πLsC=1.8μs(1)式中:C=CpCs/(Cp+Cs),Cs=(n2/n1)2Cf,Cp为初级电容,Cf为次级电容,n1,n2为初次级线圈匝数;Ls为初级漏感与杂散电感。由于该脉冲源体积较小,初级漏感仅为34nH,因此回路杂散电感影响很大,但又很难估算准确,因此上述计算值仅作为参考。在以上参数条件下,脉冲源充电至50kV时充电时间小于1μs,抖动小于0.2μs是可以实现的。1.3磁芯有效截面积Tesla变压器磁芯有效截面积是Tesla变压器重要参数之一。磁芯截面积是由铁磁材料性质、传递能量大小及快慢确定。磁芯有效截面积S应满足S≥UmaxΔt2ΔBmaxn2(2)S≥UmaxΔt2ΔBmaxn2(2)式中:Umax为形成线最大充电电压;Δt为充电时间;ΔB为磁芯材料饱和磁感应强度。本实验中形成线最大充电电压Umax=240kV,充电时间Δt=1.8μs,磁芯材料饱和磁感应强度ΔBmax=1.2T,由式(2)计算可得磁芯有效截面积需大于4.5cm2,考虑到磁芯材料填充比及一定的设计余量,磁芯截面积取作8cm2。磁芯纵横比越大,变压器耦合系数越高,由于形成线长度为35cm,综合机械设计等因素,磁芯长度选为25cm,纵横比为2.5,理论耦合系数根据公式k2=lm/(lm+ls)(lm,ls分别为变压器初级漏感与磁化电感)可达0.94,但对于小尺寸Tesla变压器,初级漏感不再远小于磁化电感,同时初级回路的杂散电感值与初级漏感接近,对变压器耦合系数的影响较大,实际耦合系数应小于理论值。一般认为初次级线圈长度为磁芯长度的一半时,变压器耦合系数取得极大值,因此初次级线圈长度选定为12.5cm。1.4晶闸管放电保护电路该脉冲源初级电路采用谐振充电电路,谐振充电电路具有结构简单、控制容易、成本较低等优点。由于该脉冲源初级回路最大电流上升率达到5kA/μs以上,晶闸管容易烧毁,因此在电路设计中采用了双路并联放电的方案,晶闸管通过的电流减半,并在初级放电回路中加入磁开关对晶闸管进行保护。设计的初级电路如图1所示。最终设计的百kV纳秒脉冲源主要设计参数为:脉冲形成线外筒内径10cm,内筒外径3.6cm,长度35cm,磁芯截面积8cm2,初级电容10μF,充电电压800V,次级线圈匝数400匝,初次级圈长度12.5cm。2lagw源特性脉冲源主开关间隙为3～4mm,具体数值因开关气腔隔板充气后发生形变难以确定,通过调节气压实现主开关击穿电压的调节。实测结果为形成线最大充电时间1.9μs,变压器变比为310。气压为4MPa时,主开关击穿电压为210kV,充电时间1.5μs,输出电压100kV,峰值功率250MW,脉冲宽度4ns,前沿1ns。图2与图3分别为该输出电压下脉冲源的典型单次与重复频率(100Hz运行5s)累积波形,输出电压最大抖动为20%。将该脉冲源Tesla变压器部分直接连接到Trigatron触发开关上,为GW级Tesla型脉冲源提供触发,触发电压约40kV,前沿0.8μs,重复频率20Hz,运行20s。GW源最大抖动由500ns降低到150ns,如图4(a)所示,击穿电压抖动小于5%,如图4(b)所示。调试结果表明,本文设计的脉冲源能够满足同步装置对触发脉冲源的要求。3纳秒脉冲源触发器本文设计了一种百kV级纳秒脉冲源,该