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高功率脉冲调制器及相关技术在国防、工业、农业、环保、医学和生物电子学等诸多领域具有重要应用价值。传统高功率脉冲调制器采用气体开关,其寿命短、重复运行频率难以提高;且作为关键部件的脉冲变压器和脉冲功率开关属于独立器件,难以集成紧凑化。可饱和脉冲变压器(saturable pulse transformer,SPT)可实现普通脉冲变压器和高功率磁开关的集成紧凑化,并取代调制器中的气体开关。本论文结合高功率脉冲调制器的应用需求以及高重复频率、集成紧凑化和长使用寿命等发展方向,研制了一台基于新型SPT和螺旋Blumlein脉冲形成线(helical Blumlein pulse forming line,HBPFL)的重复频率高功率脉冲调制器,并对其相关的关键技术和物理问题进行了深入研究。论文主要工作如下:1.螺旋脉冲形成线色散理论及色散特性研究建立了一套螺旋脉冲形成线/传输线的tape-helix色散理论模型,研究了各种复杂条件下螺旋脉冲形成线/传输线的色散特性及相关物理规律:(1)色散主要影响高频传输线和ns级短脉冲形成线的特性,在百ns级脉冲形成线工作的低频段,电磁波基波成分决定形成线整体的色散特性;建立的tape-helix色散理论考虑了HBPFL内、外线之间的电磁耦合效应,能将形成线重要特性参数理论计算相对误差降低到5%以内。(2)提出了一种双层helical tape电流分布模型,据此建立的HBPFL色散理论方法能准确分析各种介质径向不连续性以及有限厚度tape等复杂螺旋结构对HBPFL特性的影响,提供了一种关于多层密绕耦合螺旋线圈的理论分析方法。(3)采用将多股“窄tape”模型变换成单股“宽tape”模型的色散理论方法,分析了多股螺旋带/线均匀并联式HBPFL色散特性,该HBPFL具有更加均匀的螺旋带电流密度分布和表面电场分布,其色散和绝缘特性更加优良。(4)针对填充介质轴向不连续的有限长HBPFL,提出并建立了一套电磁行波色散传输理论模型,研究了色散及介质轴向不连续性对电磁行波在传输线端口透射和反射特性的影响。2.新型SPT的重要科学问题、物理机制及关键技术研究(1)分析了SPT磁芯带材层间的感应电压分布规律,对SPT用铁基纳米晶薄带及其1.5μm厚绝缘涂层在重复频率ns脉冲作用下的绝缘特性和相关物理机制进行了探索,建立了一种等离子体放电通道膨胀应力撕裂效应积累及带电粒子轰击涂层的热烧蚀效应积累模型,解释了重复频率ns电脉冲下空气间隙大面积放电等离子体对带材涂层的破坏增强效应及变压器油中涂层绝缘的物理机制,解决SPT磁芯设计的关键问题。(2)提出并研制了多路绕组分组并联式、同轴互耦式和全同轴自耦式三种新型结构的SPT,将普通SPT次级绕组饱和电感降低了一个数量级,初步实现了几十k V以上高电压脉冲条件下SPT高升压倍数和低饱和电感这一对矛盾的调和,使调制器开关具备高重复频率特性和长寿命运行的巨大潜力;新型SPT可取代气体开关直接作为脉冲电容器或形成线的升压变压器兼放电主开关,实现了百k V级分立脉冲变压器和磁开关的集成紧凑化。(3)提出并建立了一套矩形截面有限长稀疏螺旋线圈的漏磁分布、散磁场分布与耦合近似理论模型,研究了SPT的全套变压器和磁开关特性参数。(4)首次提出并验证了采用饱和SPT初次级绕组间的反向散磁互感压制效应来维持磁芯饱和状态、并将SPT绕组饱和电感降低到其固有饱和结构电感以下水平的关键物理机制。(5)建立了一套关于SPT级联调制单元的电路理论分析方法,对两级SPT级联调制系统中众多耦合的复杂工作过程及关键机制进行了研究,得到了级联调制系统关键特性参数及工作时序。3.新型SPT在集成紧凑化Marx发生器、多路脉冲ns同步中的应用探索(1)首次提出并研制了一台采用SPT取代气体开关的百k V级新型Marx发生器,实现了普通脉冲变压器、磁开关和普通Marx发生器三者的高度集成紧凑化,极大地降低了Marx发生器的输入充电电压(<1 k V),仅3级Marx发生器即可获得100倍以上的升压倍数,为实现高重复频率运行、长寿命的Marx发生器探索了一条新路线。(2)提出并验证了采用新型SPT控制多路高电压脉冲ns级同步形成和同步输出的技术路线,同步时间精度可达ns级。4.基于新型SPT和HBPFL的高功率脉冲调制器研究提出并验证了基于两级SPT级联调制单元驱动HBPFL的高功率脉冲调制器技术路线,采用新型SPT作为调制器的升压变压器兼主开关,研制了一台200 k V级的高功率脉冲调制器,具备集成紧凑化、高重复频率的优势和长使用寿命的潜力。SPT级联调制单元中的磁芯全部采用自动复位技术。在单次充电、单极性脉冲输出模式下,调制器在160?匹配负载上输出幅度为180 k V、半高宽135 ns、前沿时间最短为60 ns的单脉冲;在单次充电、猝发高重复频率双极性脉冲串输出模式下,调制器可输出幅度为百k V级的猝发双极性多脉冲串,脉冲数目2~3个,猝发脉冲重复频率大于33 kpps。