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重频模块化感应电压叠加器及其相关技术研究

作　者: 孟志鹏
导　师: 钱宝良
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 脉冲功率技术感应电压叠加器卷绕型带状脉冲形成线重复频率长脉冲
分类号: TN78
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

国防和工业应用的需求促进脉冲功率技术向高平均功率、高重频、固态化和紧凑化方向发展。基于感应电压叠加器(Induction Voltage Adder, IVA)技术的固态化脉冲电子束加速器是符合这一发展方向的重要方案之一。本文在对固态化脉冲电子束加速器方案中采用的IVA技术进行了深入细致的理论分析、电路模拟和实验验证的基础上,设计了一台500kV的10级IVA装置。同时,根据固态化技术方案,研制了一台输出阻抗约3?,脉冲宽度约230ns的卷绕型带状脉冲形成线,利用该形成线对前4级感应单元进行了初步的单次脉冲和重频实验研究。本文的研究结果为固态化脉冲电子束加速器的研制奠定了基础。论文的研究内容主要包括以下几个方面:1.提出了一种改进型固态化脉冲电子束加速器的设计方案,该方案具有高平均功率、长脉冲、固态化以及长寿命等优点。加速器由初级能源、脉冲变压器、磁压缩系统、带状脉冲形成线、IVA等组成。本文重点介绍了IVA的研制,并对加速器的其它子系统进行了设计和模拟研究。2.对IVA技术进行了深入细致的理论研究。针对不同的应用条件,分别建立了集中参数等效电路模型和分布参数等效电路模型。在集中参数等效电路中,对于馈入脉冲的不同阶段,包括上升前沿、平顶和下降沿,分别利用Laplace变换求解了纯阻性负载上的电压表达式,尤其是我们比较关心的脉冲前沿部分,分别针对零前沿和有限长的上升前沿进行了求解。通过分析,总结出IVA在设计中应遵循的一些原则。在分布参数等效电路中,介绍了源匹配型和负载匹配型两种类型的IVA电路模型,根据传输线理论和波的反射、透射理论对其中的波的过程进行了分析。最后进行了缩比验证实验。3.根据理论分析,结合拟研制的IVA脉冲功率系统的特点,设计了一台500kV的10级IVA,其直径约0.58m,长度2.2m。该IVA的10级感应单元均采用单路馈电的方式,感应腔内采用角向传输线实现电流的均匀分布;磁芯采用了开放式封装的铁基非晶磁环,每个单元中的磁芯伏秒值大于10mV·s。利用时域有限差分的方法对感应腔内的瞬态场分布进行了分析,并建立了单个感应单元和10级IVA的等效电路模型进行了模拟研究。设计制作了与装置相配套的测量系统,包括电阻分压器、电容分压器和Rokowski线圈等。4.对卷绕型带状脉冲形成线进行了理论分析、电场模拟和实验研究。采用不同绕制方法设计制作了两台输出阻抗为1.5?、脉宽200ns的卷绕型带状脉冲形成线,分析了其内部的电场分布,并通过实验对两台带状线的输出电压波形进行了对比。研究结果表明,在铜带等宽度的情况下,采用两种不同方法绕制的带状线都可以产生前沿在20ns左右的脉冲,区别在于脉冲平顶部分。采用三层铜带加三层绝缘层的方法绕制的带状线,其输出脉冲更为理想,平顶振荡较小。另外,为了研究10级IVA单个感应单元的响应特性,研制了一台输出阻抗约3?,脉宽约230ns的Blumlein型卷绕型带状脉冲形成线。5.利用3?、230ns卷绕型带状脉冲形成线作为馈源对IVA进行了初步的实验研究。分别对单个感应单元,两级IVA和4级IVA进行了单次脉冲实验研究。实验结果表明,单个感应单元对馈入的脉冲信号响应较好,波形基本没有畸变。4级IVA在输入电压约30kV的情况下,在50?的水负载上得到了电压幅值约120kV、脉冲宽度约230ns的电脉冲输出,实现了4倍升压,电流效率约80%。最后对4级IVA进行了初步的重频实验研究。在重复频率为3Hz,充电电压约25kV的情况下装置运行稳定,脉冲序列间具有较好的重复性。

