储能型Marx发生器的串联电感计算
O引言
1923年，德国E．Marx教授发明了以电容器并联充电、串联放电原理实现电压倍增的脉冲高压产生器uj，在高电压技术研究中用于模拟自然界的雷电电压波和电力系统中的操作过电压对电力系统中的绝缘性能进行研究。20世纪60年代，英国原子武器研究中心(AWRE)J．C．Martin所领导的研究小组首先把脉冲功率技术应用于产生高功率电子束和高强度的脉冲X射线。成功地将Marx发生器和Blumlein传输线相结合。产生了脉冲宽度30ns的高功率电压脉冲rz]。脉冲功率技术中应用的Marx发生器与高电压技术中的根本区别在于输出电压波形的要求不同。Marx发生器是脉冲功率装置的初级储能单元。在发生器储能确定的情况下，需要重点解决高电压与低电感之间的矛盾。储能型的Marx发生器不仅要输出高电压，而且要求输出大电流，要求尽垃减小串联电感。国内外典型的脉冲功率装置如：Hermes、PBFA一Ⅱ、“闪光一号”和“闪光二号”等加速器的初级储能单元都采用了储能型低电感Ma—rx发生器旧。7J。尽管采用了各种方法以减小Marx发生器的电感，Marx发生器的输出波形仍然不能直接用于驱动负载．而是要再经过传输线技术进行压缩。目前，采用多路大型脉冲功率装置并联以获得更高脉冲功率的技术路线已经成为世界上脉冲功率技术发展的方向【8。10‘，为减小装置之间的抖动带来的同步问题，以串联电感更小的快速Marx直接驱动负载成为储能型Marx发生器技术的发展方向o“12J。串联输出时的串联电感是储能型Marx发生器的重要标志性参数，它包括：储能电容器电感，气体火花开关与电容间连接部分的电感，气体火花开关火花通道的电感，输出引线和接地引线电感。减小Marx发生器的串联电感除采用等效电感小的部件(如电容器、气体火花开关)外，更重要的是通过电路结构设计，以电路中连线部分的互感抵消电路的自感达到减小电路总体电感的目的。经常采用的串联电路是将多级电容器组成一排，再由多排构成Marx发生器的整体。在排内和排间，各级电容器间连接板和各排间连接板上的电流方向如S形，以电流流向相反的电路间的互感抵消电路本身的自感。有两种电感的计算方法：其一为部件法，即根据构成电路部件分别计算每个部件的自感和相互间的互感，并根据电流的方向相同或者相反，在总自感值上加上该部件问的互感或者从总自感值中扣除该部件的互感构成总电感；其二为传输线法，将电流相反的连线等效成传输线计算。在大型Marx发生器的设计中，对于体积较大的各种部件所构成的巨大结构体，其电路结构非常复杂，如何考虑部件I'日J和电路间的互感或如何将各种结构等效成合适的传输线是一个非常复杂的问题，如果因等效方法不当或者不够准确导致电感计算有失误，将严重影响储能型Marx的输出性能，会造成经费和时间上的巨大浪费。对储能型Marx发生器串联电感的计算需要采用多种可能的方法对计算结果进行旁证、比对、校正，还必须设计适当的实验对计算结果进行验证才能作为Marx发生器的设计依据。电感计算方法和计算结果以及设计能够有效模拟实际结构的验证实验是大型储能型Marx发生器设计的关键技术之一，研究通过验证实验证实的串联电感计算方法对今后大型储能型Marx发生器的设计十分重要，本文对此作了仔细的对比研究。