两种典型结构强流自箍缩二极管技术研究

主要介绍了箍缩聚焦二极管和自箍缩离子束二极管的研究进展。重点介绍了近几年发展的阳极杆箍缩聚焦二极管的理论模拟和实验结果,在“闪光二号”加速器和2 MV脉冲功率驱动源上进行了阳极杆箍缩二极管实验,二极管输出电压1.8~2.1 MV,电流40~60 kA,脉宽(FWHM)50~60 ns,1 m处的脉冲X剂量约20~30 mGy,焦斑直径约1 mm,X射线最高能量1.8 MeV。在“闪光二号”加速器上开展了高功率离子束的产生和应用研究,给出了自箍缩反射离子束二极管的结构和工作原理,实验获得的离子束峰值电流~160 kA,离子的峰值能量~500 keV,开展了利用高功率质子束轰击19F靶产生6~7 MeV准单能脉冲γ射线,模拟X射线热—力学效应等应用基础研究。     

丝阵负载Z箍缩可见光图像诊断

为了研究丝阵负载Z箍缩内爆动力学行为,利用可见光图像诊断系统,在“强光1号”加速器上,得到钨丝阵负载内爆图像。对于32根丝直径为5μm的丝阵,内爆时间为(113±7)ns,开始快速内爆的时刻(ta)与内爆时间(timp)的比值为0.60~0.70。对于24根丝直径为8μm的丝阵,单丝烧蚀不均匀,在轴向上存在类周期性的调制,其波长λ约为0.25 mm;丝周围等离子体不稳定性的发展是促使其形成壳层的重要因素;内爆时间约为(160±5)ns,开始快速内爆时刻与内爆时间的比值为0.90~0.95。线质量的差异是导致两者内爆行为差异的主要因素。     

丝阵负载Z箍缩可见光图像诊断

为了研究丝阵负载Z箍缩内爆动力学行为,利用可见光图像诊断系统,在"强光一号"加速器上,得到钨丝阵负载内爆图像。对32根丝直径5μm的丝阵,内爆时间为(113±7)ns,开始快速内爆的时刻(ta)与内爆时间(timp)的比值约为0.60-0.70。对24根丝直径8μm的丝阵,单丝烧蚀不均匀,在轴向上存在类周期性的调制,其波长λ约为0.25mm;丝周围等离子体不稳定性的发展是促使其形成壳层的重要因素;内爆时间约为(160±5)ns,开始快速内爆时刻与内爆时间的比值约为0.90~0.95。线质量的差异是导致两者内爆行为差异的主要因素。     

快速z箍缩装置的预脉冲分析

输出参数为500 kV/400 kA/100 ns的快速z箍缩(z-p inch)装置由M arx发生器、脉冲形成线、充气型V/N主开关、传输线及负载组成。z箍缩负载分别采用氖气喷气负载及金属单丝负载。为了判断主放电时负载的初始状态,该文建立了z箍缩装置的充电等效电路模型,并借助P sp ice电路模拟软件计算了形成线充电期间在负载上获得的预脉冲波形。通过分析可知:p d值为1~10 Pa.m左右的氖气负载,在装置预脉冲电压的作用下将被击穿;而直径为20μm、长度为1 cm的A l(铝)或W(钨)单丝负载,装置预脉冲电流将不能使之汽化。     

行波电压叠加器的电路模型与输出特性

为了研究行波电压叠加器(TVA)的输出特性以及影响输出特性的因素,将传输线和放电支路进行简化,给出了传输线、放电支路、屏蔽电极与外筒体间的分布电感与分布电容等参数的计算方法,建立了8级串联TVA电路模型。通过仿真得到了8级串联TVA驱动匹配负载时的输出特性,研究了开关闭合时序与分散性以及传输线阻抗等对输出特性的影响。仿真结果表明：当每级开关触发闭合时序为理想感应电压叠加器(IVA)时序时,传输线输出电压峰值随串联级数n的增长近似线性增长,电压脉冲前沿逐级陡化,在匹配负载上的输出电压为899 kV,脉冲前沿与第一级相比缩短10 ns;屏蔽电极上的电压峰值逐级减小,电压波形存在高频振荡;开关闭合时序对TVA传输叠加与输出特性有显著影响,TVA按理想IVA时序触发时的匹配负载电压前沿比同时触发时要陡,相差约50 ns,随着触发时序系数增大(>1),脉冲前沿逐渐陡化;当开关触发闭合分散性增大时,输出脉冲重复性变差;随着传输线阻抗从匹配阻尼增大至3倍阻尼,匹配负载电压峰值增大,前沿缩短约30 ns,波尾时间增大约200 ns。研究结果可为TVA型脉冲功率源装置的结构优化和研制提供一定的参考...     

