基于水介质脉冲形成线的高功率微波驱动源的实验研究

基于水介质脉冲形成线的高功率微波驱动源的实验研究

1.微波辐射的微波根据研究这种微波效应，长脉冲hpm具有良好的脉冲效果，需要相应的脉冲功率装置作为hpm的驱动源。近年来，由应用电子研究所（hpm）开发了长脉冲hpm的源研究，并对100ns的脉宽进行了研究。同时，为了实现建模设计，我们研究了长脉冲hpm的驱动源。驱动源被称为线性电机驱动源（lt）。这意味着将从第一阶段到第二阶段的脉冲象在磁芯上的激励作用下形成高压，以进一步减小体积。为了减小体积，pf使用绝离子水作为绝缘介质。在尝试x射线时，发现输出波形的平屋顶部分存在较大的变形。通过对实验结果的理论分析和随后的实验研究，结果表明，开关的放置时间是影响波形平屋顶变形的重要因素。在这项工作中，我们分析了充电压力期间形成的波速，并介绍了pf放电过程的等效分析方法，并通过实验解决了输出脉冲波形平屋顶的变形问题。2.pf充电分析2.1.pfl上的波过程水介质PFL采用双传输线结构,如图1所示.其中外形成线和内形成线的阻抗均为Z,且线长和时延td相同,负载R=2Z.充电系统主要包括储能电容和脉冲变压器,充电时开关Switch断开,放电时开关闭合.外形成线的左端点S为充电电缆引入点,点Q是内形成线的开路端,点B和点A分别为内外形成线上的任意一点,与内外形成线左端距离分别为b,a.形成线的充电时间一般为几个μs,而电磁波在形成线上的传播时间为几十个ns,所以充电过程中通常把形成线等效成集中参数(电容器)来分析,但为了得到形成线上的波过程,这里采用分布参数电路来分析.定义图1中从左向右传输的波为前行波ue5c6从右向左传输的波为反行波图2为充电过程中PFL上的波过程(为了方便描述,此类图中的电压波用方波表示):在t=0时刻开始充电,充电系统馈入到形成线点S的电压波为外线上的第一个前行波,定义为U(t)(t<0时U(t)=0),当t=td时电压波波头到达负载并产生反射和透射,反射波将从负载向点S运动形成了外线的第一个反行波,透射波从负载向点Q运动形成了内线的第一个前行波,根据负载和形成线的阻抗关系可得内线和外线上的波到达负载后的反射和透射系数均为1/2;当t=2td时外线的第一个反行波波头到达点S产生反射,反射系数设为k1(t),(对于非纯阻抗充电系统来说,电磁波在点S处的反射系数与频率有关,设kn(t)为外线的第n个反行波在点S的反射系数),该反射波从点S向负载运动形成了外线的第二个前行波,同时,内线的第一个前行波波头到达点Q产生反射,开路端反射系数为1,该反射波从点Q向负载运动形成了内线的第一个反行波;当t=3td时外线的第二个前行波波头到达负载产生反射和透射,反射和透射系数均为1/2,其中反射波从负载向点S运动成为外线的第二个反行波的一部分,透射波从负载向点Q运动成为内线的第二个前行波的一部分,同时,内线的第一个反行波波头到达负载产生反射和透射,反射和透射系数均为1/2,其中反射波从负载向点Q运动并与此刻外线产生的透射波组成内线的第二个前行波,透射波从负载向点S运动并与此刻外线产生的反射波组成外线的第二个反行波;类似的波过程一直进行下去,外线的第n个前行波是外线的第n-1个反行波经点S反射后产生的,外线的第n个反行波包含外线的第n个前行波经负载后的反射波以及内线的第n-1个反行波经负载后的透射波,内线的第n个前行波包含外线的第n个前行波经负载后的透射波以及内线的第n-1个反行波经负载后的反射波,内线的第n个反行波是内线的第n个前行波经点Q反射后产生的.定义分别为经过点A的第n个前行波和反行波,分别为经过点B的第n个前行波和反行波,这样就得到线上任意点A,B的波过程.第一个波过程第n(n>1)个波过程经过形成线上任一点的前行波与反行波之和就是该点的充电电压,这样就可分别得到负两端的电压值,两者之差即为充电过程负载上的电压.2.2.放电时负载电压的变化开关闭合后PFL开始放电,与充电的过程类似,区别在于充电系统不再提供外线上的第一个前行波U(t),并且点S处的反射系数变为-1,同样可以得到放电过程负载电压.显然按这种方法求解放电时负载电压十分复杂,通常双传输线结构的PFL放电后负载电压波形近似矩形,幅值等于形成线上的电压值,脉宽为2td,这主要针对直流充电或者是交流的充电周期远远大于形成线放电时间2td的情况,也就是在充电过程中形成线上的电压在相差2td的时间内基本保持不变.由于去离子水的电阻率ρ约8MΩ·cm,形成线的自放电速度比较快,其自放电时间常数为ερ,ε为去离子水的介电常数约7×10-10,自放电时间约56μs,所以对水介质PFL要进行快速充电.