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, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240329
摘要:
介绍了基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关组成及其工作原理，可实现固态磁开关、脉冲调制以及电压升压等功能，并给出了该一体化磁开关的三种典型应用，一是应用在高压脉冲触发器中，可实现触发器电压大于100 kV，30 Hz重复频率下抖动小于5 ns；二是用于微秒准方波产生，实现了电压幅值大于50 kV，100 Hz长时间运行；三是作为低阻脉冲形成线的主开关，利用双开关调制产生百纳秒方波脉冲，以实现脉冲功率装置的轻量化。基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关是一种将磁开关和脉冲变压器集成紧凑的脉冲功率器件，能够兼顾变压器高升压比和磁开关低次级饱和电感，对实现脉冲功率器件的固态化、集成紧凑化具有重要的意义。
介绍了基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关组成及其工作原理，可实现固态磁开关、脉冲调制以及电压升压等功能，并给出了该一体化磁开关的三种典型应用，一是应用在高压脉冲触发器中，可实现触发器电压大于100 kV，30 Hz重复频率下抖动小于5 ns；二是用于微秒准方波产生，实现了电压幅值大于50 kV，100 Hz长时间运行；三是作为低阻脉冲形成线的主开关，利用双开关调制产生百纳秒方波脉冲，以实现脉冲功率装置的轻量化。基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关是一种将磁开关和脉冲变压器集成紧凑的脉冲功率器件，能够兼顾变压器高升压比和磁开关低次级饱和电感，对实现脉冲功率器件的固态化、集成紧凑化具有重要的意义。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240316
摘要:
针对加速器传统闸流管半正弦冲击磁铁脉冲电源的低重频以及短寿命问题，研制了一种基于LC谐振放电的半正弦感应叠加脉冲电源。脉冲的产生由两种开关配合控制，变压器初级IGBT作为主动脉冲开启开关，次级高压硅堆作为被动脉冲关断开关，这种设计提高了有较长关断延时的大功率IGBT在窄脉冲应用的可能性。电源利用变压器磁芯饱和的特性，通过感应叠加初级二次反向谐振实现储能电容能量的自回收，降低了电路的充电时间以及热损耗。通过结合PSpice软件仿真和电路实验，研制出了一台5级叠加的脉冲电源原理样机。测试结果表明，相较于传统闸流管半正弦脉冲电源，该脉冲电源可实现更高的脉冲重复频率以及更低的功率损耗，可为加速器半正弦冲击磁铁系统提供更多设计选择方案。
针对加速器传统闸流管半正弦冲击磁铁脉冲电源的低重频以及短寿命问题，研制了一种基于LC谐振放电的半正弦感应叠加脉冲电源。脉冲的产生由两种开关配合控制，变压器初级IGBT作为主动脉冲开启开关，次级高压硅堆作为被动脉冲关断开关，这种设计提高了有较长关断延时的大功率IGBT在窄脉冲应用的可能性。电源利用变压器磁芯饱和的特性，通过感应叠加初级二次反向谐振实现储能电容能量的自回收，降低了电路的充电时间以及热损耗。通过结合PSpice软件仿真和电路实验，研制出了一台5级叠加的脉冲电源原理样机。测试结果表明，相较于传统闸流管半正弦脉冲电源，该脉冲电源可实现更高的脉冲重复频率以及更低的功率损耗，可为加速器半正弦冲击磁铁系统提供更多设计选择方案。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240005
摘要:
