基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

Laser‐induced discharge in a rod–plane electrode in the presence of a negative dc electric field

Discharge induction experiments were performed between a plate and a rod on a plate electrode configuration with a gap length of 1 m using a high‐power CO₂ laser and a dc voltage generator. The electrodes are parallel planes. Each plate electrode consists of a central flat part having a diameter of 3 m with a circular edge on a cross section. The length of the rod is 10 cm. A chain of plasma beads of length 10 cm was created on the tip of the rod by the CO₂ laser and used for artificial triggering of negative high‐voltage sparkover. The behavior of streamer, leader, and return stroke was observed by an image converter camera. It was found that a positive upward traveling leader can be triggered from the tip of the rod on the lower plane to the upper plane by the chain of plasma beads created by the CO₂ laser. This apparatus is useful for study for realization of laser‐induced lightning. © 2000 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 132(4): 19–27, 2000     

Optical guiding of intense laser pulses by fast Z-pinch discharge

We have proposed the optical guiding of intense laser pulses by fast Z-pinch for channel-guided laser wakefield acceleration (LWFA). The method has been developed based on capillary discharge-pumped X-ray laser technique. A discharge through preionized helium gas driven by a current of 4.8 kA with a rise time of 15 ns proved able to produce a uniform guiding channel with good reproducibility, less than the time jitter of 1.8 ns. The observed guiding channel formation process was corroborated by 1D-MHD simulation. With this new guiding method, an intense Ti-sapphire laser pulse (λ = 790 nm, 2.2 TW, 90 fs, 1 × 10¹⁷ W/cm²) was transported through the channel over a distance of 2 cm, corresponding to 12.5 times the Rayleigh length. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 136(3): 19–27, 2001     

超级电容器用于建立强脉冲磁场的可行性研究

为解决爆炸磁流体发电机应用设计中储能高压脉冲电容器存在的一些缺点,提出了一种以超级电容器替代高压脉冲电容器作为储能器件建立强脉冲磁场的设计方案。在给出脉冲放电回路中超级电容器的等效电路模型、超级电容器模块的设计原则和储能系统管理方案后,对超级电容器模块振荡放电和非振荡放电两种类型进行了分析计算。超级电容器模块和高压脉冲电容器模块的放电电流仿真波形和模块参数的对比结果表明,在产生同样大的脉冲电流下,超级电容器模块放电持续时间更长,在体积和重量上有一定的优势,用于建立强脉冲磁场是可行的。     

脉冲等离子体反应器放电特性研究

脉冲放电等离子体被广泛用于气态污染物处理的研究,放电参数直接影响反应器内等离子体状态,进而影响污染物的去除效果,研究不同条件下的放电特性可为脉冲等离子体技术的应用提供参考.本文利用线板式脉冲等离子体反应器, BPFN型高压脉冲电源供电, 研究了电源电容、极板间距及介质阻挡对放电特性的影响.结果表明:增大电源电容可以有效地提高电源能量效率;增大极板间距,峰值电压VP增大,峰值电流IP减小,脉宽减小,波形更加理想;陶瓷板阻挡放电可解决间隙火花放电,使脉冲电晕放电空间分布均匀,在大范围内提高电源能量效率.     

基于磁开关的脉冲陡化电路的设计与仿真

为研制用于等离子体发生器的高压高频脉冲电源,根据磁脉冲压缩网络的理论设计了一套脉冲陡化电路。该电路将峰值5 kV、重复频率5 kHz的电压脉冲陡化,其脉冲上升沿由50μs陡化为几十ns。在分析了电路的工作原理并给出其设计要点后建立了电路的仿真模型。仿真结果表明:电源输出脉冲波形受负载等效参数的影响较大;脉冲陡化效果受磁开关饱和电感以及导通时间的影响较大。     

