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爆电能源高功率超宽带脉冲发生器研究

作　者: 贺元吉
导　师: 张亚洲
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 工程力学
关键词: 爆炸冲击波 PZT95／5铁电陶瓷超宽带电磁脉冲技术亚ns脉冲脉冲变压器
分类号: TM832
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

高功率超宽带电磁脉冲技术是正在发展中的前沿性研究领域，已在目标识别、目标探测、医学等民用领域得到广泛应用，在超宽带冲击雷达、电子干扰等军事领域有着十分重要的应用潜能。目前，各种超宽带脉冲发生器都离不开地面的直流充电系统，因而使得它在军事领域的应用受到限制，尤其是制约它作为进攻性武器的使用。因此，研制不依赖地面能源、能独立运行的超宽带脉冲发生器具有十分重要的军事意义。人工极化的PZT95／5等铁电陶瓷在冲击波加载下去极化，把极化时储存的极化能以电能的形式释放出来，可以获得一次性的高功率脉冲电能。本文研究的是以 PZT95／5铁电陶瓷为能源的高功率超宽带脉冲发生器。我们首先从理论上分析了 PZT95／5铁电陶瓷冲击去极化的物理过程，引入了介电松弛概念，考虑了冲击波传输的影响，建立了PZT95／5铁电陶瓷在冲击波加载下去极化的机制和数学模型。本模型成功地解释了采用现有其它模型所不能解释的各种负载下的释电规律，尤其是电感负载。我们还利用爆炸冲击波加载技术对PZT95／5铁电陶瓷进行了实验研究，在60μH的电感负载上得到1660A的脉冲电流，在电阻和电容负载上获得 100kV、 2．5～4．0μs宽的脉冲电压。本文还根据已有的实验数据，总结了介质击穿的特性，利用Weibull分布率，用统计的观点分析了铁电陶瓷的击穿场强与体积的关系，成功地解释了铁电陶瓷样品串联冲击去极化时击穿场强降低的实验现象，即铁电陶瓷击穿的尺寸效应，并给出了相应的击穿电场计算的解析表达式。脉冲变压器是脉冲功率技术领域的重要部件。我们用解析分析和数值模拟计算两种方法分析了脉冲变压器在各种负载下的传输特性，重点探讨了在电容负载下，储能电容对变压器传输特性的影响。在众多参数相互影响时情况下，根据超宽带脉冲发生器的实际工作状态，作了合理的近似和简化，设计了原边电感2．578μH、副边电感167．710μH、耦合系数0．7238、直径20cm、长50cm（外壳）、耐压300kV 的紧凑型空心脉冲变压器，并在此变压器上进行了大量的实验，得到了实验与理论分析相一致的结果。脉冲调制器尤其是亚ns开关是形成超宽带电磁脉冲的核心部件。本文对脉冲国防科学技术大学研究生院学位论文功率调制中脉冲锐化理论进行了系统分析，讨论了各种因素如开关参数、电路参数、输入脉冲等对脉冲形成的影响，并得到有实际指导意义的解析表达式。我们还全面系统地围绕提高开关稳定运行能力进行了实验研究。最后，我们设计了以同轴脉冲形成线为基本结构的脉冲调制器。调制器由脉冲形成线、传输线、主开关、亚us开关（PC开关）和匹配负载组成，其中的亚us气体开关能稳定运行于45atm。高压窄脉冲的测量是脉冲功率技术领域里的另一重要课题。本文分析了影响电容分压器响应的因素，探讨了伞式探针的性能，设计了以伞式探针为基本结构的同轴电容分压器，提出了测量不同信号的两种I。《E臂测量回路，并利用实验室的脉冲信号源对分压器的响应性能进行了实验研究。与同类分压器相比，该探针的响应更好。在上述工作的基础上，我们研制了一台以PZT95／5铁电陶瓷冲击去极化为能源的新型紧凑型脉冲发生器。该发生器由PZT9515爆－电能源、空心脉冲变压器、单同轴脉冲形成线、PC开关、同轴匹配负载和脉冲诊断系统组成，能产生 100kV、上升前沿870ps、后沿670ps、脉宽1．4us的超宽带脉冲。该发生器可以脱离地面能源，自成一体运行，据我们所知，这在国内外都还属首次。