开关触发前发生的低概率自击穿故障，是制约直线变压器驱动源（LTD）技术发展和工程应用的主要因素。针对多间隙气体开关的自放电概率展开研究，设计了简化结构的气体开关来测量更高气压下的自击穿电压；推导了考虑间隙分压不均的开关自击穿电压累积分布函数，计算LTD工作气压下的多间隙开关自击穿电压分布特性并进行实验验证；通过超越阈值方法对低工作系数下的小概率自放电事件进行威布尔分布拟合，得到自放电概率估计值；对气体开关开展了万发次考核实验，得到自放电概率测量值。结果表明：开关的自击穿电压分散性随着气压升高而增加，测量低气压下的自击穿电压无法外推得到实际工作高气压条件下的自放电概率；开关工作系数为65%和60%时，气体开关的自放电概率估计值为\begin{document}$1.44 \times {10^{ - 4}}$\end{document} ![]()
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开关触发前发生的低概率自击穿故障，是制约直线变压器驱动源（LTD）技术发展和工程应用的主要因素。针对多间隙气体开关的自放电概率展开研究，设计了简化结构的气体开关来测量更高气压下的自击穿电压；推导了考虑间隙分压不均的开关自击穿电压累积分布函数，计算LTD工作气压下的多间隙开关自击穿电压分布特性并进行实验验证；通过超越阈值方法对低工作系数下的小概率自放电事件进行威布尔分布拟合，得到自放电概率估计值；对气体开关开展了万发次考核实验，得到自放电概率测量值。结果表明：开关的自击穿电压分散性随着气压升高而增加，测量低气压下的自击穿电压无法外推得到实际工作高气压条件下的自放电概率；开关工作系数为65%和60%时，气体开关的自放电概率估计值为
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240213
摘要:
磁开关具有高功率、高重频、高稳定、长寿命等特点，在脉冲功率领域得到了重要应用。首先，介绍了磁开关技术的发展现状。然后，建立了一种磁开关场路协同仿真模型，分析了不同脉冲宽度下磁开关的磁场扩散及饱和动态特性、层间绝缘特性和损耗特性等；研究了磁芯几何结构对磁开关动态特性的影响。最后，阐述了磁开关技术在固态化高功率脉冲驱动源的应用，以及两路脉冲源合成时磁开关的同步技术。
磁开关具有高功率、高重频、高稳定、长寿命等特点，在脉冲功率领域得到了重要应用。首先，介绍了磁开关技术的发展现状。然后，建立了一种磁开关场路协同仿真模型，分析了不同脉冲宽度下磁开关的磁场扩散及饱和动态特性、层间绝缘特性和损耗特性等；研究了磁芯几何结构对磁开关动态特性的影响。最后，阐述了磁开关技术在固态化高功率脉冲驱动源的应用，以及两路脉冲源合成时磁开关的同步技术。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240291
摘要:
开关电容器组成的初级放电支路是快脉冲直线变压器（FLTD）的基本单元，在输出电流幅值和前沿不变的前提下，降低单元回路电感可有效减少放电支路及气体开关的使用数量，从而提高FLTD的整体可靠性。因此，设法降低初级支路电感是FLTD关键技术。基于开关电容一体化技术研制了一台低电感FLTD初级放电单元，采用环形高压脉冲电容器作为能量储能元件，其工作电压100 kV，电容量39.6 nF，内电感8.8 nH。实验测试了初级放电单元的工作特性，结果表明：在±50 kV工作电压下，初级放电单元的短路电流幅值40 kA，前沿50 ns，回路电感为101 nH；在±80 kV工作电压下，初级放电单元对匹配负载的输出电流幅值为30 kA，前沿66 ns。
开关电容器组成的初级放电支路是快脉冲直线变压器（FLTD）的基本单元，在输出电流幅值和前沿不变的前提下，降低单元回路电感可有效减少放电支路及气体开关的使用数量，从而提高FLTD的整体可靠性。因此，设法降低初级支路电感是FLTD关键技术。基于开关电容一体化技术研制了一台低电感FLTD初级放电单元，采用环形高压脉冲电容器作为能量储能元件，其工作电压100 kV，电容量39.6 nF，内电感8.8 nH。实验测试了初级放电单元的工作特性，结果表明：在±50 kV工作电压下，初级放电单元的短路电流幅值40 kA，前沿50 ns，回路电感为101 nH；在±80 kV工作电压下，初级放电单元对匹配负载的输出电流幅值为30 kA，前沿66 ns。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240141
