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国际高能脉冲X射线闪光照相加速器的发展综述
魏浩, 孙凤举, 邱爱慈, 杨海亮, 尹佳辉, 张鹏飞, 姜晓峰, 王志国
2022, 34: 094001. doi: 10.11884/HPLPB202234.210444
全固态电感储能形成线纳秒短脉冲功率调制器
马剑豪, 余亮, 马久欣, 贺大钊, 董守龙, 姚陈果
2022, 34: 095001. doi: 10.11884/HPLPB202234.210580
HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源研究
李嵩, 杨汉武, 樊玉伟, 张自成, 高景明, 荀涛, 樊鹏, 陈冬群, 钱宝良
2022, 34: 095014. doi: 10.11884/HPLPB202234.210526
封面目录
《强激光与粒子束》2022年34卷第9期封面目录
《强》刊编辑部
高功率微波技术
用八孔耦合器识别TM01/TE11混模中TE11模式的方法
任杰, 翁明, 雷乐, 林舒, 曹猛, 翟永贵
2022, 34: 093001. doi: 10.11884/HPLPB202234.220040
摘要:
在高功率微波传输系统中,为了提高功率容量和效率,往往采用过模波导,因此圆波导中往往出现TM01和TE11混合模式的情况。采用角向均匀分布的8孔圆波导耦合器,对提取TE11模式的混合比和极化角度的方法进行了分析和研究。分析了圆波导中TM01和TE11模式在耦合孔处的电场分布,并采用CST对各耦合孔的输出功率进行了模拟计算,得出相互正对的耦合孔的平均功率与8个孔的平均功率之比与模式之间的相位差无关的结论。同时,发现该比值与TE11模式的混合比成线性关系,线性关系中的比例系数是极化角度线性函数。通过线性拟合获得了计算TE11模式混合比和极化方向的表达式。与仿真设定的参数相比,用该表达式计算的结果表明,在TE11模式混合比小于30%时,用其计算TE11模式的混合比和极化角度是可行的,误差不超过10%。在此基础上,给出了实际情况下TE11模式信息的具体判断方法。
基于开放式TEM小室的电场探头校准及改进方法
王皓琰, 李俊娜, 龚渝涵, 刘建
2022, 34: 093002. doi: 10.11884/HPLPB202234.210461
摘要:
目前的电场探头标定实验大多只考虑TEM小室结构和性能的影响,在校准实验中,探头的放入使得标定结果产生了很大的偏差,相较于TEM小室,电场探头的尺寸是产生误差的主要原因。以开放式TEM小室为基础,考虑了实际模型和电场探头的影响,利用三维电磁仿真软件,从时域角度研究了不同结构和尺寸TEM小室的辐射场分布,并从频域角度对TEM小室的S参数进行分析。比较了探头放入小室前后的误差,并根据计算结果引入了电场的校准公式。为改善探头对电场的影响,设计了一种新型结构,结果表明,新结构在保证带宽的同时,提高了电场的均匀性和探头标定的准确度。
强流加速器与粒子束技术
国际高能脉冲X射线闪光照相加速器的发展综述
魏浩, 孙凤举, 邱爱慈, 杨海亮, 尹佳辉, 张鹏飞, 姜晓峰, 王志国
2022, 34: 094001. doi: 10.11884/HPLPB202234.210444
摘要:

高能脉冲X射线闪光照相加速器在高性能爆轰流体动力学实验研究中具有重要应用,是牵引高功率脉冲技术发展的重大需求之一。综述了射频直线加速器、电子感应加速器、基于高压脉冲源和高功率二极管的强流脉冲功率加速器3大类、5种闪光照相加速器技术路线的主要特点、代表性装置,对比了几种技术路线的特点,展望了未来发展趋势:一是大力发展共轴多脉冲X射线分幅照相技术;二是采用全固态脉冲功率组件实现加速器紧凑化、小型化和可移动。

