加速器中的脉冲功率技术课程ppt(第3章)_Marx发生器_层叠线

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Erection time (ns)
Erection time (ns)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Voltage (kV)
Cable PFN Marx generator 输出脉冲建立时间与充电电压的关系曲线
3.1 概述 3.2 Marx 发生器
3.2.1 概述 3.2.2 级联 Marx 发生器 3.2.3 快 Marx 发生器（Fast Marx generator） 3.2.4 PFN Marx 发生器 3.2.5 同轴线 PFN Marx 发生器
3.3 层叠线发生器
3.3.1 同轴线脉冲发生器 3.3.2 直流充电型层叠线倍压器 3.3.3 脉冲馈入的层叠线发生器（Pulse fed stacked line
Inverting Marx
电压上升时间：1
exp

t R1C2

电压下降时间：exp

t R2C1

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一个例子：
C1 = 10nf C2 = 1nf R1 = 500 ohms R2 = 10k ohms 充电电压：10kV
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generator，也称传输线变压器）
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第三章 高压脉冲形成系统
3.1 概述
粒子加速器中的高压系统
➢ 绝缘材料的选择 ➢ 雪崩效应（Avalanche effect）：可获得的最大电压 ～ MV
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➢ 考虑电感后，Marx 发生器的等效电路为：
Ls SG R1 CS
CL RL
RL：负载电阻；CL：负载电容 CS：电路串联电容 Ls： 电路串联电感 R1：电路串联电阻
➢ 为减小脉冲上升时间的改进电路：
Ls
R1
SG
CS
Cp
RL
Cp — 锐化电容器（Peaking capacitor）
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Accelerator Lab of Tsinghua University ➢ 使用锐化电容器（Peaking capacitor），增大输出脉冲电压和电流

电压下降沿：exp

t R2C1

传统的 Marx 发生器（产生双指数变化的脉冲）
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PFN Marx 发生器与传统 Marx 发生器产生脉冲的比较
PFN Marx发生器的优点： 1）输出方波，脉宽稳定；（传统的 Marx 发生器输出脉宽随负载电
Non-Inverting Marx
C1 C2 , R2 R1
V
(t)

V
exp

t R2C1


exp

t R1C2

C1：储能电容；C2：负载电容
R1：wave front resistor
R2：tail biting resistor
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Erection Jitter ns
Erection Jitter (ns)
美国Fermi 实验室的Cockcroft-Walton高压发生器 英国剑桥大学Rutherford实验室的第一台
Cockcroft-Walton高压发生器
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倍压加速器原理图
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3.2 Marx 发生器
3.2.1 概述
Marx发生器脉冲充电装置示意图
➢ 工作原理：电容器并联充电，串联放电 ➢ 多个电容器：Marx 发生器的级数 ➢ 开关放电同步的好坏，直接决定了发生器同步性能的好坏 ➢ 脉冲能量范围：几 Joules ～ 几十 kJ ➢ 多个 Marx 发生器可进行级联，为加速粒子提供高压脉冲
Main switch current From S1
S1和S2闭合时间分开后的模拟结果
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3.2.4 PFN Marx 发生器
100001 104
Simple Marx generator
Voltage across load capacitor
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Accelerator Lab of Tsinghua University ➢ 开关的触发
一般在第一个火花开关使用电信号触发，其它开关依次触发。 也可以充入干燥空气，待各级 PFN 充电完成后释放空气进行 触发。
40kV/div 25ns/div
Cable PFN Marx generator 输出脉冲的形状
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Risetime (ns)
Risetime (ns)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Voltage (kV)
Cable PFN Marx generator 输出脉冲上升时间与充电电压的关系曲线
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加速器中的脉冲功率技术
邢庆子
清华大学工物系加速器实验室 Tel: 62788047 – 8 (o)
E-mail: xqz@tsinghua.edu.cn
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传统的 Marx 发生器的问题： 1）脉冲上升时间（自感大，上升时间>100ns） 2）负载阻抗的匹配 3）能量转换效率
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集总元件的PFN Marx发生器的缺点： 1）系统体积大 2）可靠性低 3）运行成本高
使用集总元件的 PFN Marx 发生器
➢ 若没有锐化电容器（peaking capacitor），则 R = Rm + Zl and C = Cm and L = Lm + Ls，脉冲上升时间为：
L
tr

2.3 R
例：
Cm= 6nf, Rm = 2.5Ω, Lm = 2μH, Rsh = 800Ω, Cp = 1.2nf, Rp = 1.6Ω, Cs = 30pf, Ls = 200nH, Zl = 50Ω。
变压器提供的电压： V (t) V sint
可获得的最大电压： Vm 2nV
实际上：
V0
2nV
2 I C
2n3

