Blumlein型脉冲调制器电容等参数的模拟与计算研究

　　在电容储能脉冲功率系统中,电容等参数的计算对无论是对Marx发生器型调制器或者是变压器型脉冲调制器的稳定运行以及能量传输效率的提高都有着重要的影响[1-2]。Blumlein型高功率脉冲形成线通常由内筒、中筒、外筒、二极管以及过渡段等部分组成[3],对其相关特征参数的理论计算比较复杂,容易引起计算结果的不准确;而且受到加速器尺寸等参数的限制,对加速器采取直接的电参数测量通常难以实现。本工作采用有限元方法计算加速器的准确参数,针对实验室水介质Blumlein结构的Spark-03加速器[4-5]进行了相关参数的计算。给出了其2维轴对称模型,采用静电场分析方法,计算出加速器内部电场分布,以及加速器的各个组成部分电容的数值;最后将计算结果与理论计算值相比较,并进行了讨论,证明了此方法的准确性。应用此方法,可以对不同类型的电容储能型加速器进行参数的模拟计算。

　　1　电容对调制器影响的分析

　　图1为Marx型调制器的充电过程示意图。其中Cm为Marx发生器电容,CB为Blumlein脉冲形成线电容,Lm回路电感,Rs为回路电阻。

不足阻尼情况下,并忽略漏电阻影响,传输线电压可表示为

　　可以看出,Blumlein线上电压、能量效率都与传输线的电容有关,因此,电容的准确计算非常重要,对于变压器型脉冲调制器也同样。

　　2　变压器型调制器的系统组成

　　本文对电容的计算主要是针对Spark-03调制器,它是一台脉冲变压器型的强流电子加速器,结构如图2所示,主要由电容器、触发开关、空芯变压器、主开关、水介质Blumlein传输线和真空二极管等部分组成。初级能源放电产生的脉冲电压通过带绕式脉冲变压器[6]升压给水介质Blumlein线充电;当电压达到主开关击穿电压时,主开关闭合,传输线给二极管放电,在场发射二极管上产生高电压和强流电子束。

　　3　场强的计算与分析

　　三筒Blumlein脉冲调制器内部的电场强度理论计算公式为

式中:E为半径r处介质的电场场强;r1,r-2,r+2和r3分别为内筒半径、中筒内外半径以及外筒半径;UB为Blumlein线的充电电压。对于Spark-03脉冲调制器,其数值分别为82 mm,185 mm,190 mm,285 mm。

　　根据Spark-03脉冲调制器实际尺寸,用有限元软件,对PFL以及开关内的静电场进行了模拟。在静电场条件下满足的物理方程,电场分布满足方程

式中:ε₀,εr为介质在真空中介电常数和相对介电常数;V为初始充电电压值;q为电荷。

　　假设中筒充电电压为负1 MV,外筒与内筒(通过接地电感接地)为地电位,图3给出了其等势线以及电场强度分布,图4给出了根据式(1)理论计算得到的调制器内电场强度随半径变化的曲线以及根据静电场模拟得到的曲线。