全球产业链与能源供应链重构背景下我国煤炭行业发展策略研究

我国能源结构决定了煤炭是我国能源安全的“压舱石”,为研究煤炭资源高效利用,论文搭建了板–板电极结构的等离子体辅助煤炭燃烧装置,利用永磁体产生平行于电场方向的磁场,研究了平行磁场对等离子体辅助煤炭燃烧过程中放电功率、质量衰减、温度变化的影响。研究结果表明：磁场介入能有效增强放电脉冲电流的数量和幅值,提高燃烧装置介质阻挡放电的放电功率。磁场通过增强放电电流和放电功率提高了煤炭燃烧过程中温度与质量衰减速度,加快了煤炭燃烧进程。当峰–峰值电压从16 kV增加到20 kV时,磁场对等离子体辅助煤炭燃烧温度提升与质量衰减速度促进效果逐渐增大;当峰–峰值电压达到22 kV时,等离子体辅助煤炭燃烧达到最佳匹配,磁场增强作用存在饱和现象。煤炭燃烧形貌表明磁场介入能在一定程度上促进等离子体辅助煤炭燃烧。

     

基于磁开关的高压高频脉冲陡化电路的设计

根据磁开关技术和磁脉冲压缩的原理,设计了一种高压高频脉冲陡化电路。该电路将峰值5 kV、重复频率5 kHz的电压脉冲进行陡化,使其脉冲上升沿由50μs陡化为40 ns。分析了磁开关陡化脉冲的原理和设计方法,并建立了电路的PSPICE仿真模型,仿真结果表明,磁开关可有效陡化高压高频脉冲。     

激光引雷研究中的若干基础物理问题

激光引雷是一种新概念的防范雷击的技术,其基本原理是利用高强度的激光电离空气而产生一条放电通道,以引导闪电沿安全的路径释放。为促进该技术的应用研究,中国科学家在激光引雷这一领域也开展了多年的研究工作,在激光等离子体通道的产生及其控制,通道寿命的延长以及激光引导放电等基本物理问题上取得了一系列重要的进展。本文介绍了激光引雷技术的基本原理,发展历史和研究现状以及目前面临的科学和技术问题,主要包括如何产生长距离、长寿命的等离子体通道及激光诱导高压放电的基本物理过程。     

基于磁开关的高压纳秒脉冲电源

基于磁脉冲压缩技术设计了一种磁开关,通过初始脉冲波形参数与磁开关参数的配合,将微秒级原始脉冲加以压缩,产生电压幅值为6 kV、上升时间为300 ns的脉冲。分析了单级、多级磁脉冲压缩电路的工作原理,介绍了磁开关的计算设计方法,并建立了电子工作台(Electronic Workbench,简称EWB)电路仿真模型,比较了电路中各元件参数对脉冲输出参数的影响。     

水中放电的光谱测量实验研究

目前用臭氧处理污水、VOCS的应用研究发展很快,而通过对污水施加高压脉冲使之发生放电,产生大量具有高活性的粒子来处理污水的方法是目前处理污水领域新的探索。通过测量放电产生的OH基的放射频谱研究了水中放电处理污水的电化学机理,由于气体的介电常数很小(ε=1),易引起局部放电,有利于增加放电中产生高活性粒子的数目,提高处理效率,实验中采用在水中通以氮气和其它惰性气体等方法。实验发现,OH基的粒子数目随电压的升高和气体流速的增加而增多。当气体流速为0.2~0.5 L/min时,OH基的放射频谱与施加电压的峰值成线性函数关系。     

脉冲电源中磁芯动态参数的测量

为了得到磁开关磁芯在磁压缩电路中的磁参数,仿照不需要附加磁芯复位电路的单级磁脉冲压缩电路,设计并搭建了试验系统,对Mn—Zn铁氧体磁芯进行了测试。分析了测试原理和计算方法,通过测试和运算得到了磁芯的磁滞回线,进而得到了在快脉冲激励情况下该磁芯的饱和磁感应强度,剩磁,矫顽力等参数。     