铝单丝在可调预脉冲作用下的Z箍缩动力学行为实验和数值模拟研究

为了研究预脉冲电流对Z箍缩内爆动力学行为的影响,本文首先基于双脉冲Z箍缩实验平台“秦-1”装置研究了铝单丝Z箍缩在不同预、主脉冲间隔下的内爆特性.铝丝在预脉冲作用下被加热汽化形成芯晕结构并膨胀,在主脉冲作用下发生雪耙特性的箍缩内爆,预脉冲作用下的晕等离子体对内爆行为有显著影响.其次,基于磁流体模型计算了预脉冲作用后的密度、温度、速度分布,以及进一步主脉冲作用后的内爆壳层参量分布.计算结果的边界轨迹与实验测量基本一致,预脉冲作用下的单丝Z箍缩动力学行为可以分为晕等离子体膨胀、晕等离子体内爆、晕与丝芯共同内爆、滞止辐射4个阶段,在这种雪耙内爆特性下,洛伦兹力对壳层外部的晕层做功,热压对壳层内部的未扰动等离子体做功,形成等离子体堆积.     

大型Z箍缩装置中心汇流区电感计算

为了快速估算大型Z箍缩装置中心汇流区电感，研究Z箍缩装置电功率和能量传输效率的规律，对Z箍缩装置中心汇流区做近似处理，给出了绝缘堆、真空喇叭口、真空磁绝缘传输线、汇流柱等部件电感近似计算公式，建立了一种快速估算Z箍缩装置中心汇流区电感的方法，获得了中心汇流区电感与电气参数(绝缘堆峰值电压)和结构参数(中心汇流区半径及分层数、真空磁绝缘传输线倾角)的定量关系。在此基础上，建立了典型Z箍缩装置简化电路模型，实现了从中心汇流区结构参数→电气参数→输出电流的自洽电路模拟，获得了中心汇流区分层数及半径对Z箍缩装置短路电流的影响规律。计算结果表明：所提电感计算方法获得国际典型Z箍缩装置的中心汇流区电感与文献最大误差为3.3%;中心汇流区电感随分层数增大而减小、随半径先减小后增大，存在使中心汇流区电感最小的优化半径。所提方法可为同类型Z箍缩装置的设计提供理论参考。     

一种超长时间的峰值保持器

针对高压脉冲试验或老化设备中高压脉冲峰值电压和峰值电流测量的需要,设计了一种两级脉冲电压峰值保持器电路.该电路兼顾了适应快速脉冲前沿(约100 ns)和超长时间保持(约10 s)两方面的性能要求,可以实现超长时间的快速峰值电压保持.实验结果表明,该电路可以获得长时间的峰值保持,满足后续慢速测量电路如数码显示表头、工业PLC模拟量输入模块等的需要,替代高性能数字示波器的测量功能.     

高功率电磁脉冲产生技术与应用

本文将近年来高功率电磁脉冲的产生技术、实验研究进展、辐射效应实验研究进展、未来发展趋势和潜在应用价值进行了总结与分析.着重讨论了在这一研究领域内突破的重大核心关键技术与取得的重要进展.因为基于这些先进的核物理技术与等离子体物理技术,已经产生了脉冲前沿为75–300 ps、脉冲宽度为300 ps–2.5 ns,峰值功率为450 MW–80 GW,辐射频率为100 MHz–4 GHz的极端高功率超短超快电磁脉冲辐射,并在辐射效应实验中得到了光电子器件与微控制器等不同目标的辐射损伤阈值10–107 k V/m.这些基础科学技术研究成果对于国防尖端科学技术研究与国防装备研制具有重大的支撑作用.     

