40GW重复频率脉冲驱动源研制进展_彭建昌

第22卷第4期强激光与粒子束Vo l.22,No.4 2010年4月H IG H POWER LASE R AND PARTIC LE BEAMS Apr.,2010　文章编号:　1001-4322(2010)04-0712-0540GW重复频率脉冲驱动源研制进展＊彭建昌1,2,　苏建仓2,　宋晓欣2,　王利民2,　潘亚峰2,　张喜波2,　国文辉2,黄文华2,　房金鹏2,　李锐2,　孙　旭2,　赵　亮1,2,　王　颖2,　刘国治1,2(1.西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室,西安710049;　2.西北核技术研究所,西安710024) 摘　要:　40G W重复频率脉冲驱动源是应高功率微波技术发展等需求而设计的一台基于T esla变压器技术的重复频率脉冲功率装置。

40GW驱动源设计输出功率40G W,脉宽60ns,重复频率1～50Hz,输出功率及重复频率工作状态在一定范围内可调。

介绍了40G W高功率重复频率脉冲驱动源的系统构成、电气及结构参数的确定方法、关键部件的工程工艺技术,并分析了关键绝缘部件的电场分布。

已完成驱动源安装并进行了实验调试,其主要单元T esla变压器的能量效率达到70%,驱动源单次工作状态下输出功率大于40G W;50Hz重复频率工作状态下,输出功率20.6G W,系统工作稳定可靠。

关键词:　脉冲功率技术;　重复频率;　T esla变压器;　高电压;　强电流 中图分类号:　T M853;　T L503.1 文献标志码:　A doi:10.3788/H PL PB20102204.0712 高功率微波(H PM)系统中,驱动源将各种形式的初级能源转化为高功率电子束来驱动H PM器件工作,从而获得高功率微波辐射。

高功率、高效率、可重复频率工作的驱动源技术,是高功率微波技术向着更高功率水平发展的基础。

随着高功率微波技术的不断发展,研究和研制更高输出指标的驱动源已经成为高功率微波发展的迫切需求之一。

在重复频率脉冲功率技术领域,美国和俄罗斯的综合实力较强,特别是以俄罗斯托木斯克大电流研究所和叶卡捷琳堡电物理研究所为代表的研究机构,其研制的基于Tesla变压器技术的SINUS系列和Radan系列重复频率脉冲功率装置,总体技术在国际上一直处于领先地位[1-3]。

在国内,中国工程物理研究院、西北核技术研究所以及国防科技大学都在从事Tesla变压器型重复频率加速器的研究工作,在最近几年内,先后研制了TPG400,TPG700,C HP01和20GW驱动源等Tesla型重复频率加速器,在总体设计水平和制造技术上都取得了很大进步[4-6]。

技术和工程工艺水平的提高,为研制更高功率的Tesla型重复频率驱动源创造了条件。

本文设计了一台40GW重复频率脉冲驱动源,介绍了驱动源的基本设计思路,分析了Tesla变压器结构和电气参数的设计方法,给出了40GW驱动源第一阶段的实验调试结果。

1　40GW驱动源指标设计及系统构成 40GW重复频率脉冲驱动源的结构示意图如图1所示,工作时,以Tesla变压器产生高电压并对其次级同轴线电容充电,充以高电压的同轴线电容与气体主开关配合工作,产生几十ns的高压脉冲输出,通过传输线输出到冷阴极二极管,进而产生强流脉冲电子束。

Fig.1　S chematic diagram of th e40GW accelerator图1　40GW驱动源结构示意图＊收稿日期:2009-11-03; 修订日期:2009-12-25作者简介:彭建昌(1966—),男,副研究员,从事脉冲功率驱动源技术研究及应用;jchpeng@。

40GW 重复频率脉冲驱动源的设计指标为:在40Ψ负载下,输出功率40GW ,脉冲宽度60ns ,重复频率1～50H z 。

在Tesla 变压器初次级参数等主要单元的状态保持不变的前提下,通过初级储能电容器充电电压的设定,配合主开关和二极管工作状态的调整,输出功率在10～40GW 之间可调。

2　Tesla 变压器 内置Tesla 变压器的形成线是40GW 驱动源的核心技术单元,与重复频率气体火花开关配合形成高电压短脉冲。

紧凑型Tesla 变压器引入同轴圆柱开环磁芯作为脉冲形成线(PFL )的内外导体,Tesla 变压器与PFL 在几何结构和物理功能上紧密联系,通过初次级回路参数的配合,实现Tesla 变压器较高的能量效率。

2.1　结构参数设计 Tesla 变压器的次级负载为同轴结构的形成线电容,以变压器油作为绝缘介质,结构设计以绝缘介质击穿场强为基础,同时考虑关键部位的绝缘安全。

对同轴结构的PFL ,形成线电压与结构参数有如下关系U F =E max r 1ln (r 2/r 1)(1)式中:E max 为同轴线内导体表面的最大电场;r 1为同轴形成线内导体半径;r 2为同轴形成线外导体半径。

