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RSS2020年 32卷 第2期
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2020, 32: 025002.
doi: 10.11884/HPLPB202032.200040
2020, 32: 025003.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190375
2020, 32: 025013.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190331
2020, 32: 025002.
doi: 10.11884/HPLPB202032.200040
摘要:
从脉冲功率科学技术的基本内涵出发，回顾我国脉冲功率发展历史，按照高功率脉冲加速器建设历程，我国脉冲功率技术发展史可大致分成三个阶段：自主创业、加速成长到创新超越；尝试以国际视野介绍我国在闪光照相、Z箍缩、高功率微波、电磁发射和工业应用等方面的发展成就；简要阐述脉冲功率技术未来发展趋势，建议大力发展先进辐射源技术，关注爆磁压缩技术，加强HPM、抗核加固和电磁发射等各类负载技术攻关，加大协同创新和应用推广。
从脉冲功率科学技术的基本内涵出发，回顾我国脉冲功率发展历史，按照高功率脉冲加速器建设历程，我国脉冲功率技术发展史可大致分成三个阶段：自主创业、加速成长到创新超越；尝试以国际视野介绍我国在闪光照相、Z箍缩、高功率微波、电磁发射和工业应用等方面的发展成就；简要阐述脉冲功率技术未来发展趋势，建议大力发展先进辐射源技术，关注爆磁压缩技术，加强HPM、抗核加固和电磁发射等各类负载技术攻关，加大协同创新和应用推广。
2020, 32: 025003.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190375
摘要:
强流脉冲电子束源是高功率微波系统的核心部件之一，针对未来应用需求，亟需从绝缘、束流输运和热管理等多个方面提升强流束源技术性能。介绍了国防科技大学在高功率微波源用强流真空电子束源方面的研究进展。针对高功率微波管保真空需求，基于陶瓷金属钎焊，设计并研制了一种强场陶瓷真空界面，耐压大于600 kV、平均绝缘场强达到44 kV/cm、耐受脉宽大于80 ns，重复频率运行稳定；研制了一种基于SiC纳米线的强流电子束源冷阴极，在90 kV/cm的场条件下获得了1.17 kA/cm2的束流密度，相比传统天鹅绒阴极，SiC纳米线阴极的宏观电稳定性、发射均匀性及运行寿命均得到显著提高；针对相对论返波管，研制基于螺旋水槽型的强流电子束收集极，克服了高比能和低流速的矛盾，耐受热流密度达到1012 W/m2，能够满足系统长脉冲、高重复频率运行要求。
强流脉冲电子束源是高功率微波系统的核心部件之一，针对未来应用需求，亟需从绝缘、束流输运和热管理等多个方面提升强流束源技术性能。介绍了国防科技大学在高功率微波源用强流真空电子束源方面的研究进展。针对高功率微波管保真空需求，基于陶瓷金属钎焊，设计并研制了一种强场陶瓷真空界面，耐压大于600 kV、平均绝缘场强达到44 kV/cm、耐受脉宽大于80 ns，重复频率运行稳定；研制了一种基于SiC纳米线的强流电子束源冷阴极，在90 kV/cm的场条件下获得了1.17 kA/cm2的束流密度，相比传统天鹅绒阴极，SiC纳米线阴极的宏观电稳定性、发射均匀性及运行寿命均得到显著提高；针对相对论返波管，研制基于螺旋水槽型的强流电子束收集极，克服了高比能和低流速的矛盾，耐受热流密度达到1012 W/m2，能够满足系统长脉冲、高重复频率运行要求。
2020, 32: 025004.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190330
摘要:
建立了“聚龙一号”驱动器4层绝缘堆和真空区电路模型。在4层绝缘堆入口处，采用预测−校正的计算方法处理4层绝缘堆的输入电流分配问题，避免了复杂的二维电路模拟，既保证了精度，又大大提高了计算效率。将此新模型加入FCM-PTS程序中，与零维负载内爆动力学程序耦合，得到了各层外磁绝缘传输线的电流波形模拟结果，并改善了负载电流峰值的模拟结果与实验结果的一致性。
建立了“聚龙一号”驱动器4层绝缘堆和真空区电路模型。在4层绝缘堆入口处，采用预测−校正的计算方法处理4层绝缘堆的输入电流分配问题，避免了复杂的二维电路模拟，既保证了精度，又大大提高了计算效率。将此新模型加入FCM-PTS程序中，与零维负载内爆动力学程序耦合，得到了各层外磁绝缘传输线的电流波形模拟结果，并改善了负载电流峰值的模拟结果与实验结果的一致性。
2020, 32: 025005.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190328
摘要:
砷化镓光导开关（GaAs-PCSS）是具有快响应、高重频、低抖动、高功率容量的半导体光电导开关，多通道设计能够有效降低GaAs-PCSS非线性大电流导通时的损伤，提高开关寿命。为探究GaAs-PCSS多通道同步导通的必要条件，在基于固态脉冲形成线的实验平台上，通过特殊设计的夹具，将多枚GaAs-PCSS并联连接以作为脉冲形成电路的开关，以对各GaAs-PCSS施以不同的触发信号进行测试。实验结果证明：相同触发信号下，开关导通电流被成功地均分到4个GaAs-PCSS通道中；不同触发信号下，为获得较好的电流均分效果，各通道触发延迟时差须小于1 ns，触发能量差须小于20 μJ。设计了分体式、单体式两种结构的多通道GaAs-PCSS，其中基于刻蚀工艺的单体式20通道GaAs-PCSS在7 000余次大电流工作后仅发生轻微损伤。
砷化镓光导开关（GaAs-PCSS）是具有快响应、高重频、低抖动、高功率容量的半导体光电导开关，多通道设计能够有效降低GaAs-PCSS非线性大电流导通时的损伤，提高开关寿命。为探究GaAs-PCSS多通道同步导通的必要条件，在基于固态脉冲形成线的实验平台上，通过特殊设计的夹具，将多枚GaAs-PCSS并联连接以作为脉冲形成电路的开关，以对各GaAs-PCSS施以不同的触发信号进行测试。实验结果证明：相同触发信号下，开关导通电流被成功地均分到4个GaAs-PCSS通道中；不同触发信号下，为获得较好的电流均分效果，各通道触发延迟时差须小于1 ns，触发能量差须小于20 μJ。设计了分体式、单体式两种结构的多通道GaAs-PCSS，其中基于刻蚀工艺的单体式20通道GaAs-PCSS在7 000余次大电流工作后仅发生轻微损伤。
2020, 32: 025006.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190326
摘要:
针对三电极气体火花开关工作时产生的强电磁辐射，首先对开关的导通电流及其电磁辐射进行了理论分析，利用CST电磁仿真软件对气体火花开关开展了静电场仿真研究，分析了开关短程导通时的击穿场强；其次对三电极气体火花开关的导通电流和远场辐射场强进行了实验测量，对实验结果进行分析和总结；最后采用电磁屏蔽方法对开关的强电磁辐射进行了有效抑制。研究结果可以为有关脉冲功率装置的电磁辐射及防护提供参考和借鉴。
针对三电极气体火花开关工作时产生的强电磁辐射，首先对开关的导通电流及其电磁辐射进行了理论分析，利用CST电磁仿真软件对气体火花开关开展了静电场仿真研究，分析了开关短程导通时的击穿场强；其次对三电极气体火花开关的导通电流和远场辐射场强进行了实验测量，对实验结果进行分析和总结；最后采用电磁屏蔽方法对开关的强电磁辐射进行了有效抑制。研究结果可以为有关脉冲功率装置的电磁辐射及防护提供参考和借鉴。
2020, 32: 025007.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190332
摘要:
分布储能式电磁轨道炮在长导轨发射中具备高发射效率优势，为实现分布储能式电磁轨道炮的恒流特点，建立可供发射器参数、结构设计参考的仿真模型尤为重要。针对口径为60 mm×80 mm的矩形轨道炮，根据电流波形的平稳性要求，沿导轨方向设置电流馈入点，诊断电枢位置并分时序触发各馈入点电源，以测试分布储能式电磁轨道炮的工作性能。在COMSOL三维磁场中建立矩形导轨-电枢模型，基于电流和磁场的多物理场耦合有限元分析得到磁场和电流的分布，并利用电磁场仿真结果实现电流趋肤效应下轨道电阻梯度计算。基于MATLAB SIMULINK平台对电容储能型脉冲功率电源模块建立电气电路；分析分布储能式电磁轨道炮非线性时变的动态特性并建立轨道及电枢阻抗模型，计算正向电磁力、滑动摩擦力构造电枢的运动方程，并使用信号电路建立电枢-导轨模块，通过Simulink测量模块连接两个隔离的网络，仿真计算得到导轨电流及电枢的出膛速度。设计了总储能为4.16 MJ的分布式储能轨道炮，结果显示，电容预充电压为10.8 kV时，导轨长为3 m的分布式电磁轨道炮可将1 kg的弹丸加速至1.4 km/s，与炮尾集中式电磁轨道炮相比，系统发射效率可提升约3%。
分布储能式电磁轨道炮在长导轨发射中具备高发射效率优势，为实现分布储能式电磁轨道炮的恒流特点，建立可供发射器参数、结构设计参考的仿真模型尤为重要。针对口径为60 mm×80 mm的矩形轨道炮，根据电流波形的平稳性要求，沿导轨方向设置电流馈入点，诊断电枢位置并分时序触发各馈入点电源，以测试分布储能式电磁轨道炮的工作性能。在COMSOL三维磁场中建立矩形导轨-电枢模型，基于电流和磁场的多物理场耦合有限元分析得到磁场和电流的分布，并利用电磁场仿真结果实现电流趋肤效应下轨道电阻梯度计算。基于MATLAB SIMULINK平台对电容储能型脉冲功率电源模块建立电气电路；分析分布储能式电磁轨道炮非线性时变的动态特性并建立轨道及电枢阻抗模型，计算正向电磁力、滑动摩擦力构造电枢的运动方程，并使用信号电路建立电枢-导轨模块，通过Simulink测量模块连接两个隔离的网络，仿真计算得到导轨电流及电枢的出膛速度。设计了总储能为4.16 MJ的分布式储能轨道炮，结果显示，电容预充电压为10.8 kV时，导轨长为3 m的分布式电磁轨道炮可将1 kg的弹丸加速至1.4 km/s，与炮尾集中式电磁轨道炮相比，系统发射效率可提升约3%。