能散对直线感应加速器焦斑分布的影响
王科, 代志勇, 夏连胜, 张篁, 李劲, 范培亮, 杨治勇
2022, 34: 094002. doi: 10.11884/HPLPB202234.210450
摘要:
介绍了均方根(RMS)、半高全宽(FWHM)和50%调制传递函数(MTF)等效均匀分布等焦斑尺寸评价方法。针对一台直线感应加速器,通过建立理论模型和开展逐束片PIC模拟研究了长脉冲(约100 ns)电子束的聚焦过程,分析了能量、流强与平顶区差异较大的脉冲上升/下降沿对FWHM和MTF焦斑尺寸的影响。研究结果表明:能散度较大的束流上升/下降沿会导致束流焦斑,尤其是MTF焦斑显著增长,在模拟结果中FWHM尺寸增长约9%,而MTF尺寸增长达到约24%,是目前导致束流底宽偏大的主要因素之一。
脉冲功率技术
全固态电感储能形成线纳秒短脉冲功率调制器
马剑豪, 余亮, 马久欣, 贺大钊, 董守龙, 姚陈果
2022, 34: 095001. doi: 10.11884/HPLPB202234.210580
摘要:
全固态电感储能型脉冲形成线调制器是实现高重复频率、电压高增益和短脉冲输出的一种全新方案。但开关非理想的动态特性和传输线固定的物理空间尺寸限制,难以实现高压短脉冲的产生和调控。为解决上述难题,通过电磁场分析建立了碳化硅场效应器件开关驱动模型,发现高速驱动和开关器件低寄生参数能有效改善开关动态特性,提出了板上高速开关及驱动集成设计解决方案。基于波过程分析和多开关时序逻辑控制理论,提出多开关削波电路拓扑方法和主动负载阻抗调制技术。实验结果表明,该调制器可产生上升时间2.1 ns,下降时间3.5 ns,脉冲宽度5.1 ns的方波短脉冲,并且脉冲宽度5~20 ns连续可调。10级叠加后验证了调整器高压能力,初级储能充电电压25 V时,电压增益可达336倍,重复频率200 kHz。
微秒长脉冲有磁场高功率微波二极管真空界面设计
杨汉武, 荀涛, 高景明, 张自成
2022, 34: 095002. doi: 10.11884/HPLPB202234.210472
摘要:
介绍了一种微秒长脉冲有磁场的真空二极管界面的设计和实验结果。采取了三种措施来抑制沿面闪络:一是阴极电子束挡板,用来拦截来自阴极和电子束漂移管的回流电子束;二是接地屏蔽板,使电场等势线和界面成约45°角,使阴极三结合点处发射的电子远离绝缘板;三是降低阴极三结合点处的场强,并使用一悬浮电位的金属环阻止电子倍增过程。计算了二极管内电场、磁场分布和电子束的运动轨迹并据此优化了真空界面的结构,实验验证了该二极管真空界面可以在400 kV、800 ns条件下正常工作,可以支持长脉冲高功率微波器件的研究。
基于光导开关的激光二极管触发三电极气体开关研究
付佳斌, 王凌云, 何泱, 冯传均, 谢卫平
2022, 34: 095003. doi: 10.11884/HPLPB202234.210536
摘要:
为实现激光二极管对气体开关的触发,采用从主回路开关两侧取电的基于光导开关一体化激光二极管触发气体开关结构,并对基于光导开关一体化激光二极管触发三电极气体开关进行了初步实验,实现了激光二极管输出能量83 µJ条件下40 kV/8 kA三电极气体开关的可靠触发,证明了技术可行性。但实验中的实测光导开关的工作寿命仅约数百次。
一种多通道高速数据采集系统软件
周文渊, 呼义翔, 尹佳辉, 罗维熙, 张信军
2022, 34: 095004. doi: 10.11884/HPLPB202234.210520
摘要:
多通道高速数据采集软件面临:被测信号多样化,通道设置及管理难度大;传输数据并发量大,传输稳定性和瞬时传输速度要求高;测量数据量大,后处理及速度快;实验数据重要性高,测试软件必须稳定可靠的挑战。软件采用模块化+图形化设计,使用SCPI命令对设备及通道进行设置;测试了75台示波器同时上传数据的传输速度;对比了LabVIEW波形显示和GDI+波形绘制的区别;完成了上位机故障情况下数据获取功能设计。结果表明:该数据采集软件可完成75台示波器的管理,实现300通道数据的上传、处理、显示、存储。100 kpts存储深度300通道数据上传时间为9.7 s,300通道波形刷新时间为0.91 s。
基于铁氧体传输线的脉冲陡化技术仿真研究
江进波, 曹宇, 罗正, 蔡宛辰, 王佳栋, 程廷强
2022, 34: 095005. doi: 10.11884/HPLPB202234.220092
摘要:
铁氧体传输线的脉冲陡化技术能够实现高频高功率快前沿脉冲输出,且具有固态化和紧凑化优点,已广泛应用于高功率微波源。关于铁氧体传输线脉冲陡化特性的仿真计算缺乏较为精确的模型,因此利用COMSOL仿真软件建立了铁氧体传输线仿真模型,考虑电磁波传播与磁芯磁化进动之间的相互影响,将Maxwell方程与Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程结合进行仿真计算,与实验结果进行对比验证了仿真模型的准确性。再在此模型基础上,研究了不同传输线长度、不同电压幅值,以及不同外加偏置磁场对脉冲波形的影响。结果表明:脉冲前沿随传输线长度的增大及电压幅值的增大而减小;外加偏置磁场对脉冲前沿有影响,选择合适的外加偏置磁场可以实现最小脉冲前沿输出。
水中针-板结构小能量脉冲火花放电特性
王芝, 韩若愚, 李显东, 陈鹏宇, 李奕璋, 缪劲松
2022, 34: 095006. doi: 10.11884/HPLPB202234.220022
摘要:
开展了J量级系统储能下电脉冲参数对水中火花放电特性影响研究。驱动源采用参数可调的固态重频纳秒脉冲电源,放电负载为水中针-板结构(间距1 mm),在低重频条件(约5 Hz)下进行实验。通过调节放电参数、拍摄高速阴影图像、光谱诊断以及声信号测量,研究水中脉冲放电的物理特性,得到不同放电参数下放电演化规律及其对声学、光谱特性影响。实验发现:在J量级储能下,放电通道连通两极后,回路电流在几百ns内快速上升至10 A左右,随后缓慢下降,持续50~60 μs。发现预设脉宽对放电影响较大,短脉宽条件下放电会被电源固态开关强制截断出现反向放电,而长脉宽条件下放电通道在后期变得不稳定甚至熄弧中断,出现气泡中二次放电现象。辐射光谱揭示了更多等离子体信息,推断通道电子密度在1018 cm−3量级,随着脉宽增加,特征谱线强度增加,表明活性粒子数密度增加,但粒子种类不变。短脉冲(<150 μs)作用下产生的脉冲声波的特征宽度在110~150 μs,而当脉宽继续增大,声波脉宽并不继续增加而是保持不变,保持在150 μs左右。研究结果对水中小能量火花放电的机理研究有一定参考价值,为水声学、液相等离子体等领域的应用提供思路。
基于高压模块供电的MCP-PMT高压击穿故障分析及设计改进
马烈华, 龙继东, 陈永涛, 王城, 丁明军, 李波, 李晏敏, 艾杰
2022, 34: 095007. doi: 10.11884/HPLPB202234.210475
摘要:
为克服MCP-PMT传统高压供电设备体积大、便携性差的问题,采用了基于小型化高压模块的高压供电方式。该系统在实际使用过程中发生了一起MCP-PMT高压击穿故障。详细分析了该系统的故障原因,将问题定位为MCP-PMT内部真空度下降导致的耐压性能下降,同时还发现了导致故障发生的诱因是高压模块在加电时刻存在的高压过冲现象。针对高压模块的过冲问题,本文提出了较为巧妙的设计改进方法并取得了良好的效果,进一步提高了MCP-PMT系统的工程应用可靠性。
Blumlein主放电开关中绝缘结构对沿面闪络电压的影响
武庆周, 李劲, 李远, 黄子平, 荆晓兵, 高峰, 陈茂, 刘邦亮
2022, 34: 095008. doi: 10.11884/HPLPB202234.220004