内置触发方式下单级FLTD触发脉冲参数及影响因素

为了研究快放电直线型变压器驱动源(FLTD)内置触发方式下触发脉冲的波形参数及其影响因素,利用有限积分法(FIT)仿真软件,建立单级FLTD场路仿真模型,获得了到达各主支路开关的触发脉冲参数及其影响因素,并在1MA FLTD实验平台上进行了验证。仿真结果表明:内置触发方式下,触发支路电感由100nH增大至350nH时,触发脉冲前沿由49.3ns增大至60.1ns;在触发支路置地电阻小于200Ω时,触发脉冲幅值随电阻增大而增大,在电阻高于200Ω后,置地电阻不影响触发脉冲幅值;角向传输线特征阻抗在58.0～76.5Ω范围变化时对触发脉冲波形参数影响较小。     

超高速微小碎片激光测速系统研制及应用

地面超高速模拟实验是研究微小空间碎片撞击效应经济有效的手段,其中等离子体加速器为微米量级碎片的主要地面模拟设备.本文研制了在等离子体驱动微小碎片加速器系统并应用于高速飞行微粒速度测量的激光测速系统.该激光测速系统工作原理是.利用主动激光照明,在颗粒飞行路径上形成光墙,通过检测颗粒通过光墙形成的散射激光,得到微粒到达光墙的时间,利用飞行时间法进行高速微粒速度测量.在激光测速系统原理测试实验中,采用信号响应上升时间小于10 ns,电子渡越时间小于20ns的高灵敏、快响应的光电倍增管,原理试验测得该探测系统的响应时间仅为约70 ns.该响应时间小于速度为15 km/s的颗粒通过3～5mm厚度的片状激光束的理论时间,并验证了该系统灵敏度高、响应时间快的特点,可以满足超高速微粒(8～20 km/s)通过3～5 mm激光墙的时间阈值(约0.1 μs)的需求.目前,激光测速系统已经应用于等离子体加速器发射超高速微粒的试验中,能有效测量等离子体加速器所发射的高速微粒的群速度,对15 km/s及以上速度的超高速颗粒亦能捕捉到有效信号,实现对微粒速度的测量,达到了良好的预期效果.在等离子体微小碎片加速器上开展的超高速撞击试验中,激光测速系统能够实现无损在线速度测量,对等离子体加速器上开展的超高速撞击试验提供了重要帮助.     

新型多开关脉冲功率技术

摘要阐述一种基于TLT(Transmission-Line-Transformer)的新型多开关脉冲功率技术。该技术可以像Marx发生器一样实现多个火花开关的自动同步,而无需外部同步触发电路或光路。与传统的多开关电路相比,不仅可以通过电压叠加获得高电压输出,而且可以通过电流叠加实现大电流输出,或者用于驱动多个独立的负载。该技术已被成功应用于高效高重复率大功率纳秒短脉冲电源的开发。该电源采用10个火花开关,它们可以在约10nm内实现同步。输出脉冲上升沿约10ns,脉冲宽度55ns。输出峰值功率300～810MW,输出电压40～77kV,输出电流6～11kA,能量转换效率93%～98%。由于总的开关负荷由10个开关均分,与基于单个火花开关的系统相比,系统寿命可大幅度提高。当采用闸流管时,还可以用来产生大电流微秒脉冲,可行性已经在具有3个闸流管的小型实验设备上得到验证。此外,该技术独特的多开关连接方式可以拓展到其他脉冲电路中,如Blumlein发生器和感应叠加器,从而派生出其他新型多开关电路。     

无抽空谐振腔的大气压脉冲N_2激光器

介绍了无抽空谐振腔的大气压脉冲N2激光器的制作方法.该激光器主要由双面环氧树脂印刷电路板制作的储能传输线和脉冲形成线、高压直流电源,N2气源等器件构成,两端均可输出激光,为科研、实验提供了一种自制结构简单、使用方便、光脉冲宽度小于1ns,单个脉冲的能量约为100～300 mJ的小型紧凑的无抽空谐振腔大气压脉冲N2激光器.     

高频低压Rail-to-Rail CMOS功率输出级

提出了一种结构简单的Rail-to-Rail CMOS输出级,采用0．25μm工艺,用SPECTRE对其进行了仿真：供电为3．3V单电源,在频率为10MHz时,其输出阻抗为0．8n,静态功耗为20mW;当输入正弦信号的频率为10MHz,峰一峰值为2．7V,所接负载为50n时,其输出失真小于-53dB;它可以工作在50MHz以上。     

悬臂梁双晶压电能量采集装置的实验探究

为提高双晶压电振子的发电能力,探究了一种悬臂梁式双晶压电能量采集装置的发电性能。实验研究了振动台频率、激励位移、负载阻值和悬臂梁自由端质量块对悬臂梁式双晶压电能量采集装置输出电压和负载功率的影响,将两片双晶压电振子并联,探究了它们的发电性能。实验表明,存在谐振频率,使得输出电压最大;输出电压随着激励位移和负载阻值的增大而增大,并与激励位移呈一次函数关系;双晶压电振子外接匹配负载时,负载功率最大;随着质量块的质量在一定程度上的增加,输出电压随频率变化的曲线左移,峰值电压对应的频率变小;两片双晶压电振子并联且带匹配负载时,能有效提高负载功率。     