全文目录

摘要  13-15
Abstract  15-17
第一章绪论  17-30
  1.1 选题依据及课题研究的意义  17-19
  1.2 国内外研究现状  19-28
    1.2.1 单次脉冲IVA装置  19-24
    1.2.2 高平均功率重复率IVA装置  24-28
    1.2.3 小结  28
  1.3 本文的主要内容  28-30
第二章感应电压叠加器的脉冲功率系统设计  30-45
  2.1 加速器概况  30-31
  2.2 初级能源系统及脉冲变压器  31-36
    2.2.1 充电方式的选取  31-34
    2.2.2 初级能源的设计  34-35
    2.2.3 脉冲变压器的设计  35-36
  2.3 超低阻抗卷绕型带状脉冲形成线  36-40
    2.3.1 卷绕型带状线充电时间的选取  37-38
    2.3.2 卷绕型带状线输出磁开关的设计  38-40
  2.4 两级磁压缩系统  40-43
    2.4.1 磁脉冲压缩原理  40-41
    2.4.2 两级磁压缩系统的设计  41-43
  2.5 长脉冲、超低阻抗脉冲发生器系统  43
  2.6 小结  43-45
第三章感应电压叠加器的理论分析  45-68
  3.1 IVA的工作原理  45-47
  3.2 IVA结构参数分析  47-55
    3.2.1 集中参数模型  47-50
    3.2.2 分布参数模型  50-53
    3.2.3 MIVA阻抗分析  53-55
  3.3 感应单元的响应分析  55-65
    3.3.1 感应单元对脉冲上升前沿的响应  56-61
    3.3.2 感应单元对脉冲平顶的响应  61-62
    3.3.3 感应单元对脉冲后沿的响应  62-64
    3.3.4 总结  64-65
  3.4 IVA的缩比验证实验  65-67
    3.4.1 两级IVA的设计  65
    3.4.2 实验研究  65-67
  3.5 小结  67-68
第四章 10 级感应电压叠加器的设计  68-94
  4.1 感应单元的设计  68-82
    4.1.1 感应腔馈电方式的选取  68-70
    4.1.2 磁芯的设计  70-76
    4.1.3 感应单元的设计  76-78
    4.1.4 磁芯性能分析  78-81
    4.1.5 感应单元电气参数分析  81-82
    4.1.6 总结  82
  4.2 10 级IVA的设计  82-85
    4.2.1 10 级IVA的结构设计  82
    4.2.2 10 级IVA的电气参数分析  82-84
    4.2.3 IVA内的电场分析  84-85
  4.3 磁芯复位及测量系统  85-92
    4.3.1 磁芯的复位电路  85-86
    4.3.2 高压纳秒级高电压、大电流测量技术  86-91
    4.3.3 其它附属设备  91-92
  4.4 小结  92-94
第五章模块化感应电压叠加器的实验研究  94-117
  5.1 卷绕型带状线的设计与实验研究  94-104
    5.1.1 卷绕型带状线的特征参数  94-96
    5.1.2 卷绕型带状线绝缘介质的选取  96-100
    5.1.3 卷绕型带状线的设计与制作  100-102
    5.1.4 卷绕型带状脉冲形成线的实验研究  102
    5.1.5 卷绕型带状线的进一步改进  102-104
  5.2 磁芯参数测量与性能分析  104-109
    5.2.1 磁滞回线的测量  105-106
    5.2.2 铁基非晶材料低压频率响应测试  106-108
    5.2.3 磁芯的抗油性实验研究  108-109
    5.2.4 磁芯的机械强度分析  109
  5.3 4 级IVA的实验研究  109-115
    5.3.1 单个感应单元实验研究  109-111
    5.3.2 两级IVA实验研究  111-112
    5.3.3 4 级IVA的实验研究  112-115
    5.3.4 总结  115
  5.4 小结  115-117
第六章总结与展望  117-123
  6.1 主要工作与结果  117-120
    6.1.1 IVA的脉冲功率系统设计  117-118
    6.1.2 IVA的相关理论研究  118
    6.1.3 10 级IVA装置的设计  118-119
    6.1.4 卷绕型带状脉冲形成线研究  119-120
    6.1.5 IVA的初步实验研究  120
  6.2 主要创新工作  120-121
  6.3 后续工作展望  121-123
致谢  123-125
参考文献  125-133
攻读博士学位期间取得的学术成果  133-134

重频模块化感应电压叠加器及其相关技术研究

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