摘要:
Blumlein主放电开关作为关键部件被大量地应用于强流电子直线感应加速器等大型脉冲功率装置中,其中绝缘子在主开关中起隔离水或油与气体的作用。设备在高电压脉冲下长时间或高频次作用时,绝缘子气体侧会出现沿面闪络现象,严重影响直线感应加速器的可靠运行。对Blumlein主放电开关中的绝缘结构进行了电场仿真计算,通过对绝缘子的几何结构和电极形状的优化设计,有效调控了绝缘子表面和电极表面的电场分布,试制了不同构型的绝缘子,开展了在标准雷电波脉冲条件下的沿面闪络研究。研究结果表明,优化后的绝缘子的最低和最高沿面闪络电压相比原始结构分别提升了约35.9%和37.2%。
电触发真空沿面闪络开关工作特性初步研究
叶明天, 王真, 龙天骏, 周林, 李正宏
2022, 34: 095009. doi: 10.11884/HPLPB202234.210445
摘要:
为研究电脉冲触发真空沿面闪络开关在中、小通流条件下的适用性,基于直接镀铜基板工艺制作了真空沿面闪络开关样件并搭建了开关工作特性测试实验平台。通过实验手段初步研究了开关耐压特性、触发工作特性(触发延时、抖动、工作范围)和寿命特性。实验结果表明:有效间隙7.2 mm的真空沿面闪络开关直流耐压约40 kV;开关在18 kV工作电压下触发导通延时89.9 ns,抖动13.1 ns,开关在1~18 kV工作电压范围内均能可靠触发导通;连续考核约2300次后开关各项特性无明显变化。
三平板传输线结构的解析分析方法
毛重阳, 王冠琼, 王小光
2022, 34: 095010. doi: 10.11884/HPLPB202234.210469
摘要:
在考虑不等宽度三平板传输线的极板边缘效应和极板厚度的条件下,建立了单位长度电容、特性阻抗和各位置电场强度幅值的解析求解方法。该方法利用保角变换,将三平板传输线的不规则场边界变换为规则边界,所得结果是不带有任何近似的准确值。该方法计算结果与利用商业软件Ansoft进行模拟所得结果一致,证明该方法正确且可行。
一种调节Marx电源脉冲边沿的驱动电路
张睿, 饶俊峰, 李孜, 姜松, 王永刚
2022, 34: 095011. doi: 10.11884/HPLPB202234.220011
摘要:
为了调节固态Marx发生器输出脉冲的边沿,提出了一种新型的的驱动电路,该方案通过调整充放电管的驱动电压,结合驱动电路的硬件结构,调节米勒平台时间,进而调整充放电管开通速度,实现了对于高压输出脉冲的边沿调节,其结构简单,不需要每级独立的控制信号。对于该电路中驱动电压和开关管开通速度的关系建立了模型进行了推导。结合理论分析结果设计了驱动电路的参数,仿真结果表明该驱动电路能够调节输出脉冲边沿。搭建带有设计参数下驱动电路的固态Marx发生器在容性负载下和阻性负载下进行了实验验证。利用该方案实现了对于6级Marx电路的3.6 kV输出脉冲在55~7.7 µs的边沿调节,验证了该方案的可行性,并对比分析了不同阻性负载对于脉冲边沿造成的影响。实验结果表明:该电路在提高固态脉冲电源的边沿调节性能方面有独特的优势。
基于能量回收原理脉冲变压器复位系统仿真与实验研究
王庆峰, 车永旺, 李相强, 张健穹, 唐先锋
2022, 34: 095012. doi: 10.11884/HPLPB202234.210432
摘要:
为提升脉冲功率系统中脉冲变压器的磁芯利用率,提出了一种基于能量回收原理的脉冲变压器复位系统。根据磁芯磁滞回线分析了基于能量回收原理复位系统在一个周期内磁感应强度的变化过程,推导给出了脉冲变压器励磁电流、复位电容电压在不同阶段的求解公式。建立了基于能量回收原理脉冲变压器复位系统的仿真模型,通过仿真结果验证了复位系统理论分析和求解公式正确性。在此基础上构建了基于脉冲变压器升压及能量回收复位系统的脉冲调制器试验平台,在相同脉冲宽度下对比有复位系统和无复位系统脉冲调制器的励磁电流,结果表明,有复位系统脉冲调制器可有效提高磁芯的利用率。对有复位系统的脉冲调制器进行重频实验,结果表明复位系统可实现1 kHz重频稳定工作。