2020, 32: 025008.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190294
摘要:
多绕组干式整流变压器作为托卡马克装置加热系统中高压电源的一个重要设备，其性能优良与否直接关系到高压电源的输出品质。开展变压器的功率损耗与散热分析研究，减少变压器因温度上升造成的性能影响，对保证变压器的良好工作状态是十分重要的。通过MATLAB对干空气下的比热容、传热系数等热物理性质与温度的关系进行拟合分析，得到相关的关系方程，对变压器的对流传热与热辐射进行分析计算，得到仅在空气自然对流和热辐射的情况下，不能使变压器的温度控制在满足性能的温度范围之内。在强迫空气对流的情况下，实现了变压器良好的散热。进一步利用ANSYS对变压器的温度场分布进行分析，利用温度场的分布趋势图观察强迫风冷相对于自然冷却的优点，强迫风冷降低了整体的温度，使热量更快地散发到周围大气中，减少了变压器受高温的危害。
多绕组干式整流变压器作为托卡马克装置加热系统中高压电源的一个重要设备，其性能优良与否直接关系到高压电源的输出品质。开展变压器的功率损耗与散热分析研究，减少变压器因温度上升造成的性能影响，对保证变压器的良好工作状态是十分重要的。通过MATLAB对干空气下的比热容、传热系数等热物理性质与温度的关系进行拟合分析，得到相关的关系方程，对变压器的对流传热与热辐射进行分析计算，得到仅在空气自然对流和热辐射的情况下，不能使变压器的温度控制在满足性能的温度范围之内。在强迫空气对流的情况下，实现了变压器良好的散热。进一步利用ANSYS对变压器的温度场分布进行分析，利用温度场的分布趋势图观察强迫风冷相对于自然冷却的优点，强迫风冷降低了整体的温度，使热量更快地散发到周围大气中，减少了变压器受高温的危害。
2020, 32: 025009.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190327
摘要:
设计了一台基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源，其核心部件为分数比可饱和脉冲变压器，用来实现固态磁开关、脉冲调制、电压升压等功能，再借助Marx技术、磁开关技术和反谐振网络调制技术建立全固态脉冲驱动源，初步实验结果表明当直流电源提供100 V的充电电压时，该全固态脉冲驱动源可输出14.4 kV左右的准方波信号，脉宽约194 ns，验证了该技术方案实现输出百纳秒准方波信号的可行性，为建立百MW长脉冲信号输出的全固态脉冲驱动源模块提供了设计思路。
设计了一台基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源，其核心部件为分数比可饱和脉冲变压器，用来实现固态磁开关、脉冲调制、电压升压等功能，再借助Marx技术、磁开关技术和反谐振网络调制技术建立全固态脉冲驱动源，初步实验结果表明当直流电源提供100 V的充电电压时，该全固态脉冲驱动源可输出14.4 kV左右的准方波信号，脉宽约194 ns，验证了该技术方案实现输出百纳秒准方波信号的可行性，为建立百MW长脉冲信号输出的全固态脉冲驱动源模块提供了设计思路。
2020, 32: 025010.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190390
摘要:
随着印染行业的快速发展，印染废水的排放与日俱增。由于废水中的有机物具有成分复杂、难以降解的特点，若未经有效处理直接排放，会对生态环境造成严重的污染和危害。试验设计了一种多针-网式反应器循环处理有机组分为酸性红73（AR73）的模拟废水，其采用自行设计的基于TLT（Transmission Line Transformer）的高压重频纳秒脉冲电源驱动。电源可以产生峰值电压为50 kV，脉宽40 ns，上升沿20 ns的纳秒脉冲信号，工作频率可达500 Hz。试验考察了峰值电压、放电频率、染料初始质量浓度及作用时间等因素对AR73降解效果的影响。为评价处理效果，采用紫外分光光度法分别测量了废水中剩余染料浓度、过氧化氢浓度等指标。结果表明，在初始浓度30 mg/L，循环流量3.4 L/min，放电间距30 mm，峰值电压44.26 kV，放电频率200 Hz条件下处理30 min，AR73降解率可以达到83.20%，单次脉冲注入能量为11.73 mJ，过氧化氢浓度为47.36 μmol/L，反应器脱色能效（G50）可以达到31.07 g·kW−1·h−1。增大放电电压可以进一步提高AR73降解率，溶液中活性物质浓度提高，但是能量效率有所下降。
随着印染行业的快速发展，印染废水的排放与日俱增。由于废水中的有机物具有成分复杂、难以降解的特点，若未经有效处理直接排放，会对生态环境造成严重的污染和危害。试验设计了一种多针-网式反应器循环处理有机组分为酸性红73（AR73）的模拟废水，其采用自行设计的基于TLT（Transmission Line Transformer）的高压重频纳秒脉冲电源驱动。电源可以产生峰值电压为50 kV，脉宽40 ns，上升沿20 ns的纳秒脉冲信号，工作频率可达500 Hz。试验考察了峰值电压、放电频率、染料初始质量浓度及作用时间等因素对AR73降解效果的影响。为评价处理效果，采用紫外分光光度法分别测量了废水中剩余染料浓度、过氧化氢浓度等指标。结果表明，在初始浓度30 mg/L，循环流量3.4 L/min，放电间距30 mm，峰值电压44.26 kV，放电频率200 Hz条件下处理30 min，AR73降解率可以达到83.20%，单次脉冲注入能量为11.73 mJ，过氧化氢浓度为47.36 μmol/L，反应器脱色能效（G50）可以达到31.07 g·kW−1·h−1。增大放电电压可以进一步提高AR73降解率，溶液中活性物质浓度提高，但是能量效率有所下降。
