1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 研究生院,四川 绵阳 621900
提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器(RBWO),其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构,较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分,插入同轴避免了高阶模式的竞争,使两段慢波结构分别工作在TM02和同轴TM01模式下。同时,插入同轴还起着模式转换的功能,将TM02转化为TM01,最终在输出波导中输出纯TM01模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离,同时为电子束提供足够的预调制,实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计,在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下,获得了3.5 GW的微波输出功率,微波中心频率为9.46 GHz,转换效率约为35%。
高功率微波 相对论返波管振荡器 过模 谐振腔反射器 模式选择 high power microwave relativistic backward wave oscillator over-mode resonant cavity reflector mode selection 强激光与粒子束
2024, 36(3): 033010
强激光与粒子束
2023, 35(3): 035004
1 中国工程物理研究院 研究生院,四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,四川 绵阳 621900
为了有效抑制聚四氟乙烯(PTFE)材料表面电荷积聚、进一步提升其沿面耐压性能,采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入。注入过程中改变射频功率、脉宽、脉冲幅值等参数实现对PTFE样品表面的不同改性效果。通过测试其注入前后的X射线光电子能谱、表面形貌、表面电阻率、表面电位衰减特性、表面陷阱能级及其密度分布,较为系统地研究了不同注入参数对聚四氟乙烯样品表面成分、表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明:注入过程中,氮离子主要通过自身动能促使聚四氟乙烯材料表面分子结构发生破裂和重组来实现表面改性而并非通过化学反应引入新成分,注入氮离子的动能以及数量是决定表面改性效果的主要因素。随着射频源功率增加,射频源对氮气利用效率得到提升,其处理效果饱和点由100 W射频功率下的20 cm
3/min升至400 W射频功率下的30 cm
3/min,相应表面电阻率由100 W-10 cm
3/min条件下的最大值
$ 3.3\times {10}^{16}\;\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}{\mathrm{m}}^{2} $![]()
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降至400 W-30 cm
3/min条件下的最小值
$ 1\times {10}^{15}\;\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}{\mathrm{m}}^{2} $![]()
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,并且表面电荷消散速度由6%增加至68%,同时积聚量最多减少了18.6%。另外,随着外施脉冲电压由3 kV-25 μs升至7 kV-75 μs,表面电阻率最多下降了89%,表面电荷消散速度由4%增加至58%,积聚量最多减少了23.7%。进一步分析表明,经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面陷阱能级变浅,加速了表面电荷脱陷,而降低的表面电阻率也促进了脱陷的表面电荷沿面传导,最终使得表面电荷消散加快。
聚四氟乙烯 氮离子注入 表面电荷 积聚消散 表面电阻率 表面陷阱特性 polytetrafluoroethene nitrogen ion implantation surface charge accumulate and dissipate surface resistivity surface trap characteristic 强激光与粒子束
2022, 34(12): 125001
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,高功率微波技术重点实验室,四川 绵阳 621900;中国工程物理研究院 研究生院,北京 100088
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,高功率微波技术重点实验室,四川 绵阳 621900
3 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,高功率微波技术重点实验室,四川 绵阳 621900;哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨 150001
为了抑制聚四氟乙烯材料表面电荷积聚,采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入以改善其表面性能。对注入前后的聚四氟乙烯材料样品进行了X射线光电子能谱分析(XPS)、傅里叶红外光谱测试(FTIR)、水接触角测量、表面电阻率测量以及表面电位衰减测量,并基于等温表面电位衰减理论对其表面陷阱能级和密度分布进行了计算,以分析聚四氟乙烯样品经离子注入处理后其表面成分和物理性能的变化,并研究了这些变化对聚四氟乙烯样品表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明:氮离子注入后,聚四氟乙烯材料表面化学成分的主要变化是自身分子结构的破坏和转化,部分CF2结构转变为CF和CF3结构,导致样品表面陷阱能级变浅;水接触角升至140°左右,比未处理样品上升了约27°,表面电阻率降至3×1015 Ω,比未处理样品下降了两个数量级;表面电晕放电1 min后,经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面积聚电荷量减少,消散速度加快,这是因为表面陷阱能级变浅有利于表面电荷脱陷,同时表面电阻率降低也促进了表面电荷沿面传导的消散过程,聚四氟乙烯样品表面陷阱能级分布曲线也证实了这一论点。