3
n2 4

n 12

I：二极管漏电流
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Accelerator Lab of Tsinghua University ➢一般可获得 MV 量级的电压脉冲，脉宽几个μs。
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Accelerator Lab of Tsinghua University 解决上述问题的办法：
使用高压同轴电缆来建造 PFN Marx 发生器： 建造简单，结构紧凑，运行成本低，可靠性高。 ➢ 适用于产生低、中能的脉冲，如 10～100J; ➢ 重复频率工作：～ 200 Hz，受开关恢复时间及电源重复充电能力的限制。
则
tr
2.3 L R
2.3 Lm Ls Rm Zl
96ns
➢ 加入锐化电容器后，脉冲上升时间为：
tr

2.3 Ls Rp Zl
9ns
wenku.baidu.com
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电容充电电压 50kV，无锐化电容器（ peaking capacitor）
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电容充电电压 50kV，有锐化电容器（peaking capacitor）。 脉冲上升时间仅为 10ns。
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Peaking Capacitor current From S2
Z L/C PFN Marx 发生器输出阻抗：ZM ngZ
每路充电电压：VCH ，则输出电压：VL ngVCH
FWHM 脉宽： T 2mg LC
最大输出电流： IM
VCH L/C
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Accelerator Lab of Tsinghua University 3.2.5 同轴线 PFN Marx 发生器
的幅值，并减小上升沿时间。 ➢ 闭合开关 S2，则电容 Cm 和 Cp 将向负载 Zl 放电，开始输出脉冲。
➢ 由于时间常数 CpZl小，负载上电压脉冲的上升时间快。 ➢ S1 和 S2 闭合的顺序：S1闭合后，Cp充电到最高电压后S2闭合。 ➢ Cp<< Cm
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PFN Marx发生器： 共有 n 路PFN，每路 PFN 单
元数为 m。
缺点： 1）组成元件多； 2）可靠性降低； 3）建造难度较大，成本高； 4）脉宽不能改变。
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PFN Marx 发生器
每路 PFN 单元数相同、参数相同，阻抗：
冷却、真空、聚焦系统
靶 电子枪
控
制
加速管
微波功率
系
馈送口
统
微波功率源 微波传输系统
脉冲调制器
充气系统
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Accelerator Lab of Tsinghua University Cockcroft-Walton 高压倍加器
➢ 1930’s Cockcroft and Walton （级联整流电路）
参数、电容器工作电压而定。 ➢ 开关触发顺序：从第一个火花开关开始
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Accelerator Lab of Tsinghua University ➢ 所有开关均闭合后的电路如图示。
开关闭合后：
总电容： 总电阻：
CS

C n
RS ngR
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Accelerator Lab of Tsinghua University 3.2.3 快 Marx 发生器（Fast Marx generator）
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使用同轴传输线 的电子加速器：
使用同轴传输线的电子加速器原理示意图
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➢ 两种基本形式： 1）Non-Inverting generator 2）Inverting generator 不考虑电感，等效电路为：
内容
第二章 脉冲功率技术基础
3~4学时
➢ 电容储能
➢ 电感储能
➢ 传输线理论
PSpice软件使用介绍
1学时
第三章 高压脉冲形成系统
3~4学时
➢ Marx发生器
➢ 脉冲形成线理论
➢ Blumlein传输线 2
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第三章 高压脉冲形成系统
10KV 5KV
0V 0s V(C2:2)
20us
40us
Time
60us
80us
100us
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Accelerator Lab of Tsinghua University 3.2.2 级联 Marx 发生器
➢ 由火花间隙开关实现并联充电转变为串联放电
➢ 输出电压： Vtotal ngV
➢ 电压脉冲上升时间很短，一般 < 1 μs。 ➢ 级数：4 ～ 100，一般使用 20 ～ 50 级，视充电电压、火花开关
v( t) 5000
C1 C2 , R2 R1
V
(t)

V
exp

t R2C1


exp

t R1C2

0 0 0 0
2 10 6
4 10 6
6 10 6
t
Tim e
8 10 6
10 5
电压上升沿：
1
exp

t R1C2
阻变化而改变；
2）输出阻抗与频率无关：Z L / C 容易进行负载阻抗匹配；
3）PFN 储能与负载得到的能量接近相等； 4）由输出电压和时间的关系，可提出明确的绝缘要求。
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传统的PFN Marx 发生器 PFN Marx 发生器