2020, 32: 025011.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190380
摘要:
为揭示液体电介质击穿过程中形成的气体放电通道对液体电介质放电过程的影响，以针—板电极间隙变压器油为研究对象，基于等离子体流体力学模型，引入了液体电介质放电过程中气相放电通道对电离机制及自由电荷迁移率的影响，建立了用于模拟脉冲电压下液体电介质放电过程的两相流体模型，仿真研究了纳秒脉冲下针板电极流注放电的起始与发展过程。仿真结果表明：采用Heaviside方程可以在模型的不同区域同时实现气相物理过程和液相物理过程的模拟与计算。气相物理过程的引入导致流注尾部电场显著降低，流注头部电场进一步增强，使流注通道的发展速度要高于传统液相模型，有助于加深对纳秒脉冲下液体电介质中预击穿流注的起始、发展过程的认识和理解。
为揭示液体电介质击穿过程中形成的气体放电通道对液体电介质放电过程的影响，以针—板电极间隙变压器油为研究对象，基于等离子体流体力学模型，引入了液体电介质放电过程中气相放电通道对电离机制及自由电荷迁移率的影响，建立了用于模拟脉冲电压下液体电介质放电过程的两相流体模型，仿真研究了纳秒脉冲下针板电极流注放电的起始与发展过程。仿真结果表明：采用Heaviside方程可以在模型的不同区域同时实现气相物理过程和液相物理过程的模拟与计算。气相物理过程的引入导致流注尾部电场显著降低，流注头部电场进一步增强，使流注通道的发展速度要高于传统液相模型，有助于加深对纳秒脉冲下液体电介质中预击穿流注的起始、发展过程的认识和理解。
2020, 32: 025012.
doi: 10.11884/HPLPB202032.0358
摘要:
快脉冲直线变压器型驱动源（FLTD）是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术，多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能，但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响，确定了电晕针电极的尺寸，之后研究了N2，CO2，SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性，研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明，N2中电晕电流较大且不稳定，空气中电晕电流比N2中低，且电晕放电较为稳定，微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时，气体开关击穿电压随气压升高线性增加，但存在低值击穿，微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时，击穿电压约为197.33 kV，标准偏差占击穿电压比例为1.50%，1% C4F7N /99%N2混合气体在0.15 MPa时，击穿电压约为190.42 kV，标准偏差为0.55%。这表明，微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。
快脉冲直线变压器型驱动源（FLTD）是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术，多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能，但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响，确定了电晕针电极的尺寸，之后研究了N2，CO2，SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性，研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明，N2中电晕电流较大且不稳定，空气中电晕电流比N2中低，且电晕放电较为稳定，微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时，气体开关击穿电压随气压升高线性增加，但存在低值击穿，微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时，击穿电压约为197.33 kV，标准偏差占击穿电压比例为1.50%，1% C4F7N /99%N2混合气体在0.15 MPa时，击穿电压约为190.42 kV，标准偏差为0.55%。这表明，微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。