聚四氟乙烯 氮离子注入 表面电荷 积聚消散 表面电阻率 表面陷阱特性 PTFE nitrogen ion implantation surface charge accumulation and dissipation surface resistivity surface trap characteristics 强激光与粒子束
2020, 32(7): 075001
强激光与粒子束
2020, 32(2): 025014
中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室, 四川绵阳 621999
使用六氟化硫 (SF6)及其混合气体做绝缘介质, 并提高工作气压, 增加绝缘强度, 利于实现Marx发生器的小型化、轻量化。为保障 Marx发生器的顺利建立, 一般需要使用触发电源。某些场合下, 去掉触发源, Marx依靠开关自击穿建立, 可提升 Marx发生器的使用便利性, 降低维护难度。搭建了 14级气绝缘 Marx发生器, 当工作气压逐渐升高时, Marx发生器依靠开关自击穿建立变得困难。对 Marx发生器建立过程进行理论分析及开关电极的优化验证实验, 改进了 Marx发生器开关的电极形状及组合形式。实验表明, 改进后的 Marx发生器在高气压下的自击穿建立概率提高了。研制的 Marx发生器工作在 0.25 MPa的六氟化硫下, 结构紧凑, 体积较小, 在 45 .的水负载上获得约7 GW, 脉宽70 ns的电压输出。ZHANG Beizhen, WANG Ganping, SONG Falun, LUO Guangyao, YANG Xiaoliang
脉冲功率源 Marx发生器 火花隙开关 罗可夫斯基电极 pulsed power Marx generator spark gap Rogowski electrode 太赫兹科学与电子信息学报
2019, 17(2): 327
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
以FR-4环氧玻璃纤维布为介质材料, 研制了一种S型平板折叠式固态脉冲形成线。从理论上和实验上分析了脉冲形成线的放电过程。重点研究了边缘特性对其特性阻抗的影响, 给出了改进的特征阻抗表达式; 分析了相邻效应和集肤效应对脉冲形成的影响, 给出了脉冲波形中出现高频噪声的原因; 实验上验证了使用寿命与外加电场的关系。采用多级折叠线串并联模块化技术, 提高了模块电压, 降低了特性阻抗, 研制了一种基于串并联技术的Blumlein线模块。该模块的耐压大于120 kV, 特性阻抗约为7 Ω, 脉冲宽度为138 ns。
紧凑型脉冲功率源 脉冲形成线 平板折叠线 快放电 high power pulsed source pulse forming line planar S-type folded line fast discharge process 强激光与粒子束
2019, 31(1): 015003
1 中国工程物理研究院 研究生部, 北京 100088
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求, 研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关, 并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系, 计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数, 分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明:气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大; 填充气体中SF6和 N2体积比1∶1时, 混合气体的综合性能较好; 工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。
气体开关 抖动 脉冲功率技术 gas switch time jitter pulse power technology 强激光与粒子束
2018, 30(10): 105003
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
2 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室, 哈尔滨 150001
基于高功率脉冲功率系统小型化和模块化发展要求,研制了一种集储能和脉冲形成功能为一体的脉冲形成模块。通过发展非均匀脉冲形成技术,成功将传统脉冲形成网络的级数降至两级,并保持其输出波形为近方波,大幅降低了近方波脉冲形成模块的体积重量。模块内部电容采用串联分压结构以提高其耐电压值,采用折叠式薄膜电容以提高其储能密度,结合薄膜/变压器油混合绝缘方式,实现了紧凑化、耐高压设计。利用PSpice电路仿真,结合最坏情况模拟等方法,分析了模块内部电参数对其输出特性的影响,并进行了实验验证。模块耐电压值可达120 kV,单次储能密度高达41 kJ·m-3,可输出脉宽约180 ns的近方波高压脉冲。该模块将传统需要五级以上的脉冲形成网络的实际应用发展到两级,有利于实现多级高压方波Marx系统的紧凑化、模块化设计。
紧凑化 非均匀脉冲形成 双电容 近方波波形 电路仿真 compact design nonuniform PFN 2-capacitors quasi-square waveform electrical circuit simulation 强激光与粒子束
2018, 30(8): 085004
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
基于高功率重复频率脉冲功率源的需求, 开展了高功率脉冲充电电源的重复频率特性研究, 分析了基于全桥串联谐振充电原理的恒流充电技术。根据高功率Marx型脉冲功率源的工作要求, 计算了串联谐振充电的各个关键参数。研制的紧凑型高功率脉冲充电电源, 最大输出电压±50 kV, 充电电流2.5 A, 重复频率1~50 Hz连续可调, 可在重复频率条件下长时间稳定运行。该充电电源体积小、质量轻、抗干扰能力和抗负载短路能力强, 已经应用于高功率重复频率脉冲功率源技术研究, 实现了10万次重复频率无故障运行。
脉冲功率技术 Marx发生器 重复频率 串联谐振充电 pulsed power technology Marx generator repetitive frequency series resonant charging 强激光与粒子束
2018, 30(6): 065003