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。