2020, 32: 025013.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190331
摘要:
介绍了西北核技术研究院研制的4 MV脉冲X射线闪光照相装置（“剑光二号”）系统组成和实验结果。装置基于感应电压叠加器(IVA)驱动阳极杆箍缩二极管（RPD）技术，主要由前级脉冲功率源、感应电压叠加器和RPD等组成。前级脉冲功率源由两台3.2 MV低电感Marx发生器和四路同轴水介质线组成。每台Marx同时给两路脉冲形成线（特征阻抗6 Ω、电气长度30 ns）充电，充电峰值时间约370 ns。每路水介质线采用两级脉冲压缩，为感应腔馈入约1 MV/160 kA/60 ns电脉冲。电触发SF6气体开关、自击穿水开关分别用作主同步开关和脉冲陡化开关。感应电压叠加器采用四级1.5 MV感应腔串联，每级感应腔采用单点馈入结构。次级采用真空绝缘传输线实现电压叠加和功率传输，特征阻抗由30 Ω线性增大至120 Ω。采用4 MV电压下综合性能较优的RPD来产生强脉冲X射线。装置目前达到技术指标：输出电压4.3 MV、脉冲前沿(10%～90%) 21 ns、半高宽约70 ns、二极管电流85 kA，X射线半高宽约55 ns，整机延时（从Marx触发器输出到X射线产生）约749 ns，标准偏差约7 ns。当RPD阳极采用直径2 mm钨针时，正前方1 m处剂量约15.5 rad(LiF)，正向焦斑约1.4 mm。
介绍了西北核技术研究院研制的4 MV脉冲X射线闪光照相装置（“剑光二号”）系统组成和实验结果。装置基于感应电压叠加器(IVA)驱动阳极杆箍缩二极管（RPD）技术，主要由前级脉冲功率源、感应电压叠加器和RPD等组成。前级脉冲功率源由两台3.2 MV低电感Marx发生器和四路同轴水介质线组成。每台Marx同时给两路脉冲形成线（特征阻抗6 Ω、电气长度30 ns）充电，充电峰值时间约370 ns。每路水介质线采用两级脉冲压缩，为感应腔馈入约1 MV/160 kA/60 ns电脉冲。电触发SF6气体开关、自击穿水开关分别用作主同步开关和脉冲陡化开关。感应电压叠加器采用四级1.5 MV感应腔串联，每级感应腔采用单点馈入结构。次级采用真空绝缘传输线实现电压叠加和功率传输，特征阻抗由30 Ω线性增大至120 Ω。采用4 MV电压下综合性能较优的RPD来产生强脉冲X射线。装置目前达到技术指标：输出电压4.3 MV、脉冲前沿(10%～90%) 21 ns、半高宽约70 ns、二极管电流85 kA，X射线半高宽约55 ns，整机延时（从Marx触发器输出到X射线产生）约749 ns，标准偏差约7 ns。当RPD阳极采用直径2 mm钨针时，正前方1 m处剂量约15.5 rad(LiF)，正向焦斑约1.4 mm。
2020, 32: 025014.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190298
摘要:
介绍了快速关断半导体开关（DSRD）的工作原理，研究了开关内部的物理过程，分析了系统参数对开关输出特性的影响，研究发现：基区材料的击穿阈值越高、载流子饱和漂移速度越大输出电压上升速率越快；基区高的电场击穿阈值或低的掺杂浓度会增加器件关断时间和最大工作电压；考虑各参数的影响，基于高击穿阈值的DSRD是实现快脉冲输出的理想器件；缩短正向泵浦时间可有效抑制预脉冲，当正向泵浦时间小于200 ns时，输出脉冲波形基本不变；为了获得理想的脉冲前沿，反向电流应在达到峰值时完成对注入电荷的抽取。设计了单前级开关的DSRD泵浦电路，研制了基于DSRD的快脉冲产生系统，输出脉冲前沿约4 ns，电压约8 kV，电压上升速率约2 kV/ns，满足FID开关器件对触发电压的要求。
介绍了快速关断半导体开关（DSRD）的工作原理，研究了开关内部的物理过程，分析了系统参数对开关输出特性的影响，研究发现：基区材料的击穿阈值越高、载流子饱和漂移速度越大输出电压上升速率越快；基区高的电场击穿阈值或低的掺杂浓度会增加器件关断时间和最大工作电压；考虑各参数的影响，基于高击穿阈值的DSRD是实现快脉冲输出的理想器件；缩短正向泵浦时间可有效抑制预脉冲，当正向泵浦时间小于200 ns时，输出脉冲波形基本不变；为了获得理想的脉冲前沿，反向电流应在达到峰值时完成对注入电荷的抽取。设计了单前级开关的DSRD泵浦电路，研制了基于DSRD的快脉冲产生系统，输出脉冲前沿约4 ns，电压约8 kV，电压上升速率约2 kV/ns，满足FID开关器件对触发电压的要求。
2020, 32: 025015.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190280
摘要:
对脉冲工况下超导磁体失超保护系统的晶闸管阀组缓冲回路参数进行设计和优化。基于晶闸管反向恢复电流的指数衰减模型建立了晶闸管关断时刻的电流数学模型。通过测试实验获得关键参数之间的关系并结合晶闸管性能及系统要求在Matlab中建立晶闸管电流反向恢复模型。考虑关断时刻电流下降率、反向恢复电压峰值等性能指标要求及回路研制费用，提出了一种脉冲工况下晶闸管缓冲回路的参数设计及优化方法。在Matlab中搭建失超保护系统模型，对比优化前后缓冲回路对系统在晶闸管关断时刻电气性能的影响，仿真结果显示，相比于原参数，最优参数下，反向恢复电压峰值降低了11%，反向恢复电压变化率峰值降低了43%。同时，回路制造成本降低为原先的1/7。
