基于水介質(zhì)脈沖形成線的高功率微波驅(qū)動源的實驗研究

基于水介質(zhì)脈沖形成線的高功率微波驅(qū)動源的實驗研究

1.微波輻射的微波根據(jù)研究這種微波效應(yīng)，長脈沖hpm具有良好的脈沖效果，需要相應(yīng)的脈沖功率裝置作為hpm的驅(qū)動源。近年來，由應(yīng)用電子研究所（hpm）開發(fā)了長脈沖hpm的源研究，并對100ns的脈寬進(jìn)行了研究。同時，為了實現(xiàn)建模設(shè)計，我們研究了長脈沖hpm的驅(qū)動源。驅(qū)動源被稱為線性電機(jī)驅(qū)動源（lt）。這意味著將從第一階段到第二階段的脈沖象在磁芯上的激勵作用下形成高壓，以進(jìn)一步減小體積。為了減小體積，pf使用絕離子水作為絕緣介質(zhì)。在嘗試x射線時，發(fā)現(xiàn)輸出波形的平屋頂部分存在較大的變形。通過對實驗結(jié)果的理論分析和隨后的實驗研究，結(jié)果表明，開關(guān)的放置時間是影響波形平屋頂變形的重要因素。在這項工作中，我們分析了充電壓力期間形成的波速，并介紹了pf放電過程的等效分析方法，并通過實驗解決了輸出脈沖波形平屋頂?shù)淖冃螁栴}。2.pf充電分析2.1.pfl上的波過程水介質(zhì)PFL采用雙傳輸線結(jié)構(gòu),如圖1所示.其中外形成線和內(nèi)形成線的阻抗均為Z,且線長和時延td相同,負(fù)載R=2Z.充電系統(tǒng)主要包括儲能電容和脈沖變壓器,充電時開關(guān)Switch斷開,放電時開關(guān)閉合.外形成線的左端點S為充電電纜引入點,點Q是內(nèi)形成線的開路端,點B和點A分別為內(nèi)外形成線上的任意一點,與內(nèi)外形成線左端距離分別為b,a.形成線的充電時間一般為幾個μs,而電磁波在形成線上的傳播時間為幾十個ns,所以充電過程中通常把形成線等效成集中參數(shù)(電容器)來分析,但為了得到形成線上的波過程,這里采用分布參數(shù)電路來分析.定義圖1中從左向右傳輸?shù)牟榍靶胁╱e5c6從右向左傳輸?shù)牟榉葱胁▓D2為充電過程中PFL上的波過程(為了方便描述,此類圖中的電壓波用方波表示):在t=0時刻開始充電,充電系統(tǒng)饋入到形成線點S的電壓波為外線上的第一個前行波,定義為U(t)(t<0時U(t)=0),當(dāng)t=td時電壓波波頭到達(dá)負(fù)載并產(chǎn)生反射和透射,反射波將從負(fù)載向點S運動形成了外線的第一個反行波,透射波從負(fù)載向點Q運動形成了內(nèi)線的第一個前行波,根據(jù)負(fù)載和形成線的阻抗關(guān)系可得內(nèi)線和外線上的波到達(dá)負(fù)載后的反射和透射系數(shù)均為1/2;當(dāng)t=2td時外線的第一個反行波波頭到達(dá)點S產(chǎn)生反射,反射系數(shù)設(shè)為k1(t),(對于非純阻抗充電系統(tǒng)來說,電磁波在點S處的反射系數(shù)與頻率有關(guān),設(shè)kn(t)為外線的第n個反行波在點S的反射系數(shù)),該反射波從點S向負(fù)載運動形成了外線的第二個前行波,同時,內(nèi)線的第一個前行波波頭到達(dá)點Q產(chǎn)生反射,開路端反射系數(shù)為1,該反射波從點Q向負(fù)載運動形成了內(nèi)線的第一個反行波;當(dāng)t=3td時外線的第二個前行波波頭到達(dá)負(fù)載產(chǎn)生反射和透射,反射和透射系數(shù)均為1/2,其中反射波從負(fù)載向點S運動成為外線的第二個反行波的一部分,透射波從負(fù)載向點Q運動成為內(nèi)線的第二個前行波的一部分,同時,內(nèi)線的第一個反行波波頭到達(dá)負(fù)載產(chǎn)生反射和透射,反射和透射系數(shù)均為1/2,其中反射波從負(fù)載向點Q運動并與此刻外線產(chǎn)生的透射波組成內(nèi)線的第二個前行波,透射波從負(fù)載向點S運動并與此刻外線產(chǎn)生的反射波組成外線的第二個反行波;類似的波過程一直進(jìn)行下去,外線的第n個前行波是外線的第n-1個反行波經(jīng)點S反射后產(chǎn)生的,外線的第n個反行波包含外線的第n個前行波經(jīng)負(fù)載后的反射波以及內(nèi)線的第n-1個反行波經(jīng)負(fù)載后的透射波,內(nèi)線的第n個前行波包含外線的第n個前行波經(jīng)負(fù)載后的透射波以及內(nèi)線的第n-1個反行波經(jīng)負(fù)載后的反射波,內(nèi)線的第n個反行波是內(nèi)線的第n個前行波經(jīng)點Q反射后產(chǎn)生的.