高功率脈沖變壓器一直是脈沖功率技術(shù)研究的個(gè)重要內(nèi)容，在多年的發(fā)展中產(chǎn)生了多種多樣的脈沖變壓器裝置，以俄羅斯研制的Sinus系列Tesla變壓器為典型。高功率帶繞式空心脈沖變壓器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高功率脈沖調(diào)制器中，西北核技術(shù)研究所、國(guó)防科技大得更寬的脈沖寬度，因此引起了廣泛的關(guān)注，俄羅斯大電流所以及國(guó)內(nèi)的西北核技術(shù)研究所、國(guó)防科大、中國(guó)工程物理研究院等單位對(duì)此進(jìn)行了研究，都取得了一定的成果，但離想要的性能指標(biāo)還有差距，不能同時(shí)滿足低阻抗、長(zhǎng)脈寬、高輸出功率的要求。

　　介紹可以達(dá)到0.9以上，可滿足設(shè)計(jì)要求。

　　1.2初次級(jí)電感選擇變壓器初級(jí)回路的雜散電感約為300nH，為了盡量利用電容器的初始儲(chǔ)能以及在次級(jí)輸出足夠高的電壓，選擇次級(jí)電感為3pH；為了縮短脈沖形成線的充電時(shí)間和提高能量轉(zhuǎn)換效率，脈沖變壓器耦合系數(shù)k必須大于0.85；另外根據(jù)要求，儲(chǔ)能電容充電70kV時(shí)，變壓器次級(jí)輸出電壓峰值需達(dá)到700kV以上。脈沖變壓器回路等效電路及模擬結(jié)果見(jiàn)、2，初級(jí)電感為3pH時(shí)，選擇次級(jí)電感“為400pH，當(dāng)電容器充電70kV時(shí)，變壓器次級(jí)輸出電壓仄第1峰值可達(dá)720kV，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　式（2）、（3）中：/x.為真空磁導(dǎo)率；l為繞組寬度；N為繞組匝數(shù)；為繞組內(nèi)半徑；r2為繞組外半徑。

　　比較終設(shè)計(jì)初級(jí)2.5匝，次級(jí)30匝，比較大外徑480mm，長(zhǎng)度300mm，不帶磁芯耦合系數(shù)為0.75，帶開路磁心耦合系數(shù)約0.88.為了勻化繞組端部的電場(chǎng)分布，在繞組內(nèi)外層兩端分別設(shè)計(jì)了6個(gè)勻場(chǎng)環(huán)，勻場(chǎng)環(huán)的比較外段設(shè)計(jì)為圓弧型，此外因?yàn)榇判静牧暇哂幸欢ǖ碾妼?dǎo)性，使磁芯兩端均超出繞組兩端一定寬度，對(duì)繞組端部電場(chǎng)起到定程度的勻化作用。為變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，為變壓器比較高輸出電壓750kV時(shí)繞組附近的電場(chǎng)分布。由、4可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)勻場(chǎng)設(shè)計(jì)后繞組端部沒(méi)有明顯的電場(chǎng)集中現(xiàn)象，降低了匝間擊穿的可能性。

　　2螺旋型Blumlein形成線設(shè)計(jì)2.1內(nèi)外線阻抗設(shè)計(jì)為了充分利用徑向絕緣尺寸，選擇等場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)，即式（4）、（5）中：E+為內(nèi)筒外表面工作場(chǎng)強(qiáng)，kV/cm；E+為外筒內(nèi)表面工作場(chǎng)強(qiáng)，kV/cm；UB為中筒充電電壓，kV；ri、r2、r3分別為內(nèi)筒、中筒、外筒的半徑，cm.為了得到較好的脈沖波形，要求阻抗匹配為式（6）中：Zsi為螺旋Blumlein脈沖形成線（B-PFL）內(nèi)線阻抗，ft；Zs2為螺旋B-PFL外線阻抗，G；Zd為負(fù)載阻抗，ft.利用螺旋B-PFL與普通B-PFL的阻抗轉(zhuǎn)換關(guān)系，得式（7）、（8）中：Z1為普通B-PFL內(nèi)線阻抗，ft；Z2為普通B-PFL外線阻抗，ft為螺旋B-PFL的螺旋角。

　　為了有效壓縮軸向長(zhǎng)度和控制形成線阻抗，選擇螺旋角，其中屮=60.，即t=0.5ts，筆者將ts設(shè)計(jì)為80ns，對(duì)應(yīng)的普通B-PFL的脈沖寬度t即為40ns.該形成線采用水介質(zhì)，由此可知螺旋Blumlein形成線均勻段的長(zhǎng)度L=（1/60）t=0.67m.外筒內(nèi)半徑根據(jù)實(shí)際需要確定為295mm，已知外線阻抗1.6ft、內(nèi)線阻抗3.4ft，根據(jù)同軸線阻抗計(jì)算公式式（9）中：r.為外筒半徑，cm；r為內(nèi)筒半徑，cm；為絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)?？捎?jì)算中筒、內(nèi)筒半徑分別為230mm、130mm.根據(jù)計(jì)算可知，螺旋線從起點(diǎn)到終點(diǎn)旋轉(zhuǎn)約0.8周，在圓柱筒上開單根螺旋槽將無(wú)法達(dá)到電壓波沿螺旋方向行進(jìn)的效果，因此在圓柱型中筒上均勻分布多根螺旋槽盡量使電壓波沿螺旋方向行進(jìn)，也可理解為多根同規(guī)格螺旋帶圓周上均勻分布、同向并繞兩端并聯(lián)，從而形成螺旋型中筒。