激光参量振荡器的一种新型设计与应用

介绍一种波长可调谐的激光器—激光参量振荡器（简称ＯＰＯ）的新型设计．该设计不需要采用任何镀膜光学元件,很大程度上避免了高功率强激光对光学元件镀膜层的损伤,提高了ＯＰＯ输出功率和波长转换效率．该设计简便实用,输出波长可以覆盖从紫外（０．４１μｍ）至红外（２．５μｍ）的连续区域,峰值功率输出达到ＭＷ以上量级．     

微纳米无机氧化物环氧复合涂层的快脉冲真空闪络特性

围绕一台具有200kV最大峰值输出电压,上升沿40ns,半高宽300ns,真空度5×10^-3Pa快脉冲真空闪络试验装置,采用不锈钢指形电极系统,研究了不同真空度、不同闪络间隙对闪络特性的影响,确定了实验用的真空度和电极间距．重点研究了不同质量分数的微米Al2O3·3H2O和纳米SiO2,Al2O3,Al2O3·3H2O填料的环氧基复合材料的闪络特性,讨论了界面对闪络性能的影响机制．     

高功率单孔柱-孔汇聚结构的电流损失实验研究

为了深入理解高功率柱-孔汇聚结构电流损失的机理,使用西北核技术研究所多功能辐射模拟实验平台"强光一号"加速器,针对单孔柱-孔汇聚传输结构进行大电流密度高达6×105 A/cm条件下的电流传输实验研究,利用B-dot探针分别测量不同结构的柱-孔结构上下游的电流。实验结果发现:柱-孔结构的电流损失与其结构参数相关,阴极孔直径越小,损失电流越大;和普通圆孔的柱-孔结构相比,水滴状异型孔的柱-孔结构的传输效率更好;另外分析发现,在阳极柱和负载中心之间的直线上,阴极孔边缘与阳极柱的距离能明显影响柱-孔汇聚结构电流传输效率,当柱-孔间隙大于传输线阴阳极间隙的60%时,柱-孔汇聚结构即可高效传输脉冲大电流,当柱-孔间隙大于传输线阴阳极间隙时,柱-孔汇聚结构几乎不存在电流损失。研究结果有助于对高功率柱-孔汇聚结构电流损失机理的理解,为大型脉冲功率装置的设计提供技术支撑。     

二极管泵浦Nd:YVO4/KTP/BBO准连续紫外激光器

报道了一种声光调Q二极管泵浦Nd:YVO4晶体腔外四倍频266 nm紫外激光器。实验采用简单的直腔结构,分别利用KTP和BBO晶体产生532 nm倍频绿光、266 nm四倍频紫外激光,实现了从Nd:YVO4近红外激光到266 nm紫外激光的频率变换。在10.3 W泵浦功率下,获得平均输出功率59 mW、脉宽约8 ns,峰值功率370 W的266 nm紫外激光输出。     

脉冲型阵列量子级联激光器驱动电源

设计并研制了一种高精度的可调节阵列量子级联(QC: Quantum Cascale)激光器驱动电源, 以用于中红外多气体检测系统。该系统运用时分复用的思想, 利用并联加串联的方式, 同时驱动多个QC激光器。在硬件方面, 以DSP F28335为主处理器, 采用压控恒流源的原理, 通过大功率半导体器件, 实现脉冲频率(1~10 kHz, 步进0.5 kHz)、 占空比(0.5%~40%, 步进0.5%)、 电流幅值(0~4 A, 步进0.1 A)连续可调的脉冲恒流源。在控制方案上, 采用模拟PI(Proportion Integral)控制算法, 通过两级模拟PI环节的双重反馈方式, 提高了驱动电流的准确性和稳定性。同时, 该系统还设计了电源滤波慢启动电路、 过流保护电路、 过压保护电路、 静电防护电路等, 防止QC激光器被瞬间大电流损坏, 以确保激光器的正常工作。经实验测试, 当设定脉冲电流幅值为2.0 A, 脉冲频率为5 kHz, 脉冲宽度为2 μs时, 输出脉冲电流幅值稳定度优于1.7×10^-3 A, 脉冲宽度稳定度优于2.4×10^-2μs, 脉冲上升时间小于11.9 ns, 脉冲下降时间小于9.6 ns。在同时驱动多个QC激光器长时间测试过程中, 驱动电流稳定, QC激光器发光稳定, 测试指标达到要求。