定義分別為經(jīng)過點A的第n個前行波和反行波,分別為經(jīng)過點B的第n個前行波和反行波,這樣就得到線上任意點A,B的波過程.第一個波過程第n(n>1)個波過程經(jīng)過形成線上任一點的前行波與反行波之和就是該點的充電電壓,這樣就可分別得到負(fù)兩端的電壓值,兩者之差即為充電過程負(fù)載上的電壓.2.2.放電時負(fù)載電壓的變化開關(guān)閉合后PFL開始放電,與充電的過程類似,區(qū)別在于充電系統(tǒng)不再提供外線上的第一個前行波U(t),并且點S處的反射系數(shù)變?yōu)?1,同樣可以得到放電過程負(fù)載電壓.顯然按這種方法求解放電時負(fù)載電壓十分復(fù)雜,通常雙傳輸線結(jié)構(gòu)的PFL放電后負(fù)載電壓波形近似矩形,幅值等于形成線上的電壓值,脈寬為2td,這主要針對直流充電或者是交流的充電周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形成線放電時間2td的情況,也就是在充電過程中形成線上的電壓在相差2td的時間內(nèi)基本保持不變.由于去離子水的電阻率ρ約8MΩ·cm,形成線的自放電速度比較快,其自放電時間常數(shù)為ερ,ε為去離子水的介電常數(shù)約7×10-10,自放電時間約56μs,所以對水介質(zhì)PFL要進(jìn)行快速充電.實驗中采用3.5μF的電容器通過1∶5的脈沖變壓器對PFL充電,其內(nèi)外線的阻抗均為5Ω,時延td均為75ns,負(fù)載阻抗設(shè)為10Ω,圖3為充電時形成線點S處的電壓波形US(t)與負(fù)載上的電壓波形UR(t),可以看出充電時負(fù)載上的電壓遠(yuǎn)小于形成線上電壓,在2td(150ns)的時間內(nèi)形成線上的電壓變化明顯,同樣,放電時負(fù)載的電壓波形可以通過求解形成線上復(fù)雜的波過程得到,下面將采用等效的分析方法進(jìn)行分析.3.pfl的放電式中等號右邊第一項就是在開關(guān)不導(dǎo)通的情況下經(jīng)過點S的電壓,可以看出由于引入了項,使得PFL的放電過程可以等效為兩個過程(過程一、過程二)的疊加,如圖4(b).3.1.前進(jìn)脈沖t過程一是PFL的充電過程,即在形成線放電時刻相當(dāng)于在點S端強(qiáng)行饋入前行脈沖這個前行脈沖是外加的,不包含反行波在點S端的反射部分(該部分算到過程二中),這樣就使得線上的波過程與開關(guān)沒有導(dǎo)通時一樣,為PFL充電過程.該過程中負(fù)載電壓即為充電時負(fù)載電壓UR(t),如圖3所示.3.2.波頭前進(jìn)波過程二為(1)式中等號右邊第二項,該過程相當(dāng)于在PFL放電時刻,從點S端饋入一個前行脈沖,該脈沖幅值與過程一中該時刻點S的電壓值相同,極性相反.圖5為過程二的示意圖,其具體波過程如下.此時負(fù)載上的電壓為2)在t=t1+2td時刻外線第一個反行波波頭到達(dá)點S并產(chǎn)生反射,由于開關(guān)閉合該端點短路,反射系數(shù)為-1,形成了外線上第二個前行波;同時內(nèi)線第一個前行波波頭到達(dá)點Q,該點開路反射系數(shù)為1,形成了內(nèi)線上第一個反行波.3)在t=t1+3td時刻外線第二個前行波波頭和內(nèi)線第一個反行波波頭同時到達(dá)負(fù)載,分別形成了負(fù)載左端的第二個前行波和負(fù)載右端的第一個反行波有如下關(guān)系:由于這兩個波幅值相同極性相反,再加上這兩個波的在負(fù)載端的反射和透射系數(shù)均為1/2,所以外線上的第二個反行波和內(nèi)線上的第二個前行波為零,放電過程結(jié)束,此時負(fù)載電壓為充電時點S處的電壓US(t)如圖3所示,考慮到td=75ns,與(2)式相比(3)式中負(fù)載電壓很小,第二個過程中負(fù)載的主波形在t1+td≤t≤t1+3td時間段內(nèi),負(fù)載電壓為-US(t-td),該電壓波形與充電時點S處的電壓波形幅值相等,極性相反.3.3.