　　2.3形成線安全系數(shù)估算根據(jù)。C.馬丁的擊穿場(chǎng)強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式式（10）、（11）中：尸為正電極擊穿場(chǎng)強(qiáng)，MV/cm；擴(kuò)為負(fù)電極擊穿場(chǎng)強(qiáng)，MV/cm；。為電壓有效作用時(shí)間，指脈沖大于63%峰值的時(shí)間，xs；A-為負(fù)電極電場(chǎng)作用+為正電極電場(chǎng)作用面積，cm2；a為場(chǎng)增強(qiáng)修正因子，1+0.12職腿-￡）-105.根據(jù)同軸線的工作場(chǎng)強(qiáng)公式（4）、（5）以及安全系數(shù)公式k=E/F，可計(jì)算出在不同充電電壓時(shí)，內(nèi)、中、外筒表面的安全系數(shù)，根據(jù)筆者設(shè)計(jì)尺寸，當(dāng)中筒電壓峰值為-700kV、有效作用時(shí)間時(shí)，外筒內(nèi)表面安全系數(shù)為0.84、內(nèi)筒外表面安全系數(shù)為0.85、中筒內(nèi)表面安全系數(shù)為0.22、中筒外表面安全系數(shù)為3功率源整體設(shè)計(jì)結(jié)果脈沖功率源整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)，包括脈沖電容器、主開關(guān)、脈沖變壓器、放電開關(guān)、螺旋形成線，總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約2.3m，直徑約0.6m.為了實(shí)現(xiàn)低阻抗傳輸以及適當(dāng)增加輸出脈沖寬度，采用多根螺旋帶并繞與軸線呈60夾角的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)。該脈沖功率源的等效電路圖見(jiàn)，中Ci為脈沖電容；Li、Ri分別為初級(jí)回路電感和電阻；Si為初級(jí)回路放電開關(guān)，采用外觸發(fā)；C2為次級(jí)繞組電容；S2為脈沖形成線放電開關(guān)，為了便于調(diào)節(jié)自擊穿電壓采用氣體間隙開關(guān)，置于螺旋形成線內(nèi)；R2、L2、C3為開關(guān)電阻、電感和電容；Ti為螺旋Blumlein線的內(nèi)線，內(nèi)筒接負(fù)載；T2為螺旋Blumlein線外線，外殼接地線；L4為內(nèi)筒的接地電感，要求形成線充電時(shí)其感抗盡量小，而放電時(shí)感抗盡量大，筆者根據(jù)形成線充放電頻率和負(fù)載阻抗大小設(shè)計(jì)接地電感為6 xH；L3和C4為功率輸出結(jié)構(gòu)的電感和電容；沁為負(fù)載阻抗。

　　根據(jù)功率源等效電路進(jìn)行仿真計(jì)算，見(jiàn)，初始儲(chǔ)能電容充電70kV時(shí)，脈沖變壓器次級(jí)輸出電壓Ui達(dá)到705kV，而負(fù)載電壓達(dá)到652kV，脈沖前沿28ns，半局寬95ns.采用空心脈沖變壓器對(duì)該脈沖功率源進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)調(diào)試，結(jié)果表明：初級(jí)電容充電50kV時(shí)，變壓器次級(jí)輸出電壓，即形成線的充電電壓峰值達(dá)到約400kV，在約8ft阻抗負(fù)載上輸出電壓UR峰值350kV、半高寬105ns、前沿30ns、電流峰值42.5kA，見(jiàn)。由于脈沖變壓器沒(méi)有磁芯造成螺旋中筒三維效果圖pictureofthemiddleconductorofthePFL耦合系數(shù)和勵(lì)磁電感降低，使得變壓器的升壓能力降低，而螺旋形成線的輸出脈寬與設(shè)計(jì)結(jié)果基本致，只是由于中筒和內(nèi)筒的過(guò)渡段使得實(shí)際形成線電長(zhǎng)度約增加5ns，導(dǎo)致調(diào)試中輸出脈寬增加了10ns. 4結(jié)語(yǔ)設(shè)計(jì)的緊湊型脈沖功率源主要由脈沖電容器、帶繞式脈沖變壓器和螺旋型Blumlein形成線構(gòu)成，由于該脈沖功率源采用脈沖變壓器升壓，并由螺旋B線實(shí)現(xiàn)脈沖整形，整體結(jié)構(gòu)比由MARX發(fā)生器和普通脈沖形成線構(gòu)成的高功率脈沖源緊湊、體積小，整個(gè)裝置長(zhǎng)度小于2.5m、直徑小于0.6m.具體介紹了脈沖變壓器和螺旋形成線的設(shè)計(jì)方法，理論估算該功率源充電70kV時(shí)可在10ft阻抗負(fù)載上輸出脈沖電壓峰值大于650kV、前沿小于30ns、半高寬約95ns.采用空芯脈沖變壓器對(duì)該功率源進(jìn)行了初步調(diào)試，初級(jí)電容充電50kV時(shí)，變壓器次級(jí)輸出電壓峰值達(dá)到400kV，在約8ft阻抗負(fù)載上輸出電壓Ur峰值350kV、半高寬105ns、前沿30ns，由于脈沖變壓器沒(méi)有磁芯造成耦合系數(shù)和勵(lì)磁電感降低，使得變壓器的升壓能力降低，而螺旋形成線的輸出脈寬和前沿與設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致，待磁芯加工完成后，將進(jìn)行下一步的調(diào)試工作。