2-22 50W 100kV纳秒级脉冲高压源

周启明 孙庚晨 罗学金

    　为了在GTEM室内形成一个陡峭而强大的脉冲电磁场，以进行系统组件和电路的NEMP效应与加固技术研究，研制了一台100kV纳秒级脉冲高压源。其主要指标为：EMP上升时间tr≤5ns；脉冲半高宽t≈100~300ns；输出阻抗Z = 50W；峰值电场强度E ≤20~80kV/m。

    　脉冲高压源主要由Marx发生器、峰化电容器和主开关三部分组成。Marx发生器为脉冲高压源的储能装置。本机Marx采用两个电容器，双边正负充电，电容器容量为0.02mF，耐压60kV。两电容器中间为充气火花隙开关，充高纯氮气。充气火花隙开关由控制箱上控制电磁阀放气触发。充电电阻为560kW，接地电阻为5kW，耦合电阻为100W。整个Marx发生器靠变压器油来绝缘。

    　通过等效电路分析可以知道，脉冲上升时间t_r由次级回路的时间常数τ₁所决定，τ₁=L_f /R_l，tr≈2.3t₁；脉冲后沿的能量由Marx发生器提供，脉冲下降时间t_f由主放电回路电容的时间常数t₂所决定，t₂ =C_p×R_l，t_f≈ 2.3τ₂。

    　研制难度在于负载阻抗为50W，要使波形前沿小于5ns，必须尽可能地减小次级回路的电感Lf。本设备为加速脉冲前沿，采取了两条措施，一是采用同轴油线作为峰化电容，其电感等于芯线电感；二是将主开关做成充气开关，使得球隙间距减小，以达到降低开关电感即火花通道电感的目的。

    　峰化电容的作用是加速脉冲前沿。采用同轴式油线作为峰化电容器，既可以减少次级放电回路电感，又可以和Marx发生器直接相连，比用水线作为峰化电容器要简单得多。但由于油介质的介电常数值较低，故峰化电容值不容易做大，只有Marx发生器串联电容的1/100。油线长1m，电容值约100pF，电感值约为10nH。

    　主开关是加速脉冲前沿的主要部件，为自击穿型充气开关。球隙间距约2~5mm可调，球头Φ20mm，充高纯氮气。在调试过程中，找到了气压、球隙间距与电压幅度、上升时间的最佳关系，得到了充电电压1.6~1.8倍的输出电压幅度和3ns左右的上升前沿。

　　通过对实验获得的GTEM室内电场波形分析表明，因为波形为负极性，故波形下降时间即为脉冲的上升时间(10%~ 90%)，波形的极小值即为脉冲的最大值。测得的室内电场波形脉冲前沿为2.8ns，对于50W负载，很好地满足了指标要求。