全文目录

中文摘要  6-8
英文摘要  8-10
第一章绪论  10-29
  　1．1 超宽带电磁脉冲技术基础  10-12
    　1．1．1 超宽带电磁脉冲技术的基本含义  10
    　1．1．2 超宽带电磁脉冲发生器的关键技术  10-12
  　1．2 超宽带电磁脉冲技术的研究现状  12-19
    　1．2．1 气体开关源  12-15
    　1．2．2 固体开关源  15-18
    　1．2．3 油开关源  18-19
  　1．3 UWB的效应和应用  19-21
    　1．3．1 辐照效应  19-20
    　1．3．2 UWB的应用  20-21
  　1．4 本论文的立题背景和研究内容  21-25
    　1．4．1 立题背景  21-23
    　1．4．2 本论文的研究内容和主要贡献  23-25
  参考文献  25-29
第二章冲击波加载下PZT95／5铁电陶瓷电响应的理论分析  29-52
  　2．1 概述  29-30
  　2．2 轴向模式  30-33
    　2．2．1 电压模式  31-32
    　2．2．2 电流模式  32-33
  　2．3 垂直模式  33-49
    　2．3．1 电介质物理分析法  34-41
    　2．3．2 等效电路法  41-43
    　2．3．3 各种负载下的电响应方程  43-49
    　2．3．4 分析与讨论  49
  　2．4 小结  49-50
  参考文献  50-52
第三章冲击波加载下PZT95/5铁电陶瓷电响应的实验研究  52-69
  3．1 实验装置和实验方法  52-58
    3．1．1 单个平面波发生器起爆技术  52-55
    3．1．2 多个发生器同步起爆技术  55-57
    3．1．3 连线的影响  57-58
  3．2 实验结果与讨论  58-64
    3．2．1 电感及电感电容并联负载  58-61
    3．2．2 电阻负载  61-62
    3．2．3 电容负载  62-64
  3．3 PZT95／5铁电陶瓷中的击穿现象  64-68
    3．3．1 PZT95／5铁电陶瓷击穿的特点  64-65
    3．3．2 PZT95／5铁电陶瓷击穿的统计分析  65-68
  3．4 小结  68
  参考文献  68-69
第四章紧凑型脉冲变压器  69-90
  4．1 脉冲变压器的传输特性  69-77
    4．1．1 脉冲变压器在电阻和电感负载下的传输特性  69-72
    4．1．2 脉冲变压器在电容负载下的传输特性  72-77
  4．2 脉冲变压器中分布电容的影响  77-79
  4．3 紧凑型脉冲变压器的设计  79-82
    4．3．1 设计的依据  79
    4．3．2 变压器的结构  79-82
  4．4 紧凑型脉冲变压器的实验研究  82-88
    4．4．1 脉冲变压器物理参数的测量  82-83
    4．4．2 脉冲变压器的性能实验  83-88
  4．5 小结  88
  参考文献  88-90
第五章脉冲调制电路的理论分析与设计  90-104
  5．1 脉冲调制电路参数对脉冲形成的影响  90-95
    5．1．1 开关参数对形成线发生器中脉冲前沿的影响  91-93
    5．1．2 电感对形成线发生器中脉冲前沿的影响  93
    5．1．3 分布电容对脉冲前沿的影响  93-94
    5．1．4 形成线发生器中脉冲前沿的计算  94-95
  5．2 输入脉冲对开关所形成脉冲前沿的影响  95-97
  5．3 脉冲调制电路的设计  97-101
    5．3．1 脉冲调制电路设计的依据  97-98
    5．3．2 同轴脉冲形成线和传输线  98-99
    5．3．3 P-C（Peaking-Chopping）开关和主开关  99-101
    5．3．4 匹配负载  101
    5．3．5 脉冲诊断系统  101
  5．4 小结  101
  参考文献  101-104
第六章高压窄脉冲的测量  104-121
  6．1 引言  104-105
  6．2 电阻分压器的设计  105-106
  6．3 电容分压器的基本问题  106-110
    6．3．1 电容分压器的分类  106-107
    6．3．2 影响电容分压器响应特性的因素  107-110
  6．4 同轴电容分压器  110-117
    6．4．1 伞式探针的结构  110
    6．4．2 分压器的低压臂回路  110-111
    6．4．3 伞式探针的性能分析  111-115
    6．4．4 同轴电容分压器方波响应的测量  115-117
  6．5 测量超宽带信号的电缆  117-118
  6．6 小结  118-119
  参考文献  119-121
第七章基于PZT95／5铁电陶瓷的超宽带脉冲发生器  121-138
  7．1 脉冲发生器在实验室中的调试  121-131
    7．1．1 线路电感对脉冲形成的影响  121-122
    7．1．2 开关的稳定性  122-124
    7．1．3 装置的调试  124-131
  7．2 基于PZT95／5铁电陶瓷的新型脉冲发生器  131-135
    7．2．1 自击开关在PZT95／5铁电陶瓷下的击穿实验  132-133
    7．2．2 基于PZT95／5铁电陶瓷的ns级高压脉冲发生器  133-135
  7．3 一种更加完善的新型脉冲发生器  135-136
  7．4 小结  136-137
  参考文献  137-138
第八章讨论  138-140
  8．1 主要结论  138-139
  8．2 今后工作的展望  139-140
致谢  140

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