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1、华中科技大学 硕士学位论文 高温超导无损脉冲功率延迟网络研究 姓名：黎志 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：唐跃进 20090526 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 自从上世纪60年代马丁研究小组的开创性工作以来，脉冲功率科学与技术一直受 到各国国防部门的高度重视，近年来高功率脉冲技术在民用方面也开始崭露头角。在 高功率脉冲应用领域中，负载所需功率往往大于电源的供应能力，为了产生负载所需 的高功率，常常将电源提供的脉冲延迟一定时间。在长延迟时间应用中，常导延迟线 因衰减大、前沿差、功耗高以及占地广而难以满足要求，而超导体的零电阻与高载流 特性
2、潜在地具有解决衰减、畸变以及占地等问题。使用高温超导材料来制作大功率延 迟线以及延迟网络的相关研究尚未见报道，本文对高温超导无损延迟网络进行了初步 的试验研究以及工程应用探讨。 本文首先从传输线理论出发简要讨论了延迟网络的基本特性，提出了一种求解延 迟网络及类似的一阶线性常微分微分方程组的快速方法，得到了相似于一阶电路的简 洁公式，并据此编写 M 程序进行了仿真研究。 本文设计了一个小型高温超导延迟网络的试验系统，进行了电压脉冲试验、电流 脉冲试验、改变脉宽试验以及负载匹配试验等，得到了如下结论：在匹配电阻性负载 情况下，相比于常导有损延迟网络，超导无损延迟网络能显著减小电压脉冲的幅值衰 减和
3、电流脉冲的前沿畸变，并能显著提高功率的传送效率；为减小信号的失真，应使 信号的主要频率分量尽可能地小于截止频率，并使延迟网络与负载相匹配。 最后，本文研究了高温超导无损延迟网络工程应用相关的一些问题，给出了延迟 网络的参数估算公式以及仿真算例，讨论了高温超导电感的实现问题，包括 H 级小 电感的制作方案和第二代高温超导带材性能的试验研究。重点研究了电感的布局问 题，编写了绘制两平行电感耦合系数的空间分布与等值线的计算程序，并通过试验验 证了数值计算的正确性，这对电感的低耦合布局具有很好的指导意义。 关键词关键词：高温超导，延迟网络，高功率脉冲，幅值衰减，前沿畸变，耦合系数 华 中 科 技 大
4、学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Since the pioneering work of Matins research group in 1960s, the high pulsed power technology has always been attached great importance by the defense departments of many countries in the world. It has begun to emerge in civilian areas in the recent years. In the many appli
5、cations of high-power pulses, some loads require higher power than the source is able to supply. To meet this demand, it is usually required to delay those high-power pulses for relatively short intervals. For the high power pulses with long time delay, the conventional delay line is always difficul
6、t to meet the requirements due to large attenuation, bad front-edge, high power-loss, large bulk and so on. The zero-resistance property and high current carrying density of superconductors can reduce signal attenuation, distortion, weight and bulk potentially. The work on high power delay lines or
7、delay network made by high-temperature superconducting (HTS) materials has not been reported at present. Therefore, this thesis makes some original researches on HTS loss-free delay network mostly by the means of experiments, and then focuses on the engineering applications. Firstly, this paper disc
8、usses the basic characteristics of delay network according to the elementary transmission line theory. Then, a rapid new method is proposed to solve the equations set of delay network and the first-order linear ordinary differential equations which are similar to it, and a concise result is obtained
9、, which is similar to that of a simple first-order circuit. The simulation studies are done by the programming code based on this new method. Secondly, a small HTS delay network experimental platform is designed in the paper. Based on the platform, the following experiments are done: voltage pulse e
10、xperiments, current pulse experiments, vary pulse width experiments and matching experiments.The corresponding conclusions are obtained: (1) Under the matched resistive load, compared with a normal conducting lossy delay network, the HTS loss-free delay network can reduce the amplitude attenuation o
11、f voltage pulses, the front-edge distortion of current pulses and improve the power transmission efficiency significantly; and (2) In order to reduce the distortion of the original signal, its main frequency components should be less than the cut-off frequency of network as much as possible, and the
12、 network should match with load. Finally, some problems related to engineering applications are studied in this paper. The formula to estimate the parameters of networks is educed and a simulation example is 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III demonstrated. The realization of HTS inductors is also discussed
13、, including the facture of H-class inductors and the performance of 2G HTS tapes. At last, the layout of inductors is been studied, and the programming code is written to calculate the spatial distribution and contour map of the coupling coefficient of two parallel superconducting cakes, which is ve
14、rified by experiments. It is very useful for the layout of inductors with low coupling coefficient in the engineering applications. Keywords: High Temperature Superconductor (HTS), Delay Network, High Power Pulse, Amplitude Attenuation, Front-edge Distortion, Coupling Coefficient 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学
15、位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印
16、或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 绪论 1.1 研究背景研究背景 高功率脉冲技术（High Pulsed Power Technology）是应国防科研需求而产生并发 展起来的一门新兴学科。上世纪 60 年代初，在奥尔德玛斯顿(Aldermaston)村，英国原 子武器研究中心（Atomic Weapons Research Establishment, AWRE）的马丁研究小组成 功地将二战期间雷达上所使用的 Blumlein 传输线技术应用于闪光 X 射线照相研究中， 从而极大地提高了射线机的能量与强度， 开创了高功率脉冲技术研究的新纪元， 随后， 脉冲功率技术迅速扩散到美国、前苏联、欧洲和亚洲等地1-3。在研究的早期阶段，闪 光照相和核爆模拟促进了高功率脉冲技术的发展，近期起
