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1、第一届高能电子学学术交流会会议文集 用磁开关并联法产生多路脉冲的原理性研究 谢 敏，冯宗明，刘云涛，曹 科峰，高 平，丁伯南 ( 中 国 工 租 物 理 研 究 院 注 体 物 理 研 究 所，叫1省 肺 阳 市 9 1 时 自 箱 1 0 ， 分 箱， 6 2 1 9 0 0 ) 摘要: 利用一个高压脉冲变压器对并 联的 两根2 5 。 脉冲 形成 线谐振充电， 每根脉冲形成线用 一 一 个磁开关作为脉冲 形成开 关， 通过调整磁开 关的 工作状态， 获得两个性能参数几乎相同的高压脉 冲。 从而证明用磁开关并联法产生多路脉冲的设想切实可行。 用此方法可以获得从几千伏到几百千 伏的多路高压脉冲
2、， 脉冲 宽度可从几 十纳秒到几百纳秒， 重复频率可达数千赫兹且可连续运行。 特 别适用于需要重复 频率的 脉冲功率系统。 关健词:磁开关:重复频率:多路脉冲:脉冲 功率 1 引言 在大型的脉冲功率系统当中， 常需要多路的同步高压脉冲， 并对高压脉冲的波形形状、 同步精度、 稳定性、 可靠性等有严格要求。 如作为直线感应加速器的加速电压时 U ， 要求高 压脉冲波形为方波，顶部电压波动小于士 1 %; 系统抖动小于2 n s ( Q , 1 0 0 次放电) ，电 压 幅 值波动小于1 1 % ( 3 0 ) : 失控 率 要小于 。 .0 2 % ( 重复频率为。 .2 H z 时) 。作为
3、开关的触发器使 用时，要求高压脉冲电压上升陡度大于 5 k V f n s ， 甚至l O k V ln s 。 而运用磁开关技术产 生高压脉冲，不仅可同时满足波形形状、同 步精度、 稳定性、可靠性等各项指标， 还可 获得数千赫兹的重复频率。 其基本原理如图. 所示。 那么是否也可利用多个磁开关并联而 获得多路的同步高压脉冲呢? 为此， 开展了 用磁开关并联法产生多路脉冲的 原理性实验研究， 2 实验目的 验证用磁开关并联法产生多路脉冲的 + H V 可行性，希望利用磁开关功率大、寿命1 长、 重复频率高的优点，可获得高重复频1 率、高上升陡度、高同步精度、高稳定、 性、高可靠性的多路同步高压
4、脉冲， 作为 大型脉冲功率系统的触发装置。 以验证其可行性. R , 3 实验方法 实验线路如图2 所示， 其工作原理是: 图 2 用截开 关 并联法 产 生多 路脉冲 的实 毅 线路图 一 个直流高 压加在电 容器C 0 上， K 1 为 一个 闸 流管。 当 K . 闭 合时， 口 止的 能 量就会通 过一 个变 压比 为1 : 1 的 脉冲 变 压器， 传输到 并联的 两 “ 8第 一 届 越 卯 曳 子 坐 兰 鲤鱼全丝竺鱼一一一一一 根25Q 脉冲形成线中， 脉冲形成线的电 长度为3 50ns。当 脉冲形成线上的充电电压接近峰值 时， 每根脉冲 形成线后接的 一个磁开关将导通， 脉冲
5、形成线输出 一个方波脉冲到磁开关后接 的一个2 幻电阻负载上。 用示波器同 时 监 测两 个电 阻 负载 (R1和 R 公 上的 脉冲 电 压 波 形。 希 望 通过调 整磁开 关的 参数， 在两 个电 阻负载 (R1和 天 公 L ， 获 得相 似的 脉冲电 压波 形。 之所以在线路中 加人了一个脉冲变压器， 是希望以 后可通过增大其变比 而获得更高幅值 的 脉冲电 压， 从而扩大该项技术的 应用领域。 4 实验结果和分析 实 验时电 容器C 让充电 到1 2kv ， 实 验获 得了 满意的 结果。 典型 示波图 照片 见图 3 。由 于 两个磁开关的 铁芯之间 性能参数存在一些差异， 导致