kA级脉冲电流注入环的电路建模与分析
董亚运, 崔志同, 程引会, 秦锋, 聂鑫
2022, 34: 095013. doi: 10.11884/HPLPB202234.210565
摘要:
为满足kA级脉冲电流注入应用需求,设计了一种基于非晶磁芯的电流注入环,其初级线圈采用线缆直接引出的方式,有效解决了传统注入环N型电缆接头耐压不足的问题。之后根据注入环结构建立了其电路模型,并应用粒子群优化算法确定了模型参数值。频域和时域的验证实验表明,仿真结果和实验结果具有较好的一致性,验证了该电路模型的可靠性和正确性。对注入环的实际应用场景进行了仿真分析,结果表明该电流注入环可满足实际应用中kA级脉冲电流注入的需求。
特种电源技术
HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源研究
李嵩, 杨汉武, 樊玉伟, 张自成, 高景明, 荀涛, 樊鹏, 陈冬群, 钱宝良
2022, 34: 095014. doi: 10.11884/HPLPB202234.210526
摘要:
通过理论计算、数值仿真和实验验证的方法,研究了一台峰值功率数十GW、重复频率5 Hz的重复频率高功率脉冲驱动源,命名为“HEART-50”。该脉冲驱动源由充电电源、初级开关、脉冲形成线、主开关、阻抗变换线,以及假负载构成。首先介绍了HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源整体设计思路;其次,对基于混合液体介质的高功率脉冲形成线和气体介质主开关进行了数值分析,并对其全电路工作能力进行了仿真分析;最后,对研制的HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源进行了实验验证。结果表明,脉冲驱动源能够输出峰值电压520 kV,脉冲宽度约90 ns,脉冲上升沿小于25 ns,重复频率5 Hz的准方波电脉冲,峰值电功率约为25.3 GW,且具有较好的运行稳定性。
240 kJ模块化能库型脉冲放电电源研制
李松杰, 赵娟, 康传会, 黄宇鹏, 邓维军, 肖金水, 丁明军, 李波, 关键, 毛傲华, 李洪涛, 鄂鹏, 马勋
2022, 34: 095015. doi: 10.11884/HPLPB202234.210564
摘要:
空间等离子体环境模拟与研究装置用于在地面模拟空间磁场和等离子体环境,需要在3.5 μH电感、0.8 mΩ电阻的环向场线圈负载上产生前沿130 μs、降流时间不大于1600 μs、峰值260 kA的脉冲电流,因此设计了一套模块化的电容器型放电电源。针对相对较小电感的负载,根据设计要求的放电波形和开关组件通流能力,考虑负载短路故障的情形,给出了保护电感、优化的模块数量等回路参数计算方法。进一步采用传输电缆作为能量传输,同时将电缆寄生电感作为保护电感的方案,研制了一套由4个模块组成的放电电源。研究结果表明,本文给出的电路理论计算结果与设计要求一致,放电试验进一步证明电源设计满足设计放电波形要求。
正负双极性直流高压充电电源设计
李波, 赵娟, 李洪涛, 张信, 马勋, 李松杰, 肖金水, 黄宇鹏, 康传会
2022, 34: 095016. doi: 10.11884/HPLPB202234.210490
摘要:
高压脉冲电容器是脉冲功率系统中应用较广的储能器件。根据大容量能库型脉冲装置对充电电源的技术要求,研制了一种输出电压±0.5~±10 kV可调、最大平均功率约3 kW、双极性一体化直流高压充电电源。设计上采用控制电路与正负双极性直流高压输出主电路一体化方式,通过隔离、屏蔽和保护措施,解决了目前双极性直流高压充电电源存在的正负极性电压不平衡、采样控制信号与高压地未隔离问题,减小了电源体积,提高了电源的鲁棒性、可靠性和电磁干扰能力。100多台充电电源在18.3 MJ脉冲装置中同时运行,在复杂电磁干扰环境下可靠稳定工作。
600 A重复频率脉冲恒流源研制
杨振宇, 李柳霞, 张钦, 李化, 林福昌
2022, 34: 095017. doi: 10.11884/HPLPB202234.210510
摘要:
针对国内脉冲恒流源幅值较小、重复频率较低等问题,设计了基于电流闭环反馈控制的恒流电路,建立了相应的数学模型,并采用Pspice仿真验证了电路的功能,最终研制了1台600 A重复频率工作的脉冲恒流电源。电源采取储能放电配合高速开关的工作模式,使用功率场效应三极管作为线性调整开关,可大范围自动恒流,适用于激光二极管负载。输出的脉冲电流幅值最高600 A,上升时间小于40 μs,电压幅值最高320 V,脉宽100~600 μs可调,工作重复频率最高200 Hz。电源体积较小,结构紧凑,效率可达90%以上。
砷化镓光导开关的损伤形貌研究
沙慧茹, 肖龙飞, 栾崇彪, 冯琢云, 李阳凡, 孙逊, 胡小波, 徐现刚
2022, 34: 095018. doi: 10.11884/HPLPB202234.210579
摘要:
制作了同面型砷化镓光导开关,并测试了其导通性能。在偏置电压8 kV、激光能量10 mJ、重复频率10 Hz的条件下,研究了光导开关触发104次后器件表面的损伤形貌。利用激光扫描共聚焦显微镜,对电极边缘及电极间的损伤形貌进行分析,研究发现阳极边缘由于热积累形成热损伤,而阴极边缘的热损伤来源于热应力,并对电极间损伤形貌进行细致表征及分类。
前沿技术与交叉科学
阵列式等离子体射流处理芽孢的实验研究
陈竑钰, 张勇, 刘振, 闫克平
2022, 34: 099001. doi: 10.11884/HPLPB202234.220003
摘要:
研制了一套单极性微秒脉冲阵列式等离子体射流系统,该系统可在大气压下激发产生等离子体射流,实现大面积的灭菌处理。该系统可产生峰值电压20 kV、频率15 kHz的高压脉冲,激发产生的射流均匀稳定,覆盖面积达37.7 cm2,射流长度达6 cm,射流功率为40.05 W,处理5 min可使射流覆盖范围内的枯草芽孢杆菌的芽孢基本全部失去活性。考察了不同参数对灭菌效率的影响,结果表明,灭菌率与工作电压、脉冲频率、处理时间呈正相关,在氦气氛围下有较好的灭菌效果。SEM显示等离子体射流能够对枯草芽孢杆菌的芽孢外壳结构造成损坏,导致芽孢无法正常代谢,最终死亡。
一种波束赋形可调的导航天线设计
周凯翔, 袁健锋, 袁雪林
2022, 34: 099002. doi: 10.11884/HPLPB202234.210531
摘要:
提供一种新的调节半功率波束宽度的思路,并设计了一款可实现波束宽度变换以应用于不同波束赋形场景的北斗二号B3频段的导航天线。基于四阵元双馈源的微带贴片天线阵列,在HFSS有限元仿真软件中根据理论进行建模仿真并优化。在保持右旋圆极化的基础上,不用改变阵列的结构,只需适当调节各个阵元激励的幅度与相位,就能实时缩小或者扩大半功率波束宽度,分别实现主瓣方向可调的定向波束赋形与宽波束赋形以应对不同的工作环境,并且具有定向抗干扰能力。仿真结果表明:定向波束赋形与宽波束赋形在B3中心频点的最大增益分别约为7.13,3.56 dBi,半功率波束宽度分别为52°,119°,3 dB轴比宽度分别为90°,166°;在整个B3频段内各个馈电端口反射系数低于−11 dB,相邻端口隔离度低于−28 dB。设计的波束赋形方式可调的导航天线适用于在无遮挡的开阔空间与特定的遮挡环境之间经常切换的工作场景,改善传统的机动式导航终端在“城市峡谷”等高遮蔽角环境下增益较低的缺点。