摘要:
高功率容量的气体开关是国内外大型脉冲功率装置的首选，但因气体放电随机性导致的自击穿电压抖动一直以来是脉冲功率装置的瓶颈问题。电极是影响气体开关稳定性和寿命的关键，开关设计总要面临低抖动和长寿命之间的取舍，提出一种兼顾低抖动、长寿命特性的球墨铸铁气体开关。基于对球墨铸铁材料的特性分析，提出球墨均布于电极有利于提高气体开关击穿稳定性的机制，且球状石墨均布于整个电极体内，相比表面结构，具有长寿命的原生优势。设计开展了单级开关稳定性测试实验，结果表明球墨铸铁电极可将传统电极结构3%～4%的重频自击穿抖动有效降低至2.5%。最终利用低抖动球墨电极，设计了5级1 MV等自击穿概率型全密封气体开关，开关抖动进一步降低至2%以下。在测试电压范围960～980 kV，放电电流约9 kA，无维护条件下开展了开关30万脉冲寿命考核，自击穿抖动维持在2%以下，最优达1.7%。开关导通前沿小于5 ns，传输效率大于90%。此结果展现了球墨铸铁作为气体开关电极的应用潜力。
高功率容量的气体开关是国内外大型脉冲功率装置的首选，但因气体放电随机性导致的自击穿电压抖动一直以来是脉冲功率装置的瓶颈问题。电极是影响气体开关稳定性和寿命的关键，开关设计总要面临低抖动和长寿命之间的取舍，提出一种兼顾低抖动、长寿命特性的球墨铸铁气体开关。基于对球墨铸铁材料的特性分析，提出球墨均布于电极有利于提高气体开关击穿稳定性的机制，且球状石墨均布于整个电极体内，相比表面结构，具有长寿命的原生优势。设计开展了单级开关稳定性测试实验，结果表明球墨铸铁电极可将传统电极结构3%～4%的重频自击穿抖动有效降低至2.5%。最终利用低抖动球墨电极，设计了5级1 MV等自击穿概率型全密封气体开关，开关抖动进一步降低至2%以下。在测试电压范围960～980 kV，放电电流约9 kA，无维护条件下开展了开关30万脉冲寿命考核，自击穿抖动维持在2%以下，最优达1.7%。开关导通前沿小于5 ns，传输效率大于90%。此结果展现了球墨铸铁作为气体开关电极的应用潜力。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240206
摘要:
12级串联太瓦级直线型变压器驱动源（LTD）采用内置时序触发新方法，对触发支路气体开关提出了低自放概率、低触发阈值、低抖动、触发延时可调的技术要求。介绍了自行研制的基于电阻均压/电晕辅助触发技术的气体开关结构和工作原理；建立了气体开关特性测试平台，完成了12只气体开关的老练和击穿特性测试；开关应用于12级LTD脉冲源级联触发实验，获得了不同工作电压、工作系数下的触发特性参数。实验结果表明：开关工作电压±60～±80 kV，工作系数60%～80%，抖动小于2 ns，500余发实验未发生自放电，实现了12级LTD脉冲源触发支路按理想时序依次导通，触发时序系数0.83～1.17范围内可调。
12级串联太瓦级直线型变压器驱动源（LTD）采用内置时序触发新方法，对触发支路气体开关提出了低自放概率、低触发阈值、低抖动、触发延时可调的技术要求。介绍了自行研制的基于电阻均压/电晕辅助触发技术的气体开关结构和工作原理；建立了气体开关特性测试平台，完成了12只气体开关的老练和击穿特性测试；开关应用于12级LTD脉冲源级联触发实验，获得了不同工作电压、工作系数下的触发特性参数。实验结果表明：开关工作电压±60～±80 kV，工作系数60%～80%，抖动小于2 ns，500余发实验未发生自放电，实现了12级LTD脉冲源触发支路按理想时序依次导通，触发时序系数0.83～1.17范围内可调。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240234
摘要:
层叠Blumlein脉冲发生器具有灵活紧凑的优点，但由于开关隔离问题没有得到广泛运用。本文设计了一种集成隔离全固态层叠Blumlein脉冲发生器，利用4绕组共模电感为脉冲形成网络充电、驱动供电和高电压隔离的器件，解决了半导体开关应用于层叠Blumlein脉冲发生器的问题。首先介绍了隔离的原理，设计了包含共模电感和同步光触发隔离组件，以及基于IGBT开关阵列的Blumlein脉冲形成网络，分析了层叠Blumlein脉冲发生器的充放电过程；其次，对设计的Blumlein脉冲形成网络与层叠Blumlein脉冲发生器进行电路仿真；搭建了8级层叠Blumlein脉冲发生器，在匹配负载上实验得到电压30.0 kV、电流604 A、脉宽237 ns的方波脉冲。
层叠Blumlein脉冲发生器具有灵活紧凑的优点，但由于开关隔离问题没有得到广泛运用。本文设计了一种集成隔离全固态层叠Blumlein脉冲发生器，利用4绕组共模电感为脉冲形成网络充电、驱动供电和高电压隔离的器件，解决了半导体开关应用于层叠Blumlein脉冲发生器的问题。首先介绍了隔离的原理，设计了包含共模电感和同步光触发隔离组件，以及基于IGBT开关阵列的Blumlein脉冲形成网络，分析了层叠Blumlein脉冲发生器的充放电过程；其次，对设计的Blumlein脉冲形成网络与层叠Blumlein脉冲发生器进行电路仿真；搭建了8级层叠Blumlein脉冲发生器，在匹配负载上实验得到电压30.0 kV、电流604 A、脉宽237 ns的方波脉冲。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240149
摘要:
用大气压空气下的场畸变火花开关组建一套纳秒脉冲电源，研究了开关不同重复频率（从50 Hz到1300 Hz）触发击穿时的电压工作范围以及吹气的影响，用高压探头和数字示波器记录电压波形。实验结果表明，开关稳定工作（电压低于30 kV、电流峰值小于300 A）的最高重复频率为1300 Hz，因开关击穿后绝缘未完全恢复，稳定工作的最高工作电压\begin{document}$ {V}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $\end{document} ![]()
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1300 Hz时很小，大约只有0.5 kV，这是因为高频时绝缘水平低，触发脉冲对击穿电压的降低作用不明显，因此触发条件下的实际工作电压更接近当前的自击穿电压。吹气可以加快气体绝缘恢复，提高最高和最低工作电压。若开关的最高工作电压为工作前自击穿电压30 kV的90%以上，则不吹气时重复频率低于50 Hz，吹气时最高能到500 Hz。
用大气压空气下的场畸变火花开关组建一套纳秒脉冲电源，研究了开关不同重复频率（从50 Hz到
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240161
摘要:
雪崩砷化镓光导开关（PCSS）因其超快开关速度、低触发抖动、光电隔离、高功率容量、高重复频率以及器件结构灵活的特点，得到广泛应用。制备封装了电极间隙为5 mm的异面结构GaAs光导开关，对不同偏置电场下（36～76 kV/cm）开关的暗态和开态的电学特性进行了测试分析，结果表明其具有百皮秒～纳秒量级的上升沿、低暗态泄漏电流（0.15～6.61 μA）、高耐压（18～38 kV）的特点。实验探究了开关工作次数与输出电压峰值的关系，结果表明随着工作次数的增大，输出电压幅值呈台阶型降低趋势，在20 kV、2 Hz条件下，开关寿命达4.0×104次。
雪崩砷化镓光导开关（PCSS）因其超快开关速度、低触发抖动、光电隔离、高功率容量、高重复频率以及器件结构灵活的特点，得到广泛应用。制备封装了电极间隙为5 mm的异面结构GaAs光导开关，对不同偏置电场下（36～76 kV/cm）开关的暗态和开态的电学特性进行了测试分析，结果表明其具有百皮秒～纳秒量级的上升沿、低暗态泄漏电流（0.15～6.61 μA）、高耐压（18～38 kV）的特点。实验探究了开关工作次数与输出电压峰值的关系，结果表明随着工作次数的增大，输出电压幅值呈台阶型降低趋势，在20 kV、2 Hz条件下，开关寿命达4.0×104次。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240086