負(fù)載電壓的波形PFL放電時負(fù)載電壓就是上述兩個過程中負(fù)載電壓的疊加,即如圖3所示,與第二個過程相比,第一個過程中負(fù)載電壓UR(t)很小(特別是在LTD中,由于充電電流使磁芯飽和,對PFL來說此時負(fù)載相當(dāng)于短路,其負(fù)載電壓為零),并在2td=150ns的時間內(nèi)變化不大,所以總的負(fù)載電壓(特別是電壓波形的平頂)主要由第二個過程的負(fù)載電壓決定,由(2)式可知負(fù)載電壓波形與充電時點S的電壓波形一致,只不過是極性相反,也就是說開關(guān)在充電電壓US(t)的上升沿時刻導(dǎo)通,負(fù)載電壓波形平頂?shù)姆迪鄳?yīng)增大,同樣,開關(guān)在US(t)的下降沿時刻導(dǎo)通,負(fù)載電壓波形平頂?shù)姆迪鄳?yīng)減小.3.4.開關(guān)導(dǎo)通負(fù)載電壓采用電路仿真軟件Pspice進(jìn)行模擬計算,為了便于定量分析,在模擬電路中忽略了一些雜散參數(shù)的影響,模擬結(jié)果如圖6.從圖中可以看出,開關(guān)在充電電壓US(t)峰值附近導(dǎo)通時負(fù)載電壓波形的平頂比較平坦,在其他區(qū)域?qū)〞r負(fù)載波形的平頂與充電電壓波形相似,極性相反.表1為模擬得到的不同開關(guān)導(dǎo)通時刻負(fù)載及形成線上的電壓值,表中主要列出了開關(guān)導(dǎo)通時刻t1以及t2=t1+td,t3=t1+t2d和t4=t1+3td的讀數(shù),可以看出-US(t1)+UR(t2)與U負(fù)載(t2)以及-US(t3)+UR(t4)與U負(fù)載(t4)的值分別相等,并且通過數(shù)據(jù)比較證明了t1+td≤t≤t1+3td時間內(nèi)任一時刻-US(t-td)+UR(t)與U負(fù)載(t)的值相等,這與理論分析的結(jié)果(4)式是一致的.理論分析與模擬計算均表明,開關(guān)在充電電壓達(dá)到峰值附近的時刻導(dǎo)通負(fù)載可得到平頂較平的電壓波形.4.激光觸發(fā)開關(guān)測試實驗中采用四根水介質(zhì)螺旋PFL作為高功率微波驅(qū)動源的初級,通過磁芯的感應(yīng)疊加技術(shù)將四根水線產(chǎn)生的高壓脈沖在次級上逐級疊加,釋放到負(fù)載二極管上產(chǎn)生電子束.考慮到水線的自放電影響,在滿足電壓要求的情況下需要盡量的縮短充電時間,在實驗中通過提高脈沖變壓器的初級電壓來縮短充電時間,采用激光觸發(fā)開關(guān)來控制導(dǎo)通時間,試驗結(jié)果如圖7.圖7中縱坐標(biāo)刻度為數(shù)百kV/div,圖7(a)C1,C2分別為開關(guān)在充電電壓的上升沿時刻和峰值時刻導(dǎo)通時二極管的電壓波形,由于開關(guān)在上升沿時刻導(dǎo)通時形成線充電電壓較低,為了方便比較,減小充電電壓對開關(guān)和二極管工作狀態(tài)的影響,通過電源控制系統(tǒng)適當(dāng)?shù)奶岣叱潆婋妷?從實驗結(jié)果得知,開關(guān)在充電電壓的上升沿時刻導(dǎo)通,負(fù)載電壓波形的平頂發(fā)生畸變,平頂部分的電壓值逐步增大,開關(guān)在充電電壓的峰值時刻導(dǎo)通時,負(fù)載電壓波形平頂平坦,這與理論分析和模擬計算是一致的.控制開關(guān)在充電電壓的峰值時刻附近導(dǎo)通,在負(fù)載上可得到幅值數(shù)百kV、脈寬150ns