夏连胜 戴光森 李远 章林文
中国工程物理研究院流体物理研究所 绵阳 621900
0 引言
脉冲功率系统有着广泛的应用［1］，获得脉冲的技术途径有多种。对ns级脉冲而言，通常用Blumlein线作为脉冲形成装置［2～3］，而对μｓ脉冲，如用Blumlein线，则物理长度长达30m，这在工程应用上难以实现。采用集中参数脉冲形成网络，可获得长的脉冲电压输出。采用Blumlein型网络，可在匹配负载上获得电压等于充电电压的脉冲输出，减轻器件的耐压压力，提高系统负载能力。
1 Blumlein型脉冲形成网络(PFN)设计和模拟
脉冲形成网络结构中相邻级网络单元的电感线圈具有一定的耦合。这种耦合影响输出脉冲的特性，有利于减小脉冲平顶部分的纹波，同时也增加了网络的特征阻抗。
线圈间的互感对网络影响可通过去耦等效电路简化［4］。实验中电感线圈采用异名端接法，相邻线圈间互感为：
其中Lｎ为第n端线圈电感；Lｎ，ｎ＋1为相邻两级线圈总电感。当采用异名端接线时，K取负值。
计算结果表明，实际线圈间的耦合系数很小，但由于在电容支路上的负电感特性，对网络的特性影响比 较大。
将两个参数结构一致的脉冲形成网络按图1结构连接，即为Blumlein结构，在匹配负载上获得和充电电压幅度一样的脉冲输出。
图2(a)为图1参数下的模拟输出；(b)为参数随机偏离5%条件下脉冲输出波形；(c)为电路参数随机偏离10%条件下输出脉冲波形。可以看出，当电路参数偏离标称值5%以内时，参数的偏离对输出脉冲平顶的影响可忽略。
2 实验结果及分析
2.1 实验装置
根据模拟的结果，实验中取8级网络结构，装置结构要满足紧凑和耐压等要求。实验电路见图1，装置中的脉冲电容器选用某厂生产的0.1μF75kV塑壳脉冲电容器。为了获得最大的耦合系数，将漆包线绕在一根直径为φ30mm的开槽尼龙棒上，从中间抽头以获得所需要的电感值，每段电感线圈长度为150mm，等于塑壳电容器两高压极间的距离，电圈匝间距为10mm，由下式计算得线圈电感约为1.226μH。
式中，k为长冈系数［5］；μ为线圈内材料磁导率；N为线圈匝数；l为线圈长度；S为线圈的截面积。
实验中使用的触发开关采用充气火花隙开关，所充气体为SF6和纯氮气的混合气 ，触发开关信号由一台脉冲产生器提供，负载为硫酸铜水电阻。实验中使用的水阻阻值约为18Ω，稍大于网络设计阻抗。
电压测量采用自制两级分压电阻分压器，信号记录用TDS654C示波器。网络直流充电由一台直流高压变压器实现，充电电阻～400kΩ。
2.2 实验结果
脉冲网络产生的脉冲有前冲现象，即吉布斯现象，是富立叶级数的特性。当网络级数少时过冲更显著。为了减小过冲，改善脉冲输出特性，在回路中加低通滤波器，将高频分量滤掉，达到钝化脉冲形成网络结构导致过冲的目的。实验中采用L—R结构的低通滤波器，上截止频率fc＝R／2πL。其中R为放电回路总电阻，包括负载电阻及接线等因素引起的电阻；L为滤波电感。由于L/R存在将导致脉冲前沿的增加，设其产生的脉冲前沿为τ1，网络本身脉冲前沿为τ2，开关脉冲前沿为τ3，则输出的脉冲前沿τ应由下式决定［6］：
对实验中的具体情况，触发火花隙开关电感引起的脉冲前沿约10～30ns；低通滤波器的电感实验中最大<5μH，负载电阻值+杂散电阻>20Ω，因此由滤波引起的脉冲前沿增加值<250ns；而对实验中采用的网络线路本身带来的脉冲前沿～2μｓ,为此：
可以看出：实验中采用的电路参数，由滤波电路及火花隙导致脉冲前沿的增加可以忽略。
图3为充电电压30kV时不同上截止频率的低通滤波器对负载上脉冲过冲及平顶的影响。从图中可看出，不同的滤波电感对脉冲前沿影响不显著，而对脉冲的过冲及脉冲平顶影响显著。当未加低通滤波时，输出的脉冲过冲明显，脉冲平顶也很差,加滤波器后，过冲和平顶明显改善。当滤波电感为4.2μH时，脉冲前沿有所增加，脉冲平顶有较大改善，平顶波动<±0.5%。
Blumlein型脉冲形成网络产生的脉冲是由谐波叠加而成的。模拟结果表明，当集中参数的电感达μH级时，所获得的脉冲前沿达μｓ级。为了获得较好的脉冲输出 ，采用了脉冲前沿的锐化措施。
实验中，脉冲前沿及伏秒数较大，对磁性材料体积要求较大，实际应用中不采用，而火花隙是比较方便实用的锐化措施。锐化采用在放电负载并接另一个回路,在并接回路负载前串接火花隙的方案，即当放电主负载上电压低于火花隙击穿电压时 ，火花隙呈高阻态，并联回路负载上电压为0；当放电电压高于火花隙击穿电压时,火花隙呈导通状态，电压加到负载上，获得较好的脉冲前沿。
当过压开关导通后，由于并接电阻，放电回路负载特性变化，输出脉冲幅度突然降低(见图4)，降低后的幅度为原脉冲幅度的(R+ZB）/(R+2ZB)倍，其中R为两个电阻值(R1=R2＝R），ZB为网络的特征阻抗。当并接较大的R2时，过压开关导通，放电回路的负载特性变化不大，脉冲幅度降低不明显。同样，脉冲的平顶宽度及平顶抖动未发生变化。表明采用火花隙锐化措施，可在某特定的负载上获得一个前沿较陡(100ns以内)、宽度达数μｓ、平顶波动<±1%的电压信号。
图5为脉冲电压波形顶部信号的放大，相应脉冲电压幅度～40kV，平顶波动<±0.5%，脉冲平顶宽度～2.5μｓ。
3 小结
采用脉冲形成网络可获得平顶宽度达数μｓ的脉冲输出，且平顶波动<±1%；采用Blumlein结构低阻抗设计，可在匹配负载上获得输出电压=输入电压脉冲输出，脉冲电流可达数kA，满足特定应用的需求。
参考文献
1 Burns M et al. Status of the dualaxis radiographic hydrodynamics test facility. In proc. of the 18th international LINAC conference, August, 1996
2 Downing J et al. Pulsed power system for the DARHT accelerator. 8th IEEE International puls ed power conference, 1991
3 Shouyun Chang et al. 1.5 MeV induction LINAC. 7th IEEE International pulsed power conferenc e, 1989
4 布达克.电路理论基础及应用.北京：科学出版社，1985
5 马选荣.电子公式简编.北京：人民邮电出版社，1980
6 米夏兹.大功率毫微秒脉冲的产生.北京：原子能出版社，1982
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