1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳 621900；中国工程物理研究院 研究生院，北京 100088
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳 621900
3 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳 621900；哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001
为了抑制聚四氟乙烯材料表面电荷积聚，采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入以改善其表面性能。对注入前后的聚四氟乙烯材料样品进行了X射线光电子能谱分析（XPS）、傅里叶红外光谱测试（FTIR）、水接触角测量、表面电阻率测量以及表面电位衰减测量，并基于等温表面电位衰减理论对其表面陷阱能级和密度分布进行了计算，以分析聚四氟乙烯样品经离子注入处理后其表面成分和物理性能的变化，并研究了这些变化对聚四氟乙烯样品表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明：氮离子注入后，聚四氟乙烯材料表面化学成分的主要变化是自身分子结构的破坏和转化，部分CF2结构转变为CF和CF3结构，导致样品表面陷阱能级变浅；水接触角升至140°左右，比未处理样品上升了约27°，表面电阻率降至3×1015 Ω，比未处理样品下降了两个数量级；表面电晕放电1 min后，经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面积聚电荷量减少，消散速度加快，这是因为表面陷阱能级变浅有利于表面电荷脱陷，同时表面电阻率降低也促进了表面电荷沿面传导的消散过程，聚四氟乙烯样品表面陷阱能级分布曲线也证实了这一论点。
聚四氟乙烯 氮离子注入 表面电荷 积聚消散 表面电阻率 表面陷阱特性 PTFE nitrogen ion implantation surface charge accumulation and dissipation surface resistivity surface trap characteristics 强激光与粒子束
2020, 32(7): 075001
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
以FR-4环氧玻璃纤维布为介质材料, 研制了一种S型平板折叠式固态脉冲形成线。从理论上和实验上分析了脉冲形成线的放电过程。重点研究了边缘特性对其特性阻抗的影响, 给出了改进的特征阻抗表达式; 分析了相邻效应和集肤效应对脉冲形成的影响, 给出了脉冲波形中出现高频噪声的原因; 实验上验证了使用寿命与外加电场的关系。采用多级折叠线串并联模块化技术, 提高了模块电压, 降低了特性阻抗, 研制了一种基于串并联技术的Blumlein线模块。该模块的耐压大于120 kV, 特性阻抗约为7 Ω, 脉冲宽度为138 ns。
紧凑型脉冲功率源 脉冲形成线 平板折叠线 快放电 high power pulsed source pulse forming line planar S-type folded line fast discharge process 强激光与粒子束
2019, 31(1): 015003
1 中国工程物理研究院 研究生部, 北京 100088
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求, 研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关, 并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系, 计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数, 分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明：气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大; 填充气体中SF6和 N2体积比1∶1时, 混合气体的综合性能较好; 工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。
气体开关 抖动 脉冲功率技术 gas switch time jitter pulse power technology 强激光与粒子束
2018, 30(10): 105003
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所， 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
2 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室, 哈尔滨 150001
基于高功率脉冲功率系统小型化和模块化发展要求，研制了一种集储能和脉冲形成功能为一体的脉冲形成模块。通过发展非均匀脉冲形成技术，成功将传统脉冲形成网络的级数降至两级，并保持其输出波形为近方波，大幅降低了近方波脉冲形成模块的体积重量。模块内部电容采用串联分压结构以提高其耐电压值，采用折叠式薄膜电容以提高其储能密度，结合薄膜/变压器油混合绝缘方式，实现了紧凑化、耐高压设计。利用PSpice电路仿真，结合最坏情况模拟等方法，分析了模块内部电参数对其输出特性的影响，并进行了实验验证。模块耐电压值可达120 kV，单次储能密度高达41 kJ·m-3，可输出脉宽约180 ns的近方波高压脉冲。该模块将传统需要五级以上的脉冲形成网络的实际应用发展到两级，有利于实现多级高压方波Marx系统的紧凑化、模块化设计。
紧凑化 非均匀脉冲形成 双电容 近方波波形 电路仿真 compact design nonuniform PFN 2-capacitors quasi-square waveform electrical circuit simulation 强激光与粒子束
2018, 30(8): 085004
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
