用于脉冲功率装置调试的高功率电阻分压器型负载

　　脉冲功率技术是应国防科研需要发展起来的一门新兴科学技术,在国防科研、高新技术研究和民用工业等领域有着越来越广泛的应用[1]。新的脉冲功率装置投入使用之前,必须对其进行调试,以便发现问题,修正运行参数。脉冲功率装置以各种类型的二极管为负载[2-4],而二极管负载一般无法重复使用, 调试阶段如果直接采用二极管,需要频繁更换二极管组件,影响调试进度。而且,二极管实验中常伴有X射线产生,必须解决对射线的防护问题,给调试工作带来麻烦,增加了成本。电阻性负载具有阻抗参数稳定、结构简单、可重复使用等优点,并且不会产生X射线,可用于脉冲功率装置的调试。电阻性负载主要包括金属电阻负载和电解质溶液负载两种。前者一般采用电阻丝绕制,由于绕制不均匀等因素,在高功率条件下,容易造成金属电阻的局部烧毁[5]。而电解质溶液负载能够承受很高的功率而不至于损坏,适合于高功率条件下工作,将电解质溶液负载设计为电阻分压器的形式,还可用来监测二极管工作电压。

　　本文介绍了一种用于脉冲功率装置调试的电阻分压器型负载,给出了负载的结构,介绍了其工作原理、设计方法、标定方法及初步的实验结果。

　　1　负载设计

　　负载用NH4Cl溶液配制,阻值45Ω,工作电压约为0.5 MV,设计为电阻分压器形式。阴阳极材料采用不锈钢,外壁为有机玻璃,负载在真空条件下运行,因此必须具有良好的密封性。为避免有机玻璃筒壁发生沿面闪络 [6],在满足真空腔尺寸约束的前提下,连接负载阴阳极的有机玻璃筒要尽可能长,以降低筒表面的平均场强。另外,必须去除负载溶液中的气泡[6],以免高压脉冲作用下负载内部击穿破坏。

　　1.1　二级分压原理

　　电阻分压器型负载依据二级分压原理[7]设计,如图1所示。第一级分压为电解质溶液分压,分压比k1等于长度比,即 k1=l2/(l1+l2),其中:l1为负载高压电极与分压电极相对表面之间的距离;l2为负载低压电极与分压电极相对表面之间的距离。第二级分压为电阻RM(10 kΩ)与电缆(波阻抗50Ω)串联分压,分压比k2=50Ω/(50Ω+10 kΩ)=1/201,总分压比k=k1k2。

　　负载工作电压约为0.5 MV,为使输出电压信号幅度在示波器量程以内且具有较高的信噪比,负载的分压比(输出与输入电压之比)应为10-5~10-4,考虑到真空、高电压环境和真空腔的空间约束,设计有机玻璃筒内径D=63 mm,l1=300 mm,l2=4 mm,计算得到分压比的理论值为k1≈0.013 2,则k=k1k2≈6.55×10-5。

　　1.2　NH4Cl溶液的电导率

　　负载输入脉冲频率很高,约107Hz,由于趋肤效应[8]的影响,电流密度在负载横截面上分布不均匀,负载在高频条件下的工作阻抗与直流阻抗不等,为避免两者产生较大差异,有机玻璃筒内半径(NH4Cl溶液径向尺度)必须小于信号在该溶液中的趋肤深度(电流密度减小到导体表面处1/e≈37%时的深度[9])。