加速器中的脉冲功率技术课程ppt(第3章)-Marx发生器-层叠线.ppt
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加速器中的脉冲功率技术,邢庆子清华大学工物系加速器实验室Tel:
627880478(o)E-mail:
内容,第二章脉冲功率技术基础34学时电容储能电感储能传输线理论PSpice软件使用介绍1学时第三章高压脉冲形成系统34学时Marx发生器脉冲形成线理论Blumlein传输线,3.1概述,3.2Marx发生器,3.2.2级联Marx发生器,3.2.3快Marx发生器(FastMarxgenerator),3.2.4PFNMarx发生器,3.3.1同轴线脉冲发生器,3.3.2直流充电型层叠线倍压器,3.3.3脉冲馈入的层叠线发生器(Pulsefedstackedlinegenerator,也称传输线变压器),3.2.1概述,3.3层叠线发生器,第三章高压脉冲形成系统,3.2.5同轴线PFNMarx发生器,第三章高压脉冲形成系统,3.1概述,粒子加速器中的高压系统,绝缘材料的选择雪崩效应(Avalancheeffect):
可获得的最大电压MV,Cockcroft-Walton高压倍加器,1930sCockcroftandWalton(级联整流电路),变压器提供的电压:
可获得的最大电压:
实际上:
I:
二极管漏电流,一般可获得MV量级的电压脉冲,脉宽几个s。
美国Fermi实验室的Cockcroft-Walton高压发生器,英国剑桥大学Rutherford实验室的第一台Cockcroft-Walton高压发生器,倍压加速器原理图,3.2Marx发生器,工作原理:
电容器并联充电,串联放电多个电容器:
Marx发生器的级数开关放电同步的好坏,直接决定了发生器同步性能的好坏脉冲能量范围:
几Joules几十kJ多个Marx发生器可进行级联,为加速粒子提供高压脉冲,3.2.1概述,Marx发生器脉冲充电装置示意图,使用同轴传输线的电子加速器原理示意图,使用同轴传输线的电子加速器:
Non-InvertingMarx,InvertingMarx,两种基本形式:
1)Non-Invertinggenerator2)Invertinggenerator,电压上升时间:
电压下降时间:
C1:
储能电容;C2:
负载电容R1:
wavefrontresistorR2:
tailbitingresistor,不考虑电感,等效电路为:
一个例子:
C1=10nfC2=1nfR1=500ohmsR2=10kohms充电电压:
10kV,由火花间隙开关实现并联充电转变为串联放电输出电压:
电压脉冲上升时间很短,一般1s。
级数:
4100,一般使用2050级,视充电电压、火花开关参数、电容器工作电压而定。
开关触发顺序:
从第一个火花开关开始,3.2.2级联Marx发生器,所有开关均闭合后的电路如图示。
总电容:
总电阻:
开关闭合后:
考虑电感后,Marx发生器的等效电路为:
为减小脉冲上升时间的改进电路:
Cp锐化电容器(Peakingcapacitor),3.2.3快Marx发生器(FastMarxgenerator),RL:
负载电阻;CL:
负载电容CS:
电路串联电容Ls:
电路串联电感R1:
电路串联电阻,使用锐化电容器(Peakingcapacitor),增大输出脉冲电压和电流的幅值,并减小上升沿时间。
闭合开关S2,则电容Cm和Cp将向负载Zl放电,开始输出脉冲。
由于时间常数CpZl小,负载上电压脉冲的上升时间快。
S1和S2闭合的顺序:
S1闭合后,Cp充电到最高电压后S2闭合。
CpCm,例:
Cm=6nf,Rm=2.5,Lm=2H,Rsh=800,Cp=1.2nf,Rp=1.6,Cs=30pf,Ls=200nH,Zl=50。
则,若没有锐化电容器(peakingcapacitor),则R=Rm+ZlandC=CmandL=Lm+Ls,脉冲上升时间为:
加入锐化电容器后,脉冲上升时间为:
电容充电电压50kV,无锐化电容器(peakingcapacitor),电容充电电压50kV,有锐化电容器(peakingcapacitor)。
脉冲上升时间仅为10ns。
S1和S2闭合时间分开后的模拟结果,MainswitchcurrentFromS1,PeakingCapacitorcurrentFromS2,3.2.4PFNMarx发生器,传统的Marx发生器(产生双指数变化的脉冲),电压上升沿:
电压下降沿:
PFNMarx发生器与传统Marx发生器产生脉冲的比较,PFNMarx发生器的优点:
1)输出方波,脉宽稳定;(传统的Marx发生器输出脉宽随负载电阻变化而改变;2)输出阻抗与频率无关:
容易进行负载阻抗匹配;3)PFN储能与负载得到的能量接近相等;4)由输出电压和时间的关系,可提出明确的绝缘要求。
PFNMarx发生器,PFNMarx发生器:
共有n路PFN,每路PFN单元数为m。
缺点:
1)组成元件多;2)可靠性降低;3)建造难度较大,成本高;4)脉宽不能改变。
传统的PFNMarx发生器,每路PFN单元数相同、参数相同,阻抗:
PFNMarx发生器输出阻抗:
每路充电电压:
VCH,则输出电压:
FWHM脉宽:
最大输出电流:
PFNMarx发生器,传统的Marx发生器的问题:
1)脉冲上升时间(自感大,上升时间100ns)2)负载阻抗的匹配3)能量转换效率,3.2.5同轴线PFNMarx发生器,使用集总元件的PFNMarx发生器,集总元件的PFNMarx发生器的缺点:
1)系统体积大2)可靠性低3)运行成本高,解决上述问题的办法:
使用高压同轴电缆来建造PFNMarx发生器:
建造简单,结构紧凑,运行成本低,可靠性高。
适用于产生低、中能的脉冲,如10100J;重复频率工作:
200Hz,受开关恢复时间及电源重复充电能力的限制。
40kV/div25ns/div,CablePFNMarxgenerator输出脉冲的形状,开关的触发一般在第一个火花开关使用电信号触发,其它开关依次触发。
也可以充入干燥空气,待各级PFN充电完成后释放空气进行触发。
CablePFNMarxgenerator输出脉冲上升时间与充电电压的关系曲线,CablePFNMarxgenerator输出脉冲建立时间与充电电压的关系曲线,CablePFNMarxgenerator输出脉冲建立时间的抖动与充电电压的关系,Marx发生器的脉冲建立时间(Erectiontime)和上升时间(Risetime),使用同轴线的PFNMarx,还是集总元件的PFNMarx,均是并联充电(到电源电压),然后开关几乎同时导通,进行串联放电。
脉冲建立时间的定义:
开关导通,并进行串联放电所需的时间。
脉冲上升时间的定义:
负载电压10%90%,与Marx发生器输出电感、与负载相连的电缆的电容和电感有关。
重复频率的脉冲形成线(RepetitivePulseFormingLine),电源阻抗与传输线阻抗匹配,为Z0。
电源产生阶越电压信号,经时间1/2后,阶越电压信号到达B点,反射系数为:
脉冲电压到达B点后,反射回A点的电压波为V/2,沿BD和BC的透射电压均为V/2。
但由于A点和D点阻抗匹配,到达A点的反射电压和D点的透射电压均被负载吸收。
到达C点的透射电压由于终端短路,反射系数为-1,则将有V/2的电压波沿CB传播。
沿CB传播的V/2的电压波到达B点后,B点阻抗是匹配的,V/2的电压波将透射并分别向A点和D点传播。
若并联传输线数为n,则产生脉冲的周期数为:
N=2n-2输出电压的幅值为(假定进入第一段传输线的电压幅值为1):
输出脉冲的宽度为:
基频为:
改进以上电路,重频工作:
短路,开路,3.3.1同轴线脉冲发生器,同轴线中波传播速度:
50标准同轴线中波速:
绝缘介质相对介电常数:
50标准同轴线产生脉冲宽度:
3.3层叠线脉冲发生器,常用有50和75的标准同轴线。
同轴线可直流充电的电压范围:
几kV100kV20kVURM4340kVURM67100kVRG218通过串、并联可以改变输入、输出阻抗。
同轴线的输出脉冲形状受以下因素的影响:
开关损耗同轴线长度同轴线布线方法负载阻抗(匹配还是失配)负载类型(电容、电感、电阻)负载时变特性,常用绝缘介质:
交联聚乙烯(Cross-linkedpolyethylene)聚烯烃Polyolefin(阻燃材料)聚四氟乙烯PTFE(微波电缆),3.3.2直流充电型层叠线倍压器,火花开关触发前:
所有同轴线的外导体电势相同,均为0。
因此输出电压为0。
火花开关触发后:
高压同轴线阻抗=50输入阻抗=16.7系统输出阻抗=300输出电压=6xVCH脉冲宽度等于2倍的传输线单程传输时间。
PSpice模拟结果(传输线延迟时间500ns),3.3.3脉冲馈入的层叠线发生器(Pulsefedstackedlinegenerator,也称传输线变压器),用于将输入脉冲传输给负载。
上升沿快,长脉冲运行中电压幅度下降小。
发生器输入阻抗:
输出阻抗:
可理解为升压变压器(Pulsestep-uptransformer),也称作传输线变压器(TransmissionLineTransformer)。
负载匹配时的升压倍数:
传输线数目N。
负载电压:
输出匹配情况:
负载阻抗:
负载电压:
输入脉冲电压源(可使用脉冲形成线)的阻抗同时需要与发生器的输入阻抗匹配。
一个例子,TLTstacked5-Linegenerator(负载匹配)PSpice模拟结果(传输线延迟时间500ns,阻抗50),TLTstacked5-Linegenerator(负载开路)PSpice模拟结果(传输线延迟时间500ns,阻抗50),负载开路,长脉冲运行PSpice模拟结果(传输线延迟时间500ns,阻抗50),习题3,在下面电路的基础上,设计一简单的Marx发生器,以产生脉宽为50s,电压为200kV的脉冲。
火花开关允许的最大电流为2A。
1)按照设计要求求出:
a.每级的电阻R的值;b.每级的电容C的值;c.充电电压V;d.匹配负载的阻抗。
2)画出开关导通后Marx发生器的等效电路。
3)画出负载上得到的电压脉冲形状。
讨论:
2.4.5集总参数的传输线脉冲形成网络(PFN),调制器或脉冲发生器中可以使用PFN。
电容器充电至V,然后通过高压开关对负载放电。
若负载匹配,则负载电压脉冲幅值为V/2。
PFN特征阻抗为:
PFN产生脉冲宽度为:
(可根据同轴传输线脉宽公式推出,注意同轴线公式中C、L为单位长度电容和电感,而上式中为电容和电感值),PSpice模拟:
注意正确设置开关的参数:
过渡时间(TTRAN):
一般设置较短的时间,如0.01ps。
闭合电阻(RCLOSED):
应设置比电路中电阻小得多的电阻。
默认值0.01。
开路电阻(ROPEN):
应设置比电路中电阻大得多的电阻。
默认值1MEG。
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