对脉冲工况下超导磁体失超保护系统的晶闸管阀组缓冲回路参数进行设计和优化。基于晶闸管反向恢复电流的指数衰减模型建立了晶闸管关断时刻的电流数学模型。通过测试实验获得关键参数之间的关系并结合晶闸管性能及系统要求在Matlab中建立晶闸管电流反向恢复模型。考虑关断时刻电流下降率、反向恢复电压峰值等性能指标要求及回路研制费用，提出了一种脉冲工况下晶闸管缓冲回路的参数设计及优化方法。在Matlab中搭建失超保护系统模型，对比优化前后缓冲回路对系统在晶闸管关断时刻电气性能的影响，仿真结果显示，相比于原参数，最优参数下，反向恢复电压峰值降低了11%，反向恢复电压变化率峰值降低了43%。同时，回路制造成本降低为原先的1/7。
2020, 32: 025016.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190346
摘要:
晶闸管具有控制特性好、寿命长、噪声小等优点，目前在脉冲功率技术应用中，利用大功率晶闸管代替传统气体开关是研究趋势。晶闸管在高电压、大电流、重复频率工作条件下使用，需要对开关组件进行仔细的选型和组合。基于晶闸管的失效机理，对晶闸管组件在高电压、大电流、高di/dt，高du/dt、重复频率工作下的发热问题进行了理论分析、仿真计算和试验研究，对晶闸管组件在重复频率脉冲功率系统中的使用条件给出了理论依据。随着晶闸管工作电压、电流、频率增大，晶闸管的热损耗也越大，晶闸管的发热也越严重。为保证晶闸管安全稳定地工作，需要结温保持在安全范围内，不能长时间在重复频率下工作。
晶闸管具有控制特性好、寿命长、噪声小等优点，目前在脉冲功率技术应用中，利用大功率晶闸管代替传统气体开关是研究趋势。晶闸管在高电压、大电流、重复频率工作条件下使用，需要对开关组件进行仔细的选型和组合。基于晶闸管的失效机理，对晶闸管组件在高电压、大电流、高di/dt，高du/dt、重复频率工作下的发热问题进行了理论分析、仿真计算和试验研究，对晶闸管组件在重复频率脉冲功率系统中的使用条件给出了理论依据。随着晶闸管工作电压、电流、频率增大，晶闸管的热损耗也越大，晶闸管的发热也越严重。为保证晶闸管安全稳定地工作，需要结温保持在安全范围内，不能长时间在重复频率下工作。
2020, 32: 025017.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190311
摘要:
强电磁脉冲模拟装置中用于脉冲压缩的陡化电容器常采用电极与薄膜介质层叠的结构，其主要绝缘失效模式为沿面闪络。采用圆形平板电极，在SF6绝缘环境中和加载电压为前沿约30 ns的纳秒脉冲电压的条件下，实验研究了陡化电容器关键结构参数和气压对沿面闪络性能的影响。结果表明：（1）电极厚度、气隙和表面涂覆均不能明显改变层叠结构的沿面闪络电压；（2）气压可以提高层叠结构的沿面闪络性能，但是存在饱和趋势；（3）薄膜介质层数与沿面闪络电压近似线性比例关系；（4）增长薄膜介质伸出长度能显著提高沿面闪络电压。基于流注理论对上述结果进行了探讨，认为极不均匀场中，闪络起始主要由高场强区域决定，但是闪络通道的形成和发展主要由闪络路径上的背景电场决定，因此减小层叠结构三结合点处电场对闪络性能影响不大，但减小闪络通道发展路径上的背景电场，可以有效提高层叠结构的沿面闪络电压。
强电磁脉冲模拟装置中用于脉冲压缩的陡化电容器常采用电极与薄膜介质层叠的结构，其主要绝缘失效模式为沿面闪络。采用圆形平板电极，在SF6绝缘环境中和加载电压为前沿约30 ns的纳秒脉冲电压的条件下，实验研究了陡化电容器关键结构参数和气压对沿面闪络性能的影响。结果表明：（1）电极厚度、气隙和表面涂覆均不能明显改变层叠结构的沿面闪络电压；（2）气压可以提高层叠结构的沿面闪络性能，但是存在饱和趋势；（3）薄膜介质层数与沿面闪络电压近似线性比例关系；（4）增长薄膜介质伸出长度能显著提高沿面闪络电压。基于流注理论对上述结果进行了探讨，认为极不均匀场中，闪络起始主要由高场强区域决定，但是闪络通道的形成和发展主要由闪络路径上的背景电场决定，因此减小层叠结构三结合点处电场对闪络性能影响不大，但减小闪络通道发展路径上的背景电场，可以有效提高层叠结构的沿面闪络电压。
2020, 32: 025018.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190378
摘要:
参考“天蝎-Ι”原型机，重新设计了1 MV X光机系统，根据技术指标可靠性要求，对Marx发生器、场畸变开关、脉冲传输线、脉冲形成线及二极管等进行了可靠性设计。针对新设计的1 MV X光机系统，对其可靠性进行了实验研究，包含1 MV X光机系统的时间抖动和出光剂量稳定性等，根据调试实验结果制定1 MV X光机系统操作规程，按照规程对1 MV X光机系统进行了可靠性考核，连续工作81发次，最大时间抖动为146 ns，剂量为0.75～1.40 R @1 m，满足总体技术指标要求，可靠度达到98%。