实验中采用3.5μF的电容器通过1∶5的脉冲变压器对PFL充电,其内外线的阻抗均为5Ω,时延td均为75ns,负载阻抗设为10Ω,图3为充电时形成线点S处的电压波形US(t)与负载上的电压波形UR(t),可以看出充电时负载上的电压远小于形成线上电压,在2td(150ns)的时间内形成线上的电压变化明显,同样,放电时负载的电压波形可以通过求解形成线上复杂的波过程得到,下面将采用等效的分析方法进行分析.3.pfl的放电式中等号右边第一项就是在开关不导通的情况下经过点S的电压,可以看出由于引入了项,使得PFL的放电过程可以等效为两个过程(过程一、过程二)的叠加,如图4(b).3.1.前进脉冲t过程一是PFL的充电过程,即在形成线放电时刻相当于在点S端强行馈入前行脉冲这个前行脉冲是外加的,不包含反行波在点S端的反射部分(该部分算到过程二中),这样就使得线上的波过程与开关没有导通时一样,为PFL充电过程.该过程中负载电压即为充电时负载电压UR(t),如图3所示.3.2.波头前进波过程二为(1)式中等号右边第二项,该过程相当于在PFL放电时刻,从点S端馈入一个前行脉冲,该脉冲幅值与过程一中该时刻点S的电压值相同,极性相反.图5为过程二的示意图,其具体波过程如下.此时负载上的电压为2)在t=t1+2td时刻外线第一个反行波波头到达点S并产生反射,由于开关闭合该端点短路,反射系数为-1,形成了外线上第二个前行波;同时内线第一个前行波波头到达点Q,该点开路反射系数为1,形成了内线上第一个反行波.3)在t=t1+3td时刻外线第二个前行波波头和内线第一个反行波波头同时到达负载,分别形成了负载左端的第二个前行波和负载右端的第一个反行波有如下关系:由于这两个波幅值相同极性相反,再加上这两个波的在负载端的反射和透射系数均为1/2,所以外线上的第二个反行波和内线上的第二个前行波为零,放电过程结束,此时负载电压为充电时点S处的电压US(t)如图3所示,考虑到td=75ns,与(2)式相比(3)式中负载电压很小,第二个过程中负载的主波形在t1+td≤t≤t1+3td时间段内,负载电压为-US(t-td),该电压波形与充电时点S处的电压波形幅值相等,极性相反.3.3.负载电压的波形PFL放电时负载电压就是上述两个过程中负载电压的叠加,即如图3所示,与第二个过程相比,第一个过程中负载电压UR(t)很小(特别是在LTD中,由于充电电流使磁芯饱和,对PFL来说此时负载相当于短路,其负载电压为零),并在2td=150ns的时间内变化不大,所以总的负载电压(特别是电压波形的平顶)主要由第二个过程的负载电压决定,由(2)式可知负载电压波形与充电时点S的电压波形一致,只不过是极性相反,也就是说开关在充电电压US(t)的上升沿时刻导通,负载电压波形平顶的幅值相应增大,同样,开关在US(t)的下降沿时刻导通,负载电压波形平顶的幅值相应减小.3.4.开关导通负载电压采用电路仿真软件Pspice进行模拟计算,为了便于定量分析,在模拟电路中忽略了一些杂散参数的影响,模拟结果如图6.从图中可以看出,开关在充电电压US(t)峰值附近导通时负载电压波形的平顶比较平坦,在其他区域导通时负载波形的平顶与充电电压波形相似,极性相反.表1为模拟得到的不同开关导通时刻负载及形成线上的电压值,表中主要列出了开关导通时刻t1以及t2=t1+td,t3=t1+t2d和t4=t1+3td的读数,可以看出-US(t1)+UR(t2)与U负载(t2)以及-US(t3)+UR(t4)与U负载(t4)的值分别相等,并且通过数据比较证明了t1+td≤t≤t1+3td时间内任一时刻-US(t-td)+UR(t)与U负载(t)的值相等,这与理论分析的结果(4)式是一致的.理论分析与模拟计算均表明,开关在充电电压达到峰值附近的时刻导通负载可得到平顶较平的电压波形.4.激光触发开关测试实验中采用四根水介质螺旋PFL作为高功率微波驱动源的初级,通过磁芯的感应叠加技术将四根水线产生的高压脉冲在次级上逐级叠加,释放到负载二极管上产生电子束.考虑到水线的自放电影响,在满足电压要求的情况下需要尽量的缩短充电时间,在实验中通过提高脉冲变压器的初级电压来缩短充电时间,采用激光触发开关来控制导通时间,试验结果如图7.图7中纵坐标刻度为数百kV/div,图7(a)C1,C2分别为开关在充电电压的上升沿时刻和峰值时刻导通时二极管的电压波形,由于开关在上升沿时刻导通时形成线充电电压较低,为了方便比较,减小充电电压对开关和二极管工作状态的影响,通过电源控制系统适当的提高充电电压.从实验结果得知,开关在充电电压的上升沿时刻导通,负载电压波形的平顶发生畸变,平顶部分的电压值逐步增大,开关在充电电压的峰值时刻导通时,负载电压波形平顶平坦,这与理论分析和模拟计算是一致的.控制开关在充电电压的峰值时刻附近导通,在负载上可得到幅值数百kV、脉宽150ns