基于高功率重复频率脉冲功率源的需求, 开展了高功率脉冲充电电源的重复频率特性研究, 分析了基于全桥串联谐振充电原理的恒流充电技术。根据高功率Marx型脉冲功率源的工作要求, 计算了串联谐振充电的各个关键参数。研制的紧凑型高功率脉冲充电电源, 最大输出电压±50 kV, 充电电流2.5 A, 重复频率1~50 Hz连续可调, 可在重复频率条件下长时间稳定运行。该充电电源体积小、质量轻、抗干扰能力和抗负载短路能力强, 已经应用于高功率重复频率脉冲功率源技术研究, 实现了10万次重复频率无故障运行。
脉冲功率技术 Marx发生器 重复频率 串联谐振充电 pulsed power technology Marx generator repetitive frequency series resonant charging 强激光与粒子束
2018, 30(6): 065003
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节, 同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题, 课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式, 并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展, 包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置: 同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20 GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状, 为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。
紧凑型脉冲功率源 Marx发生器 重复频率 脉冲形成线 compact pulsed power source Marx generator repetition frequency pulse forming line 强激光与粒子束
2018, 30(2): 020201
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
介绍了一种基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源的设计与实验,脉冲功率源系统体积约0.5 m3,输出功率大于4 GW、脉宽约150 ns。该脉冲功率源采用模块化设计,系统主要包括充电组件、薄膜介质线模块和气体火花间隙开关组三个部分。薄膜介质线储能介质为聚酰亚胺薄膜,为抑制电磁耦合以及电晕现象,匝间距选为30 mm。优化设计的三电极场畸变开关直径150 mm、高45 mm、电感值16.2 nH。为降低系统电感,薄膜介质线模块与开关间采用传输线的布线方式,中间绝缘采用聚酰亚胺膜,在2 mm间距下实现了100 kV耐压。
紧凑型脉冲功率源 薄膜介质线 电磁耦合 匹配负载 compact pulsed power source dielectric line electromagnetic coupling matching load 强激光与粒子束
2017, 29(4): 045004
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
介绍了一种基于电触发技术的重复频率脉冲驱动源,其突破了双电容结构脉冲成形、紧凑型结构高压产生、大电流条件下重复频率稳定运行等关键技术,采用电路结构最简单的Marx电压叠加技术,解决了Marx在重复频率运行中的技术难点。脉冲功率驱动源设计输出功率20 GW、脉冲宽度180 ns、重复频率1~50 Hz,输出功率和重复频率在一定范围内可调。研制的脉冲功率驱动源体积仅2.5 m3,重量低至2.2 t,脉冲形成单元储能密度高达23 kJ·m-3,驱动源单次工作状态下输出功率约20 GW; 在重复频率30 Hz工作状态下,输出功率16 GW、连续运行时间10 s、系统抖动约6 ns,系统运行稳定可靠。
脉冲功率技术 Marx发生器 脉冲形成网络 高功率微波 重复频率 pulse power technology Marx generator pulse forming network high power microwave repetition rate 强激光与粒子束
2017, 29(2): 020101
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
为了提高脉冲形成线的输出耐压,采用组叠的方式将多个单级脉冲形成线进行串叠,可实现脉冲功率系统的小型化设计。基于多级薄膜介质线脉冲形成叠加技术,研究了气体火花间隙开关对多级脉冲形成线输出波形的影响。介绍了开关的设计原则,分析了开关抖动、开关电感、开关电阻对多级脉冲形成线输出特性的影响,并且从实验上研究了开关的导通特性对脉冲形成线输出波形的影响。实验结果表明: 开关抖动会引起脉冲输出波形平顶时间减小,并且开关触发抖动会引起绝缘介质上的过电压条件,从而影响系统的绝缘设计; 开关电感会使脉冲前沿变缓,平顶宽度变窄,后沿存在扭曲变形,存在拖尾现象; 开关电阻的存在会降低输出效率。
气体开关 薄膜介质 脉冲形成线 抖动 gas switch film dielectric pulse forming line jitter 强激光与粒子束
2014, 26(4): 045032
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
研制了一套紧凑型脉冲功率源系统, 用于驱动低阻抗磁绝缘线振荡器（MILO）。脉冲功率源采用Marx发生器技术路线, 由10级电容和开关组成, 单级电容为100 nF/100 kV电容, 开关采用环形轨道气体火花间隙开关, 通过紧凑型结构设计, 降低系统回路电感, 采用电阻作为级间放电的隔离元件, 整个Marx发生器系统放置于变压器绝缘油中, 以实现高压绝缘。Marx发生器系统充电电压为±50 kV, 总储能5 kJ, 在12 Ω的水负载上可以获得600 kV, 50 kA的脉冲输出, 脉冲上升时间小于100 ns。系统尺寸为1.2 m×0.5 m×0.6 m。基于该低阻抗脉冲功率系统, 直接驱动低阻抗磁绝缘线振荡器。在二极管电压约450 kV, 电流约40 kA 条件下, 测得辐射微波功率约400 MW, 微波脉宽约 60 ns, 微波频率1.23 GHz, 辐射微波模式为TM01模。
低阻抗 紧凑型 Marx发生器 磁绝缘线振荡器 高功率微波 low impedance compact Marx generator magnetically insulated transmission line oscillato high power microwave