参考“天蝎-Ι”原型机，重新设计了1 MV X光机系统，根据技术指标可靠性要求，对Marx发生器、场畸变开关、脉冲传输线、脉冲形成线及二极管等进行了可靠性设计。针对新设计的1 MV X光机系统，对其可靠性进行了实验研究，包含1 MV X光机系统的时间抖动和出光剂量稳定性等，根据调试实验结果制定1 MV X光机系统操作规程，按照规程对1 MV X光机系统进行了可靠性考核，连续工作81发次，最大时间抖动为146 ns，剂量为0.75～1.40 R @1 m，满足总体技术指标要求，可靠度达到98%。
2020, 32: 025019.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190336
摘要:
X光管是X射线源的关键部件，为了研制出便携式X射线标定源，研制了一种透射式X光管。该X光管是一个密封的电子束真空二极管，其阴极为竖直的梳齿状结构，电子更容易发射；靶窗为100 μm厚的钛片；内部为真空腔，使用95陶瓷作为真空界面绝缘体，采用金属-陶瓷封接工艺，真空度达到5×10−5 Pa。实验结果表明，所研制的X光管在距靶窗20 cm处剂量约为20 mR，此时X射线的脉冲宽度约为5 ns。
X光管是X射线源的关键部件，为了研制出便携式X射线标定源，研制了一种透射式X光管。该X光管是一个密封的电子束真空二极管，其阴极为竖直的梳齿状结构，电子更容易发射；靶窗为100 μm厚的钛片；内部为真空腔，使用95陶瓷作为真空界面绝缘体，采用金属-陶瓷封接工艺，真空度达到5×10−5 Pa。实验结果表明，所研制的X光管在距靶窗20 cm处剂量约为20 mR，此时X射线的脉冲宽度约为5 ns。
2020, 32: 025020.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190387
摘要:
漂移阶跃恢复二极管（DSRD）具有开关速度快、重频高、工作电流大等优点，在脉冲功率技术中很有应用前景。研究了一种基于磁饱和变压器的DSRD泵浦电路拓扑结构，具有体积小、重量轻、可靠性高等特点。根据DSRD的工作要求，采用功率MOSFET作为初级开关，结合磁饱和变压器的升压和磁开关特性，设计了DSRD的泵浦电路。利用Pspice软件对电路进行了仿真分析，验证了电路原理的正确性。在仿真分析的基础上，完成了一台原理样机的设计和电路实验。实验结果表明，该电源样机在前级充电电压800 V条件下，50 Ω负载上产生的脉冲幅值大于7 kV，前沿小于4.2 ns（10%～90%），半高宽约10 ns。
漂移阶跃恢复二极管（DSRD）具有开关速度快、重频高、工作电流大等优点，在脉冲功率技术中很有应用前景。研究了一种基于磁饱和变压器的DSRD泵浦电路拓扑结构，具有体积小、重量轻、可靠性高等特点。根据DSRD的工作要求，采用功率MOSFET作为初级开关，结合磁饱和变压器的升压和磁开关特性，设计了DSRD的泵浦电路。利用Pspice软件对电路进行了仿真分析，验证了电路原理的正确性。在仿真分析的基础上，完成了一台原理样机的设计和电路实验。实验结果表明，该电源样机在前级充电电压800 V条件下，50 Ω负载上产生的脉冲幅值大于7 kV，前沿小于4.2 ns（10%～90%），半高宽约10 ns。
2020, 32: 025021.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190309
摘要:
针对在空腔中的微分环（B-dot）探头输出信号存在低频增益的问题，分析了目前使用的“磁通穿透特征时间常数”一阶修正方法，提出了使用适当积分常数的积分器进行补偿的方法。对安装在同轴线及径向线电极孔中的B-dot进行实验，结果表明：当积分器的积分时间常数等于磁通穿透特征时间常数时，B-dot的测量结果与标准电流信号吻合。因此这也是空腔中的B-dot探头选取积分器的原则。该方法使用硬件直接获取了补偿后的测试结果，与软件修正方法比较操作较为简便。
针对在空腔中的微分环（B-dot）探头输出信号存在低频增益的问题，分析了目前使用的“磁通穿透特征时间常数”一阶修正方法，提出了使用适当积分常数的积分器进行补偿的方法。对安装在同轴线及径向线电极孔中的B-dot进行实验，结果表明：当积分器的积分时间常数等于磁通穿透特征时间常数时，B-dot的测量结果与标准电流信号吻合。因此这也是空腔中的B-dot探头选取积分器的原则。该方法使用硬件直接获取了补偿后的测试结果，与软件修正方法比较操作较为简便。
2020, 32: 025022.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190297
摘要:
利用石墨烯二维材料极好的场发射能力和发射稳定性，提出了石墨烯阴极提高气体开关击穿稳定性的技术路线。采用化学气相沉积法和基底腐蚀转移法两种方法制备金属基底石墨烯薄膜阴极。利用扫描电子显微镜和拉曼光谱表征了石墨烯薄膜阴极质量，确认了石墨烯层数和均匀性。实验研究了两种石墨烯薄膜阴极气体开关，在微秒脉冲均匀电场作用下的击穿特性，获得了击穿电压幅值和分散性的变化规律。结果表明：当气体为0.6 MPa N2、电极间距为5 mm时，铜基底石墨烯薄膜阴极平均击穿电压为85.9 kV，相对标准差为3.2%；不锈钢基底石墨烯薄膜阴极平均击穿电压仅为59.8 kV，相对标准差为2.4%。当两种阴极击穿电压均为80 kV时，相对标准差比较，不锈钢基底仅为铜基底的44%。分析认为，不锈钢基底石墨烯薄膜质量优于铜基底，石墨烯薄膜导致阴极表面微观场增强因子更高，表面分布更均匀，在电场作用下场致发射产生均匀稳定的大量初始电子流，降低了气体开关击穿电压，有效提高了击穿稳定性。
利用石墨烯二维材料极好的场发射能力和发射稳定性，提出了石墨烯阴极提高气体开关击穿稳定性的技术路线。采用化学气相沉积法和基底腐蚀转移法两种方法制备金属基底石墨烯薄膜阴极。利用扫描电子显微镜和拉曼光谱表征了石墨烯薄膜阴极质量，确认了石墨烯层数和均匀性。实验研究了两种石墨烯薄膜阴极气体开关，在微秒脉冲均匀电场作用下的击穿特性，获得了击穿电压幅值和分散性的变化规律。结果表明：当气体为0.6 MPa N2、电极间距为5 mm时，铜基底石墨烯薄膜阴极平均击穿电压为85.9 kV，相对标准差为3.2%；不锈钢基底石墨烯薄膜阴极平均击穿电压仅为59.8 kV，相对标准差为2.4%。当两种阴极击穿电压均为80 kV时，相对标准差比较，不锈钢基底仅为铜基底的44%。分析认为，不锈钢基底石墨烯薄膜质量优于铜基底，石墨烯薄膜导致阴极表面微观场增强因子更高，表面分布更均匀，在电场作用下场致发射产生均匀稳定的大量初始电子流，降低了气体开关击穿电压，有效提高了击穿稳定性。
2020, 32: 025023.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190304
摘要:
首先介绍了我国严峻的火灾形势，阐明现有气动和火箭发射灭火弹装置的研究现状，针对射程不足、火工品使用限制等问题，提出采用电磁线圈发射器发射灭火弹进行灭火，基于电流丝模型法设计了一种10级线圈发射器模型，以脉冲电容器作为初始能源，采用续流电路对线圈进行时序放电，可将7.2 kg抛体加速至最高速度171 m/s，出口速度154 m/s，发射效率达15%，分析表明现有电磁线圈发射器能够满足灭火弹的发射需要。提出一种智能化无人电磁弹射灭火弹消防系统，智能指挥控制系统利用无人机采集火场信息，制定灭火策略，指挥无人电磁发射灭火车发射灭火弹实现精准高效灭火，根据灭火效能评估结果调整灭火方案，直至完成灭火任务。
首先介绍了我国严峻的火灾形势，阐明现有气动和火箭发射灭火弹装置的研究现状，针对射程不足、火工品使用限制等问题，提出采用电磁线圈发射器发射灭火弹进行灭火，基于电流丝模型法设计了一种10级线圈发射器模型，以脉冲电容器作为初始能源，采用续流电路对线圈进行时序放电，可将7.2 kg抛体加速至最高速度171 m/s，出口速度154 m/s，发射效率达15%，分析表明现有电磁线圈发射器能够满足灭火弹的发射需要。提出一种智能化无人电磁弹射灭火弹消防系统，智能指挥控制系统利用无人机采集火场信息，制定灭火策略，指挥无人电磁发射灭火车发射灭火弹实现精准高效灭火，根据灭火效能评估结果调整灭火方案，直至完成灭火任务。
2020, 32: 025024.
doi: 10.11884/HPLPB202032.190325
摘要:
作为航天器电源系统的重要组成部分，太阳电池需要更高的转换效率和可靠性以及更长的使用寿命。通过在太阳电池表面覆盖抗辐照玻璃盖片，可以增强太阳电池对粒子辐射的防护，延长太阳电池的服役寿命，使航天器获得可靠的能源供应。硼硅酸盐玻璃就是一种理想的太阳电池玻璃盖片材料。采用蒙特卡罗方法，结合SRIM软件模拟研究质子辐照硼硅酸盐玻璃的损伤物理机理。基于粒子与物质相互作用的理论以及基本公式，通过分析不同入射能量的质子在硼硅酸盐玻璃中的阻止本领、电离能损、位移能损、空位的产生情况，对辐照损伤的物理机制进行研究。结果表明：能量为30～120 keV的质子辐照损伤主要发生在硼硅酸盐玻璃表面；质子沉积、空位分布等均为Bragg峰型分布；电离能损是能量损失的主要部分，随入射能量的增加而增大，导致电子的电离和激发；位移能损在玻璃内部随能量降低而增大，导致硼、氧和硅等空位缺陷的产生；电离效应和缺陷的产生是硼硅酸盐玻璃色心形成的重要原因。
作为航天器电源系统的重要组成部分，太阳电池需要更高的转换效率和可靠性以及更长的使用寿命。通过在太阳电池表面覆盖抗辐照玻璃盖片，可以增强太阳电池对粒子辐射的防护，延长太阳电池的服役寿命，使航天器获得可靠的能源供应。硼硅酸盐玻璃就是一种理想的太阳电池玻璃盖片材料。采用蒙特卡罗方法，结合SRIM软件模拟研究质子辐照硼硅酸盐玻璃的损伤物理机理。基于粒子与物质相互作用的理论以及基本公式，通过分析不同入射能量的质子在硼硅酸盐玻璃中的阻止本领、电离能损、位移能损、空位的产生情况，对辐照损伤的物理机制进行研究。结果表明：能量为30～120 keV的质子辐照损伤主要发生在硼硅酸盐玻璃表面；质子沉积、空位分布等均为Bragg峰型分布；电离能损是能量损失的主要部分，随入射能量的增加而增大，导致电子的电离和激发；位移能损在玻璃内部随能量降低而增大，导致硼、氧和硅等空位缺陷的产生；电离效应和缺陷的产生是硼硅酸盐玻璃色心形成的重要原因。