纳秒和微秒脉冲激励表面介质阻挡放电特性对比

表面介质阻挡放电(DBD)在气体流动控制方面有着巨大的应用前景。利用自制的纳秒和微秒脉冲电源进行表面DBD实验,比较了电压幅值、介质厚度、电极水平间距等对两种激励下表面DBD电特性的影响并进行了分析。实验中两种电源激励的表面介质阻挡放电能量均在mJ量级,上升沿瞬时最大功率达到几十kW。实验结果表明:在脉冲上升沿有多次放电,微秒脉冲上升沿放电次数比纳秒脉冲多;随着电压幅值上升,放电次数减少;介质越薄,放电越激烈,能量越大;电极水平间距对表面DBD放电有影响,间距0 mm时能量消耗最大;施加脉冲电压频率越大,放电等离子体的亮度越大;微秒脉冲放电的等离子体区域要大于纳秒脉冲放电。     

直流激励均匀氩气等离子体羽的脉冲特性

为研究大气压氩气等离子体羽的脉冲放电特性及其放电机理,以氩气为工作气体,在大气压空气环境中,利用直流激励的等离子体喷枪产生了圆锥形均匀的等离子体羽。等离子体羽长度随气流的增大而增大,但几乎不随两电极间维持电压的变化而变化。通过对两电极间维持电压、放电电流、放电发光信号的时间演化图分析,发现尽管维持电压是恒定的,放电电流和放电发光表现为周期性的脉冲。放电脉冲频率随维持电压的增大而增大,且随两电极间距离的增大而减小。对不同位置的发光信号时间演化进行研究,表明这种脉冲等离子体羽与常见的持续模式和子弹模式不同,其放电在不同的空间位置几乎是同时产生的,但是放电的熄灭却沿远离喷嘴的方向依次推迟。     

基于磁脉冲压缩技术的电除尘器供电电源

阐述了脉冲供电电源对比其他种类电源的优点及其应用,提出了基于磁脉冲压缩技术的电除尘用脉冲供电电源,利用磁材料的B-H曲线和伏秒积特性解释了磁开关即可饱和电感的实质及其工作原理,在分析一阶磁压缩网络的基础上,给出了基于二阶磁脉冲压缩供电电源的电除尘器的仿真实例,通过仿真结果证实了磁脉冲压缩理论运用在电除尘领域的可行性。指出减小磁芯体积可有效降低损耗,并推导了构成磁开关的两个重要参数-磁芯体积和电感量的计算公式。     

带外加磁场的微秒级等离子体断路开关

简述了脉冲功率电感储能技术中带外加磁场的微秒级等离子体断路开关 (MPOS)的发展现状 ,对磁场控制POS的工作机理、电极极性效应作了简单的分析。     

用于水中灭藻的高压脉冲电源的研究

等离子体在环境保护方面应用广泛,为给灭藻装置提供高压快速脉冲使其产生等离子体,设计了一台新型结构的脉冲电源。提出了Marx发生器与磁脉冲压缩电路相结合的电路结构,引入了小容量储能电容来控制输出脉冲的能量,基于PSpice软件进行仿真分析来改善电路参数和结构,各开关的动作采用单片机控制。仿真得到峰值7.5kV、上升沿30ns、重复频率100Hz、一个脉冲内能量0.7J的脉冲电压。     

Experiments on a tokamak device with force‐balanced coils

High field is very favorable for magnetically confined fusion devices such as a tokamak, but the electromagnetic force derived from the field becomes a fatal problem. In particular, the largest in‐plane centering force hinders toroidal field coils from operating at higher fields. Although variable‐pitch multihelical coils, which we term force‐balanced coils (FBCs), by which this force is drastically reduced, were proposed for the coil system of tokamaks, there had been no actual tokamak device with FBCs. Therefore, Todoroki‐1, a small tokamak device with FBCs has been manufactured and experiments started. In this paper, the structure of Todoroki‐1 is indicated, and the stray magnetic field and centering force on FBCs are investigated. The plasmas have been generated in the device, and attempts at better plasmas are beginning. © 1999 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 130(3): 19–29, 2000     

两级锥形磁通压缩脉冲电源的理论分析与实验研究

提出了一种新型两级锥形结构的磁通压缩脉冲电源模型,并对其进行了理论分析和实验研究,从而得出了一些重要的关系和有用的结论。为从事脉冲功率技术的研究提供了一种有效的高功率脉冲电源。