高功率磁脉冲压缩系统及其在长脉冲驱动源中的应用研究

发布时间：2018-04-11 21:27

本文选题：高功率脉冲驱动源 + 磁性材料　；参考：《国防科学技术大学》2015年博士论文

【摘要】：国防和工业应用需求促使高功率脉冲驱动源向器件固态化、组件模块化以及装置长寿命的方向不断发展;因此,研究小组提出了一种基于磁开关技术的高功率固态长脉冲驱动源技术验证方案,典型指标为输出功率5GW、脉冲宽度160ns、重复频率20Hz,国内对基于该技术路线的高功率脉冲驱动源研究尚未见报道。论文在深入分析该高功率脉冲驱动源工作特性的基础上,提出了一种基于分立式绕组结构的高功率磁开关,并研制了电参数可调型GW级磁脉冲压缩器。该磁脉冲压缩器作为一种全固态模块化单元,做到了峰值工作电压、饱和时间以及压缩比等核心参数可调,具有输出功率高、重复频率高、使用寿命长以及工作可靠性好等优势。论文将其作为核心器件应用于研究小组提出的基于磁开关技术的固态长脉冲驱动源系统中,能够稳定输出上升时间约1μs的GW级高功率电脉冲,已经成功应用于5GW/170ns固态长脉冲驱动源系统的调试与优化。论文的主要工作和创新点有:1.针对高功率脉冲驱动源中磁性材料的应用环境,深入分析了非晶态磁性材料在高电压、强磁场、快脉冲激励下饱和过程的物理机制,研制了激励电脉冲可调节的磁芯测试平台,基于该平台研究了铁基非晶态和铁基纳米晶磁芯的磁滞特性,得到了影响磁开关工作性能的核心参数不仅包括磁性材料种类和磁场强度,还包括磁芯几何结构以及激励磁场波形,该结论可以应用指导高功率脉冲驱动源中的磁芯设计,为研制高功率固态长脉冲驱动源奠定了基础。2.针对传统磁开关由于设计流程不自洽造成的设计精度较低,以及磁开关体积重量较大等缺点,理论推导了磁脉冲压缩器正向和反向预脉冲解析表达式,给出了降低预脉冲幅值的技术方案;优化了磁脉冲压缩器的设计流程、饱和时间以及磁芯几何结构;结果表明,优化方案不仅有效提高了设计精度,还能够在保证一定输出电压的情况下,减小装置的体积、重量和研制成本,并有利于降低开关抖动,为磁开关技术的进一步发展和工程化应用提供了新的思路。3.针对传统磁开关工作点单一的缺点,首次提出了一种使用多段导体拼接制成的分立式绕组结构,这种结构将磁开关的传统绕组“化整为零”,通过改变分段导体的连接方式,可以对磁开关绕组匝数在一定范围内进行连续调节,进而实现峰值工作电压、饱和时间以及压缩比等核心参数的可调节运行,研制了电参数可调型高功率磁开关并开展了实验研究、验证了技术方案,为磁开关技术向参数可调型发展和应用打下了坚实的基础。4.采用理论分析、数值仿真以及实验验证等方法,研制了电参数可调型两级串联型磁脉冲压缩器,输出电功率达到GW量级。通过调节第一级磁脉冲压缩器中磁开关的绕组匝数,开展了压缩比分别为25和19时的脉冲调制实验,均实现输出电脉冲的峰值电压大于55kV、输出功率大于0.55GW、重复频率20Hz,波形一致性较好;将其应用于高功率脉冲驱动源中,驱动源整体在假负载上得到了电功率约2GW、脉冲宽度大于170ns、重复频率20Hz的准方波脉冲输出。基于上述研究工作对装置进行升级,磁脉冲压缩器的输出电压达到约105kV、电功率大于1GW;此时,高功率脉冲驱动源在无导引磁场的情况下,成功驱动天鹅绒阴极实现了功率大于5GW、脉冲宽度大于170ns的电子束输出,稳定性和可靠性较好。
[Abstract]:This paper presents a high - power solid - state long - pulse drive source system based on magnetic switch technology , which has the advantages of high output power , high repetition frequency , long service life and good working reliability . By changing the connection mode of the segmented conductor , it is possible to continuously adjust the number of turns of the magnetic switch in a certain range , so as to realize the adjustable operation of the core parameters such as peak working voltage , saturation time and compression ratio .

【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN78

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