固态化高功率长脉冲驱动源关键技术.pdf

第26卷第4期 强 激 光 与 粒 子 束 v01．26，No．4 2014年4月HIGHPOWERLASER ANDPARTICLEBEAMS Apr．，2014 ==================================================一 固态化高功率长脉冲驱动源关键技术’ 高景明， 杨汉武， 李 嵩， 张伟奇， 刘朝夕， 钱宝良， 张 军， 张建德， 钟辉煌 (国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙410073) 摘要：基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键技术，提出了一种固态化高功 率长脉冲驱动源技术方案，该方案充分利用了绝缘规律，可实现模块化设计，具备提高系统稳定性、可靠性、重 复频率和长时间运行的潜在优势。目前，针对系统方案进行了电路模拟计算，研制了各关键子系统，开展了全 系统的初步联合实验，在假负载上输出了功率2．1GW、脉宽约170 ns的高压脉冲，验证了技术方案的合理性。 关键词： 固态化； 长脉冲驱动源； 磁开关；低阻脉冲形成网络； 感应电压叠加器 中图分类号：TM833 文献标志码：A doi：10．11884／HPLPB201426．045004 纵观国内外研究情况，高功率脉冲技术除了继续向获得超高功率单次脉冲的方向发展之外，对高平均功 率、高稳定性和长寿命的追求也日益受到重视。美国、俄罗斯等国在高平均功率脉冲功率技术研究领域中投入 巨大[1{1；国内长脉冲高功率微波驱动源技术近期的快速发展[3。]，也给予了上述发展趋势有力的佐证；此外，固 态化是高功率脉冲驱动源的主要发展方向之一，所以固态化高功率长脉冲驱动源及其相关技术的研究成果在 国防和工业领域具有重要的实际意义。本文基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键 技术，提出一种固态化高功率长脉冲驱动源技术方案，开展了电路模拟和系统初步联合实验研究。 1 关键技术 1．I磁开关 脉冲功率技术的核心是开关和绝缘。为适应上述发展趋势，考虑采用固态化磁开关替代气体火花开关作 为开关元件是合理选择，因为其开关状态转换主要决定于伏秒积分过程，具有较强的可重复性、无磨损和较快 的恢复速度，没有消电离和电极烧蚀等问题；因此，在高重复频率、长寿命运行等方面有显著优势。 美国Lawrence 缩器代替了原来的吹气火花隙开关Blumlein线重复频率加速器，有效地提高了系统的重频特性和稳定性[5]； 两者原理基本相同，其中RHEPP—II平均输出功率高达350kW；QM公司借鉴RHEPP的技术路线，利用氢闸 流管和磁开关技术研制出QM—I调制器，输出指标为400kV，40kA，150as，10 Hz，用于离子束表面处理方面 的应用[71；PI公司利用多路磁开关并联技术研制了一台输出指标为750kV，10kA，60as，100 Hz的重复频率 脉冲功率装置CLIA，用于驱动高功率微波源[8]。俄罗斯电物理所的SM系列全固态化、高重复频率脉冲发生 器中也大量采用了磁开关技术[9]，该系列脉冲发生器通过巧妙的设计，实现了磁芯的自动复位；输出电压400 ～600 kV，输出电流2～3kA，输出脉冲半高宽40～50ns，可在300 Hz重复频率下连续运行。Et本长冈大学 研制的ETIGO-IV重复频率脉冲发生器，使用磁开关分别进行脉冲压缩和主脉冲输出，可在1Hz重频下输出 400 kV，13kA，120ns的准方波脉冲[1…。 可见，国外在基于磁开关的脉冲功率装置研制方面起步较早，已成功利用磁开关技术研制出一系列高性能 于这方面的研究起步较晚，比较有代表性的是西北核技术研究所采用磁开关技术研制的胡杨系列高重频脉冲 发生器[111。针对近些年高功率长脉冲驱动源的发展，有必要尝试利用磁开