小型MARX发生器

基于电路元件的Marx发生器*冯婷1王战亮1吴浩1刘东平2（1电子科技大学物理电子学院四川成都610054）（2成都波辐科技有限公司四川成都610000）摘要：文章讨论了Marx发生器的工作原理，对其充放电过程进行了分析，设计了一台应用于教学和学生实验的30KV的Marx发生器，完成了加工和装配，开展了放电实验，实验表明本文设计的Marx发生器教学仪器可用于教学和实验。关键词：Marx生器、脉冲功率技术1引言高功率脉冲技术是由于国防科研需要而开始发展起来的一门新兴科学技术，闪光照相、强流加速器、高功率微波等都是基于该技术发展起来的，它的初始储能机制可分为Marx发生器、电容组器、单极发电机、超导储能等形式。Marx发生器由于其在很短的时间内，能够输出兆焦耳能量级的巨大能量，输出电压几兆伏到几十兆伏，而成为当代脉冲功率系统中比较理想的储能器。本文将对于制作的经典Marx发生器模型来讨论理解Marx发生器的工作原理以及充放电过程。2Marx发生器的工作原理2.1Marx发生器的基本线路原理Marx发生器线路的工作原理可概括为“电容并联充电、串联放电”，从而使电压倍加而获得更高的脉冲电压输出。它的基本工作原理图如图1：图1Marx发生器的基本线路充电电源把每个电容量为0C的电容器（总数为n个）通过充电电阻R并联充电到电压0V，而后使得所有的开关S（常用充气火花间隙开关）接通，这些电容器就会全部串联起来，建立起电压幅值为0nV的高压，并在负载上产生一定脉宽波形的高压脉冲。因为由并联充电变成串联放电，是靠火花间隙开关来实现的，所以开关放电同步的好坏，就直接决定了发生器同步性能的好坏。电阻R在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。2.2Marx发生器的充电过程分析虽然Marx发生器充电回路的形式有许多种，如单边充电回路，双边充电回路，倍压充电回路，多路并联充电回路，均匀充电和非均匀充电等等。目的都是为了提高充电效率，但基本的充电回路如图2所示：*基金项目:重点实验室基金资助（9140c05010212c05016）作者简介：冯婷（1991-），女电子科技大学物理电子学院真空技术专业2010级本科生。2图2基本充电回路把Marx发生器充电回路看成人工线来分析，可以把充电电阻移到一边，如图3所示。设充电直流电压0V加在首端，图3人工线令lnCClnRRll,，n为级数，R为每级充电电阻，C为每级充电电容，l为人工线长度（即充电回路长度）。列出人工线上电路方程：tVCxIIRxV11（1）初始条件：0,0,0VIt边界条件：0,VVlx0,0Ix进行拉式变换带入边界条件，然后再进行逆拉氏变换得到：14100TtxeVV（2）式中CnRRCnTn214221电容是通过保护电阻来充电的，所以lVrIVxcosh000（3）式中rI0为保护电阻上的压降；lVxcosh0代表第一个电容器上的实际充电电压。因而，可以近似得到充电时间常数：3rnCRCnT2214（4）n为发生器级数。2.3Marx发生器的放电过程分析Marx电压放电时简化的五元件电路图如图4：图4Marx发生器五元件电路图原理图列出方程经整理后为022cccVdtdVbdtVda（5）式中pffspsLmRRRRRRCCa，pfLpsmRRCRRCb初始条件0,0cVt，aCRVdtdVmpmc（6）求解电路方程得到输出电压为一双指数波形tptppmmceeppppRCVtV212121（7）由0dttdVc可求出tVc达到最大值及其达到最大值时的时间为mtptppmmcmmeeppppRCVV212121max（8）2121lnpppptm（9）3Marx发生器总体结构设计30KV基于固态元件的Marx发生器主要由3部分组成：高压电源、真空高压继电器和Marx线路。总体电路图如图5所示：RfRsCmmmCLRpVmmmVcCL4图5Marx发生器总体电路高压电源模块作为Marx发生器的直流充电电源，完成了由市场交流电向直流电压的转换过程。Marx发生器模块是由15个耐压电阻，8个高压电容器和7个火花间隙开关（用螺钉充当）组成的8级脉冲形成的Z型网络，完成储能及脉冲形成过程。真空高压继电器则完成对Marx发生器线路的充电控制过程。Marx发生器的实物图如图6：图6Marx发生器俯视图4Marx发生器测试数据及结果分析4.1测试数据Marx发生器每级充电电压的显示值及实测值如表1：表1Marx发生器每级充电电压的显示值与实测值显示值（Kv）0.882.803.773.924.054.164.28实测值（Kv）无无3.163.303.523.523.66由实验结果可得出结论，该Marx发生器能在高于3Kv范围内触发放电，当电压低于低压限值时，由于火花间隙开关不能被击穿而难以触发。4.2每级电压实测值波形图5图7充电电压4.28Kv时实测的波形图5结束语通过对经典Marx发生器的设计制作，我们从中深入理解了Marx发生器的工作原理，及其充电放电过程，并为它工作时呈现的效果所惊叹，真真切切感受到了科学的魅力，无不为前人的聪明智慧所折服。参考文献[1]刘锡三,高功率脉冲技术，Marx发生器，北京：国防工业出版社，2005[2]张华，Marx发生器充电电源研究，湖北：华中科技大学，2007.SolidstatecircuitMarxgeneratorforteachingexperimentFengting1Wuhao1Wangzhanliang1Liudongping2(1Schoolofphysicalelectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaChengdu610054)(2ChengduamplitudetechnologycompanyChengdu610000)Abstract：DiscusstheworkingprincipleoftheMarxgeneratorandanalyzeitschargeanddischargeprocess,designa30KvMarxgeneratorforteachingandstudents’experiments,completeitsprocessingandassemblingworkandfinallycarryonthedischargeexperiment.theexperimentshowedthatthisMarxgeneratorcanreallybeusedforteachingexperiment.Keywords：Marxgeneratorpulsedpowertechnology