当绝缘介质选定时,介质的击穿场强E br 即可认为常数,相同外径(r 2看作常数)的同轴结构可能承受的最高电压就仅与同轴线内导体半径r 1相关。

当r 2确定,E max =E br 时,U F 取得最大值的条件是ln (r 2/r 1)=1,即β=r 2/r 1=e ,如图2所示。

对以变压器油为绝缘介质的同轴形成线,相应的同轴线特征阻抗为40Ψ。

对于40GW 驱动源,考虑到主开关等传输损耗,40Ψ同轴形成线电压应不低于2.7MV 。

根据式(1),同轴线外径的确定就主要在于E max 值的设定。

在高电压同轴传输线的设计中,J .C .Mar tin 给出的击穿电场强度公式被广泛采用[7-8],近似表示为Fig .2　PFL voltage vs s tru ctural parameter 图2　形成线最大电压与结构参数的关系E br =0.5/t 1/3eff A 1/10(2)式中:E br 为击穿场强(M V /cm );t eff 为有效时间(μs ),定义为达到最大电场63%的时间;A 为电极面积(cm 2),定义为与最大电场偏离不大于10%的电极面积。

根据马丁公式,即便考虑到同轴结构的场增强因子,对于形成电脉冲60ns 、总充电时间约150μs 的同轴脉冲形成线,击穿场强E br 不大于60kV /cm ,这一阈值显然是较为保守的。

根据SIN US 系列重复频率脉冲加速器的设计、运行参数,充分考虑到40GW 驱动源充电时间加长和电压指标增高带来的影响,结合已经研制成功的TPG400,TPG700驱动源设计经验,40GW 驱动源选取最大场强E max 为100kV /cm ,设计给出的形成线外筒内径为150cm 。

2.2　初次级参数设计 Tesla 变压器初次级回路参数的合理选取和实验优化,是达到Tesla 变压器较高工作效率的基础。

内置Tesla 变压器的形成线结构一旦确定,Tesla 变压器的次级电容和初级(单匝)电感即已基本确定,次级匝数和初级电容就是需要分析设计的参数。

理论分析指出,初次级谐振频率相等或相当时,可以获得较高的Tesla 变压器效率,基于这一考虑,对应不同次级匝数的初级电容值是相应变化的,因此选择相应参数时应同时考虑次级线圈绝缘、初级回路电流、绝缘安全以及特征参数等。

初级回路工作于较高电压时,回路特征阻抗较高,有利于减小初级回路工作电流以及回路电阻带来的损耗,但较高的工作电压对初级回路的绝缘安全不利;次级线圈的匝数选取应考虑匝间绝缘问题;因此,初次级参数的选取需要综合考虑。

根据基本估算,40GW 驱动源可选取的Tesla 变压器工程参数为:初级储能电容约为9mF ;次级线圈匝数约为3500匝;初级充电电压约为1000V 。

2.3　开路磁芯设计 对于带有开路磁芯的Tesla 变压器,可以达到较大耦合系数k ,满足1-k 1时,Tesla 变压器的耦合系数可以表示为[3-4]k ≈[1-23r 22l k (l T -l k )F (β)ln β]1/2(3)713第4期彭建昌等:40GW 重复频率脉冲驱动源研制进展式中:F (β)=(β-1)(2β+1)/β2为结构参数因子,β=r 2/r 1;l k 为初级线圈长度;l T 为磁芯长度。

Fig .3　C ou pling coefficient dependent on aspect ratio of open magnetic core图3　变压器耦合系数随开路磁芯纵横比的变化 Tesla 变压器耦合系数与其开路磁芯的纵横比有关。

分析结果指出,磁芯长度越长,获得的耦合系数将更大,考虑到工程实现的技术工艺可行性,选取合适的Tesla 变压器开路磁芯长度,可以保证耦合系数不低于0.95,图3给出了形成线特征阻抗40Ψ时,变压器耦合系数与形成线(开路磁芯)纵横比的关系。

磁芯截面积是由铁磁材料性质(磁感应强度增量值)、工作电压大小、线圈匝数以及充电快慢程度确定的。

磁芯截面积S 为[3-4]S ≥U F t ch 2ΔB max n 2(4)式中:t ch 为充电时间;ΔB max 为磁感应强度增量;n 2为次级匝数。

形成线达到最大电压时的充电时间,即谐振充电的半周期时间,可以表示为[3-4]t ch =π(C 0p L s0α1+α)1/2(5)式中:C 0p =n 22C 2为Tesla 变压器初级电容,C 2为形成线电容,以形成脉宽60ns 设计时,C 2=750pF ;L s0=μ0πn 21r 223l kF (β),为初次级漏感,n 1为初级匝数;α=ω202/ω201为Tesla 变压器初次级振荡回路的失调系数,ω01和ω02分别为Tesla 变压器初次级振荡回路的本征频率。

分析给出的形成线充电时间约143μs ;开路磁芯有效截面积不小于500cm 2(磁感应强度增量取1.2T )。

3　绝缘设计 合理的绝缘设计能大大减小设备的尺寸,使设备更紧凑。

数值模拟是绝缘设计的主要辅助手段,可以提供直观而丰富的结果。

40GW 驱动源绝缘结构设计包括Tesla 变压器、主开关、传输线和二极管绝缘设计。

作为高压产生部件,Tesla 变压器的绝缘安全是整机稳定可靠工作的关键,设计最高承压2.7M V ,这里仅介绍Tesla 变压器的绝缘设计。

形成线最高工作电压2.7M V ,采用Ansys 软件分析了形成线关键绝缘部位的静电场分布,如图4所示,并进行了电场绝缘分析、内外筒偏心影响和传输线特征参数的计算。

Fig .4　Electric field distribution of the PFL图4　形成线电场分布 形成线后端盖与内筒半球面端面距离为d ,后端盖与内筒体端部同轴。

模拟分析了距离d 对电场分布的影响,轴向增大d 值对改善绝缘有利,但在绝缘水平相当的前提下,采用椭圆封头相对于球面封头后端盖可使d 值缩减60mm 。