陡化前沿Marx发生器的重频运行研究

　　装置的小型化与重复频率运行是脉冲功率技术发展的两个重要方向,早有权威专家认为发展重复频率运行可能是高功率脉冲技术的第四个重大技术突破口[1]。俄罗斯学者研制的SINUS系列对脉冲功率技术这两方面的发展做出了巨大的贡献[2],然而类似SINUS的系统的造价是比较高的;近些年,随着电容器与开关技术的发展,一类被称为陡化前沿Marx发生器(Wave Erection Marx Generator)的小型脉冲功率系统,鉴于结构紧凑、性能可靠及制作成本低廉等优点,在国外得到了较好的发展[3-5];国内对传统的Marx发生器虽然已经有相当多的研究[6-8],但是对这种陡化前沿的Marx发生器报道却很少。本研究小组关于陡化前沿Marx发生器的初步实验研究[9]以及成功驱动强流场发射二极管的实验研究[10]已经体现出它在装置小型化方面的优势,因为陡化前沿Marx发生器中采用的是气体绝缘,这样就省去了水介质传输线的水处理系统或者油介质传输线的滤油系统,同时由于自身进行储能还可以省去初级储能系统的大电容。如果将陡化前沿Marx发生器发展为重频运行,则可以进一步拓宽其应用前景。本文在前期工作的基础上,将发生器由原来的电阻隔离型改造成为电感隔离型,并利用恒流充电平台进行了重频运行实验。实验结果表明,在不对开关吹气的情况下,当充电30 kV时,该发生器可在8.2 Hz重复频率下稳定运行,电压电流波形在82Ω水电阻负载上的重叠一致性很好,输出电压幅值约为150 kV,电流约为1.8 kA,脉冲前沿为十几ns。

　　1　实验装置

　　1.1　充电系统与触发系统

　　相对于电阻隔离,电感隔离方式可以使Marx发生器的充电时间大大缩短,从而更适合在较高重复频率下运行,此外,电感元件的发热量小,可以使发生器长期连续工作而不会出现元件过热而烧毁的情况,因此,在重频运行实验中有必要用充电电感代替充电电阻作为隔离元件。

　　重复频率充电电源一般有两种形式,即恒压充电方式与恒流充电方式。文献[6-7]采用如图1所示的直流恒压源充电方式,使装置工作于爆发式连续工作模式,取得了较好的效果。其中r0是充电匹配电阻,S是充电火花开关,G1,G2,……,Gn以及Gl是放电火花开关,G1与G2为外部触发开关,L0是隔离电感,最后一级的隔离电感为L0/2,C0是各级储能电容,Rl是负载电阻。然而这种充电方式也存在着不足之处。由于采用脉冲充电方式,充电时将会在G1与G2的触发极和所对应的主电极之间造成局部过电压,因此,为了避免G1与G2误击穿,必须将其间隙调大。这样会在一定程度上使装置的同步性能变差,对于我们的单级触发结构而言,这种充电方式可能会给同步性能带来更严重的影响。基于以上考虑,我们采用了L-C式的恒流充电方式,充电回路如图2所示。与图1对比,图2中没有充电匹配电阻r0和充电火花开关S,而是代之以功耗很小的充电保护电路,这样更加有利于提高充电效率和充电速度。假设充电电流恒定为I0,那么理想情况下的充电时间为Tc=nC0V0/I0,其中n为电容器个数,V0为充电电压。如果以100 mA的电流充电到30 kV,我们的装置只需9 ms就可以完成充电。实验中采用的触发系统与充电系统是相互独立的,其输出电压为几十kV至100 kV可调,工作频率为1~10 Hz可调。