纳秒脉冲压缩装置设计及实验研究

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高功率亚纳秒电磁脉冲因其高功率、短脉冲和宽频谱等特性,在军事、民用等领域具有很多独特的应用潜力,引起了国内外的广泛关注。高功率亚纳秒脉冲的产生,通常是由高压脉冲源先产生一个纳秒量级(几纳秒或几十纳秒)的高压脉冲,再通过亚纳秒快开关陡化前沿并截断后沿,最终形成亚纳秒瞬态电磁脉冲。这种方法能量效率很低。一种有效的方法,是利用一段低阻抗短形成线和亚纳秒快开关,对脉冲源产生的纳秒脉冲进行压缩,可以提高输出功率和能量效率。基于单筒形成线脉冲源的脉冲压缩技术,国际上已有文献报道,但基于Blumlein (双筒形成线)脉冲源的脉冲压缩,尚未见到公开的研究论文。本文选择后者进行研究,具有十分重要的研究意义和实际应用价值。论文分析了Blumlein脉冲源对低阻抗短形成线充电、实现脉冲压缩的基本原理。推导给出了理想情况下,脉冲压缩后的亚纳秒脉冲输出电压、功率增益以及能量效率的计算公式。利用电路仿真软件PSpice建立了脉冲压缩电路模型,通过模拟验证了理论分析。同时还模拟了实际的主脉冲波形及其对输出脉冲的影响。结果表明,低阻抗压缩线充电时间变长、充电电压峰值降低。通过在前级源与压缩线之间增加一定长度传输线,延长反射脉冲到达时间,可以有效提高压缩线充电电压。论文根据气体击穿理论,分析研究了高压气体亚纳秒开关工作特性对脉冲压缩结果的影响。结果表明:开关火花通道电感是影响输出脉冲前后沿、脉宽、输出电压和功率增益的主要因素。研究认为:减小开关间隙、实现开关多通道导通是减小开关电感的有效技术途径,这也是开关设计的关键。针对典型的Blumlein脉冲源——紧凑Tesla型高压脉冲源(CKP-1000),设计了脉冲压缩装置和测量系统,建立了完整的脉冲压缩实验系统,开展了脉冲压缩试验,成功的将4.5ns输入脉冲压缩为前沿940ps、半高宽约1ns的亚纳秒脉冲,实现了2.2倍左右的输出功率增益。实验数据与理论分析基本吻合。
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