摘要:
当前对于光触发伪火花开关的研究主要集中在使用紫外激光触发，触发物理机制普遍认为是光电发射。然而，当紫外弱聚焦激光在低电场环境中照射光电材料（靶材）时，由光电发射产生的种子电子非常有限。为了进一步揭示紫外弱聚焦激光触发物理机制，利用266 nm紫外弱聚焦激光，搭建了开关测试实验平台和种子电子测试实验平台，研究了激光能量、开关电压、气压、靶材料、触发位置对开关触发特性的影响，分析了种子电子的来源和对触发开关的贡献。研究结果表明，在阴极背面孔边缘触发时，光电发射产生的瞬发电子不是种子电子的主要来源，与烧蚀等离子有关的超快电子才是。因此，当在阴极背面孔边缘触发时，密度和熔沸点低，易烧蚀的材料更适合作为紫外弱聚焦激光触发伪火花开关的靶材。经测试，当在阴极背面孔边缘触发，工作电压为−15 kV，气压为80 Pa（氦气）时，以镁为靶材的开关能实现稳定触发导通的最低激光能量为2 mJ，远低于铜（6 mJ）和钼（8 mJ）。此外，在上述相同条件下，激光在开关阴极孔内壁触发时，触发时延和抖动分别为36.9 ns和1.41 ns，远低于在阴极背面孔边缘触发时的时延和抖动（116.4 ns和5.39 ns）。
当前对于光触发伪火花开关的研究主要集中在使用紫外激光触发，触发物理机制普遍认为是光电发射。然而，当紫外弱聚焦激光在低电场环境中照射光电材料（靶材）时，由光电发射产生的种子电子非常有限。为了进一步揭示紫外弱聚焦激光触发物理机制，利用266 nm紫外弱聚焦激光，搭建了开关测试实验平台和种子电子测试实验平台，研究了激光能量、开关电压、气压、靶材料、触发位置对开关触发特性的影响，分析了种子电子的来源和对触发开关的贡献。研究结果表明，在阴极背面孔边缘触发时，光电发射产生的瞬发电子不是种子电子的主要来源，与烧蚀等离子有关的超快电子才是。因此，当在阴极背面孔边缘触发时，密度和熔沸点低，易烧蚀的材料更适合作为紫外弱聚焦激光触发伪火花开关的靶材。经测试，当在阴极背面孔边缘触发，工作电压为−15 kV，气压为80 Pa（氦气）时，以镁为靶材的开关能实现稳定触发导通的最低激光能量为2 mJ，远低于铜（6 mJ）和钼（8 mJ）。此外，在上述相同条件下，激光在开关阴极孔内壁触发时，触发时延和抖动分别为36.9 ns和1.41 ns，远低于在阴极背面孔边缘触发时的时延和抖动（116.4 ns和5.39 ns）。
, 最新更新时间 , doi: 10.11884/HPLPB202436.240095
摘要:
闪光放疗使用超高剂量率在毫秒时间内将剂量全部注入靶区，其超高剂量率使现有的在线剂量计基本失效，目前通常使用辐射显色胶片来测量剂量。基于中国工程物理研究院应用电子学研究所研制的电子加速器搭建了电子FLASH放疗平台，基于EBT3胶片的快速读出方法，研究了此平台的剂量率范围及剂量分布。实验结果表明，EBT3胶片的快速读出方法可用于电子FLASH放疗的剂量测量，在源皮距100 cm及深度1 cm处剂量率在240～290 Gy/s之间；电子束到达模体表面的平均能量的波动会导致靶区约±5%的剂量波动；面剂量分布满足平坦性在±5%以内和对称性在±3%以内的要求。
闪光放疗使用超高剂量率在毫秒时间内将剂量全部注入靶区，其超高剂量率使现有的在线剂量计基本失效，目前通常使用辐射显色胶片来测量剂量。基于中国工程物理研究院应用电子学研究所研制的电子加速器搭建了电子FLASH放疗平台，基于EBT3胶片的快速读出方法，研究了此平台的剂量率范围及剂量分布。实验结果表明，EBT3胶片的快速读出方法可用于电子FLASH放疗的剂量测量，在源皮距100 cm及深度1 cm处剂量率在240～290 Gy/s之间；电子束到达模体表面的平均能量的波动会导致靶区约±5%的剂量波动；面剂量分布满足平坦性在±5%以内和对称性在±3%以内的要求。
