脉冲功率技术的重要发展方向是高功率密度、紧凑小型化和高稳定可靠。液体介质由于具有绝缘强度高、易流动、快恢复、散热性好等方面的特点，广泛应用于脉冲形成线型紧凑小型脉冲功率源的电容储能器件作为储能介质。主要围绕紧凑小型脉冲功率源ARC系列的技术难题，开展了关键技术、系统研发及其工程应用等方面的工作。首先，提出了基于液体介质和慢波结构的形成线，采用场均匀和绝缘配合技术，研制出紧凑小型脉冲功率源ARC-01和ARC-02，输出功率1～2 GW、脉冲宽度5～30 ns、重复频率1～100 Hz，紧凑化水平较国际先进同类装置最多提高了2倍。之后，以凑小型脉冲功率源为核心搭建液体介质击穿测试平台，针对变压器油、蓖麻油、甘油、碳酸丙烯酯等常见液体介质，开展了微秒脉冲击穿特性研究，采用统计分析方法建立了数据库，以“小成本”换取“高可靠性”；并采用超高速光学诊断方法，将击穿瞬间流注、冲击波、亚微观断裂面产生、传播、截止过程与张力理论结合，建立了液体介质击穿物理模型。最后，成功将紧凑小型脉冲功率源应用于驱动宽带/窄带微波产生、碳纤维阴极稳定性及寿命测试。

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

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。

传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节, 同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题, 课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式, 并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展, 包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置: 同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20 GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状, 为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。

介绍了一种基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源的设计与实验,脉冲功率源系统体积约0.5 m3,输出功率大于4 GW、脉宽约150 ns。该脉冲功率源采用模块化设计,系统主要包括充电组件、薄膜介质线模块和气体火花间隙开关组三个部分。薄膜介质线储能介质为聚酰亚胺薄膜,为抑制电磁耦合以及电晕现象,匝间距选为30 mm。优化设计的三电极场畸变开关直径150 mm、高45 mm、电感值16.2 nH。为降低系统电感,薄膜介质线模块与开关间采用传输线的布线方式,中间绝缘采用聚酰亚胺膜,在2 mm间距下实现了100 kV耐压。

设计了基于弧形Blumlein 脉冲成形网络(Blumlein PFN)的LTD型重复频率长脉冲功率模块。该模块将四路阻抗均为24 Ω的弧形Blumlein PFN对称分布在LTD外筒圆周上, 连接于LTD的初级绕组上, 并采用两个激光触发放电开关同步驱动, 整个脉冲功率模块结构紧凑, 缩短了高压馈线和开关引线长度, 有利于形成良好脉冲波形。在此基础上研制了两模块重复频率长脉冲功率源, 实验结果表明, 研制的长脉冲功率源在5 Hz重频运行时假负载上输出脉冲幅值约为260 kV, 脉冲功率达到5.2 GW, 脉冲宽度约170 ns。

采用Marx发生器结合水介质同轴线设计了高压脉冲功率源, 在X射线二极管负载上可产生数 MV高压输出。通过电压波过程分析, 给出了在负载上获得最大电压输出条件下的形成线、传输线的阻抗设计原则。通过集中参数电路模型分析, 给出了一定预脉冲幅值下形成线、传输线电长度及中储设计原则。结合水介质正极性耐压Martin经验公式进行绝缘设计, 二极管采用径向均压绝缘堆结构, 给出了整个装置初步方案设计。基于Pspice的全系统电路模拟表明: 当中储运行电压为2.6 MV时, 对3 Ω形成线充电电压为3.3 MV, 并最终在40 Ω负载上获得4 MV电压输出, 且充电过程中负载脉冲幅值约为形成线充电电压的1.2%, 在现有条件下, 该平台设计指标能够满足实验预期。

为减小脉冲功率源装置的体积，对场畸变三电极轨道气体开关和两电极轨道气体开关结构进行了小型化低电感设计，采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化，对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同气压(0～0.3 MPa)和不同气体介质(N2，SF6，以及二者混合)条件下的击穿电压及导通电感等进行了研究。研究表明: 小型触发开关和自击穿开关在0～0.3 MPa气压范围内自击穿电压随气压具有较好的线性关系; 相同气压下SF6气体的自击穿电压约为N2气体的两倍; N2与SF6压力按3∶2混合的自击穿电压约为纯SF6气体的0.8～0.9倍; 内部充入0.25 MPa 气压的SF6气体时，触发开关和自击穿开关均可在190 kV左右正常工作。根据实验中出现的开关沿面击穿现象，对开关的沿面绝缘能力进行了优化设计，并得到了实验验证。另外通过短路放电测试，得到触发开关电感约22 nH，自击穿开关电感约20 nH，开关导通电流大于20 kA，多次放电后电极烧蚀痕迹分布均匀。

针对半导体断路开关型、数十kHz高频脉冲功率源设计了初级单元。该单元在低频电路的基础上进行了改进和优化，放电主开关采用IGBT串并联组件，解决了同步触发问题，增加了过流保护系统，设计了高频脉冲触发器。研究发现，初级单元的放电电容放电后有残余电压存在，这会降低脉冲功率源的输出稳定性。该初级电路加强了高频率脉冲功率源的稳定性和可靠性，成功应用于数十kHz高频脉冲功率源。从波形上看，初级充电电源工作电压约为1 kV，放电电流约1.5 kA，在10 kHz条件下可以稳定工作。