同轴磁绝缘传输线支撑问题研究

论文摘要

高功率电流脉冲的传输与汇流是大型高功率脉冲装置重要的研究方向之一。磁绝缘传输线（Magnetically Insulated Transmission Line, MITL）具有电感低、耐受电场强度高、传输能量密度大等特点,因此在高功率脉冲装置中得到广泛的应用。随着脉冲功率装置规模的增大和真空传输距离的增加,MITL电极的定位和支撑成为无法回避的技术问题。电极严重偏离理想位置或支撑设计不当,可能会导致严重的能量损失甚至脉冲传输失效。因此MITL的设计和建造是关系到脉冲功率装置能否最终实现的核心问题。本文针对电极的定位问题,以最为常见的同轴MITL为研究对象,研究同轴MITL内电极偏心和支撑引入对真空功率传输的影响,以此分析MITL电极偏离程度对能量传输效率的影响,并探索在MITL电极间引入支撑结构可能的途径。理论研究方面,以单粒子模型对偏心MITL阴阳极间隙中空间电子运动进行了定性分析,并通过三维粒子程序开展了内电极偏心条件下脉冲传输过程的模拟,获得了电子流随时空演变的物理图像；通过电路方法和粒子程序对螺旋电感支撑下MITL的工作特性进行了模拟,为开展实验装置设计提供了依据。结果表明：一定程度的内电极偏心将会导致整个MITL轻微的能量损失,使用10μH螺旋电感支撑和500Ω电阻支撑的能量损失分别为4%和1%。实验研究方面,以国内第一台快脉冲LTD装置（1MVLTD）为驱动源,开展了一系列MITL内电极偏心和支撑对功率流影响的验证性实验。实验内容主要包括人为使内电极偏心至指定程度、在内外电极之间引入螺旋电感或真空电阻分压器支撑。在以上实验中,建立了一套电参数测试系统,根据MITL特殊的真空电子环境,对脉冲功率常规电参数测量技术（D-dot、B-dot、Rogowski线圈和电阻分压器等）进行了设计优化。实验结果表明：内电极偏心存在轻微电流损失,偏心程度越大损失效果越显著,且内电极偏心将使电流分布均匀性受到很大的影响；电感支撑MITL,阳极电流几乎无损失,有少量阴极电流通过电感损失,但损失程度不大（～3%）；真空电阻分压器支撑MITL,阴阳极电流传输效率分别为99.08%和99.32%。此外,经流阻抗理论公式计算后的MITL电压与真空电阻分压器实测电压一致,验证了本文实验数据的合理性。通过本文的理论分析和实验研究,确定了内电极与外电极保持对心的重要性,验证了电感和电阻两种支撑方式的可行性。在今后应用于较长或者更高电压MITL情况下,电感支撑需考虑多点支撑方式并解决由此带来的电感量减少引起的传输效率降低问题,电阻支撑需考虑高压绝缘和分压问题。本文的研究工作是对下一代大型脉冲功率装置MITL设计问题的探索,同时有助于加深对实际工程条件下MITL真空功率传输特性的理解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 MITL研究背景
• 1.1.2 MITL偏心与支撑问题实验研究现状
• 1.2 论文工作概述
• 1.2.1 选题意义
• 1.2.2 研究目的
• 1.2.3 研究内容
• 1.3 本章小结
• 第二章 MITL偏心和支撑的理论分析
• 2.1 偏心影响理论分析
• 2.1.1 电子运动定性分析
• 2.1.2 偏心粒子模拟
• 2.2 支撑方式分析
• 2.2.1 电感支撑
• 2.2.2 具有分压结构的电阻支撑
• 2.3 本章小结
• 第三章 MITL实验平台和测试系统
• 3.1 基于1MV-LTD搭建MITL实验平台
• 3.2 MITL测试系统
• 3.2.1 测试系统概述
• 3.2.2 电流测试探头设计
• 3.2.3 电压测量探头设计
• 3.2.4 测试系统布局
• 3.3 本章小结
• 第四章 同轴MITL实验
• 4.1 探头标定
• 4.1.1 电压探头标定
• 4.1.2 电流探头标定
• 4.1.3 探头标定小结
• 4.2 内电极偏心实验
• 4.2.1 偏心结构设计
• 4.2.2 偏心实验结果
• 4.2.3 偏心实验总结
• 4.3 电感支撑实验
• 4.3.1 支撑结构设计
• 4.3.2 电感支撑实验结果
• 4.3.3 直筒对比实验
• 4.3.4 电感支撑实验小结
• 4.4 具有分压结构的电阻支撑实验
• 4.4.1 支撑结构设计
• 4.4.2 真空电阻分压器支撑实验结果
• 4.4.3 实验数据合理性验证
• 4.4.4 电阻支撑实验总结
• 4.5 本章小结
• 第五章 论文总结
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 下一步工作计划
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果