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国防科学技术大学
博士学位论文
折叠型双脉冲-长脉冲调制器及其激光触发技术研究
姓名:殷毅
申请学位级别:博士
专业:电子科学与技术
指导教师:钟辉煌
2010-10
国防科学技术大学研究生院博士学位论文
摘要
高功率微波在长脉冲输出、功率合成等方面的应用需求对脉冲功率平台提出
新的要求是向长脉冲和多台装置同步运行方向发展。激光触发折叠型螺旋脉冲调
制器的研究,一方面将折叠线与螺旋线技术相结合,是实现长脉冲输出的重要方
法;另一方面由于激光触发开关具有触发延迟及抖动小、运行稳定可靠、适合重
复运行和多个开关同步运行等优点,是开关技术发展的重要方向之一,因此利用
激光对折叠型双脉冲-长脉冲调制器的两个开关同步触发,可实现单台脉冲功率装
置同步输出两个脉冲,该调制器及其触发方案的研究为多台脉冲功率装置同步运
行奠定了基础。
论文的研究内容主要包括以下几个方面:
-长脉冲调制器的理论研究。
设计了一台折叠型脉冲调制器,分析了不同充电方式对调制器结构设计影响。
分别利用求解波动方程、波过程分析的方法,对长脉冲、双脉冲输出情况下,过
渡段阻抗、传输线阻抗以及负载阻抗对调制器输出波形的影响进行研究,结果表
明过渡段阻抗的不匹配会在负载电压波形中间(长脉冲情况)或尾部(双脉冲情
况)产生凸起或下凹;利用 PSpice 软件对调制器进行了全电路模拟,并用高压电
缆线开展了低压情况下(20kV)长脉冲、双脉冲输出的验证实验。理论分析、模
拟研究与验证实验结果基本一致。
、深入的研究。
激光触发开关是实现双脉冲调制器两个开关同步导通的关键技术,论文从理
论上分析了激光触发开关的基本原理,并对不同激光能量、欠压比下激光触发 SF6
气体开关进行了初步的仿真研究。
搭建了激光触发气体开关的实验测试平台,利用闪光灯泵辅的 Nd:YAG 激光
器,开展了不同波长(266nm、532nm、1064nm)激光、不同欠压比、不同透镜焦
距、不同激光通孔大小、不同电极材料以及不同气体种类对开关运行延时、抖动
影响的实验研究,得到激光波长越短,开关延时、抖动越小,欠压比越高,延时、
抖动越小等一系列有价值的实验结果,并对其进行了理论分析。
开展了激光同步触发两个开关的实验。不同欠压比下实验表明在激光能量
15mJ,透镜焦距 64cm,欠压比大于 70%时,两开关导通延时时间差小于 1ns,其
抖动大小为亚 ns;不同能量下实验表明,在欠压比 85%、透镜焦距 64cm、激光能
量大于 8mJ 时,两开关导通延时时间差小于 1ns,其抖动大小为亚 ns。实验的开
展为激光触发双脉冲调制器的研究奠定了基础。
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国防科学技术大学研究生院博士学位论文
利用超高速相机对激光导通过程中火花通道进行拍照,得到了的不同能量、
不同焦距下激光通道图像,并利用 Matlab 软件对图像进行处理,给出了轴向火花
通道长度。图像分析和实验结果表明:激光触发开关的轴向通道长度是影响气体
开关抖动大小的重要因素,当火花通道长度大于开关间距 40%时,开关延时时间
的抖动在亚 ns 量级。
。
建立了激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。利用 DG535 脉冲延时
发生器控制激光器的闪光灯和初级电脉冲触发系统的工作时刻,由电脉冲触发初
级触发气体开关,激光触发加速器主开关。通过对传输线充电电压滤波后进行采
样,再输出触发信号来触发激光器 Q 开关的方案,实现了激光触发与脉冲形成线
充电时刻的同步可控。
开展了激光触发调制器主开关的实验研究。在开关导通电压约 795kV 时,负
载上得到电压 402kV、电流 26kA、电功率 10GW、脉宽 128ns 的高功率电脉冲;
对激光触发开关的前沿时间与自击穿情况下进行了对比;在开关自击穿电压约
740kV 时,开展了氮气、六氟化硫气体开关抖动、延时特性的实验研究,实验证
明氮气气体开关的抖动要小于六氟化硫气体开关。
-长脉冲调制器的研究。
SOL Multiphysics 软件对折叠型脉冲调制器过渡段部分电容、电感
等参数,进行了三维的模拟计算,给出了不同过渡段介质下其阻抗、特征时间大
小。
在折叠型调制器长脉冲输出情况下,当过渡段为电容器油介质,在开关击穿
电压 720kV 时,负载上得到了电压 360kV,电流 24kA,脉冲宽度 264ns 的高功率
电脉冲;当采用乙二醇为过渡段介质时,脉冲宽度为 288ns