6、两路脉冲电 压波形的上升前沿差异较 大，预脉冲的大小也不一样。 . . . . 1呐 ， . 勺 1 . o M 阳闷 萨 -. 一T. k . . . 别 朋 倪 ， 阂1 0. 姗 超嚼- 一 - 一一一 r 甲 一， 一一丫卜甲- ， ， 丁一 一一一一 嘿锵姗栅 山声1卜IT 分 嗽Chat I SM甘 1 臼 ， . 廿 。 : ， 召翻. 之。 肠， I SM. 1 1 t ， 口 才 卜帕 畜 了 图3 典型的示波圈皿片 此项研究只在验证用磁开关并联法产生多 路脉冲的可行性， 因此没有进行最优化设计。 在正式使用场合， 应将预脉冲的大小控制在脉冲电 压幅值的1 。 % 以下， 使
7、其不会对脉冲电压 波形的上升 前沿产生影响: 应仔细扫 哒磁开关的 铁芯， 使其性能参数尽可能一致。 用磁开关并联法产生多路脉冲， 其卫 献里 可描述为如图 4 所示的等效线路。由 此可见， 增加 磁开关的并联路数， 并不会导致脉冲 电压波 形变坏，特别是上升前沿变坏。因此可以 组建 成多路的 高压脉冲， 而多路的 高压脉冲又只由 一只闸流管进行控制，闸流管的 重复频率可达 献H z ， 抖 动 一 般 小 于3n s ， 可 以 保 证 整 个 系 统具有高重复频率、高上升陡度、高同步精 度、 高稳定性、 高可靠性。 4. 1 预脉冲的控制问 题 预脉冲的产生， 是由于 在给脉冲形成线充 图
8、用进开关并联法产生 多路脉冲 的等效 线路 谢 敬等:用 磁 开 关并 联 法 产 生多 路脉冲 的 原 理性 研 究 电 时， 磁开 关此时 处于未饱和 状态， 表现为 一个大电 感乙 ， 其阻 抗 几 侧为“咧， Z J 侧 应大 于 大于尺 ， 也应大于大于1 1 哎 。 要将预脉冲的大小控制在脉冲电 压幅值的1 0 % 以下， 需要合理 搭配。 湘乙 呻闭值。 4. 2脉冲的上升前沿问题 脉冲电 压的 上升前沿由 下式决 定: t， 之 1 . I L / R =1 1 (L1+ L 公/ R( 1 ) 式中 : 乙 。 为 磁 开 关的 饱 和电 感 L ， ， L Z 为 放电 回
9、 路的 杂 散电 感。 由 此可见， 要追求快的上升前沿， 应使磁开关的 饱和电 感尽可能小。 这样又必然会导致 磁开关的 未饱和电 感跟着变小。 虽然可采取一些措施减小磁开关的饱和电 感而又不改变其未 饱和电 感， 韭 封 赶 行设 计时， 仍应考虑两者的协调伺题。 当 然， 还有办法对脉冲的上升前沿进行锐化 但这个问 题就不在这J 口 羞 行讨论了。 4 结论 实验结果证明， 用磁开关并联法产生多路脉冲的设想切实可行。 用此方法可以获得从几 千伏到几百千伏的 多路高压脉冲， 脉冲 宽度可从几十纳秒到几百纳秒， 整个系统可具有 高重 复频率、高上升陡度、 高同 步精度、 高 稳定性、 高可 靠性。 特别 适用于需要重复频率的脉冲 功率系统。 参考文献 【 11 心 、 帕吨J. et以 . 内八 尸 ” 吧 产 匀 性 犯 柑加 而 DA左 石 口 ， A 似拒 尸 口 才 月 ， u 助thIE E l n t O m a t i加alPul刘 Po俄r 为 ” f ， S anD 记 召 仆 C 气 J 姗 1 991 一勺一一-，.一一 一
