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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。
2 Marx发生器的工作原理2.1 Marx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1 Marx发生器的基本线路C的电容器（总数为n个）通过充电电阻R并联充电到电充电电源把每个电容量为V，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压nV的高压，并在负载上产生一定脉宽波形的高压脉冲。
因为由并联来，建立起电压幅值为充电变成串联放电，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。
2.2 Marx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。
华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名李猛虎考生学号 M201371361 系、年级高电压与绝缘技术2013级类别硕士考试科目脉冲功率技术考试日期 2013年12月15日脉冲功率技术是指把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，然后通过动作时间在毫微秒左右的快速开关将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率，实质上是输出功率对输入功率的放大。
脉冲功率系统中能量的储存方式有许多种，如电容储能，电感储能，脉冲电机储能以及电池储能等。
脉冲功率技术研究的技术指标为：电压1kV~10MV，电子能量0.3~15MeV（电子伏），述流大小1kA~10MA，脉冲宽度0.1~100ns，束流功率0.1~100TW，总能量：1kJ~15MJ。
脉冲功率技术的特征是：高脉冲功率，短脉冲持续时间，高电压，大电流。
脉冲功率技术，是以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压－大电流技术融为一体的新型学科。
脉冲功率技术在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用,而且现在已经越来越多地应用于工业和民用部门,它是高新技术研究的重要技术基础之一,有着极其广泛的发展和应用前景。
脉冲功率的发展历程脉冲放电现象存在于大自然。
人们最早是在20世纪30年代开始研究脉冲功率现象。
1938年，美国人Kingdon和Tanis第一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X 射线；1939年，苏联人制成真空脉冲X射线管，并把闪光X 射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学实验。
采用高压脉冲电容器并联充电、串联放电方式来获得较高电压脉冲。
第二次世界大战期间，企图将脉冲功率技术应用于军事的电磁炮和其他研究再度兴起，也促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。
1947年，英国人A.D.Blumlien以专利的形式，把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线，在纳秒脉冲放电方面取得了突破。
1962年，英国原子能研究中心的J.C.Martin领导的研究小组，将Marx发生器与Blumlien的专利结合起来，建造了世界上第一台强流相对论电子束加速器SOMG（3MV，50kA，30ns），脉冲功率达TW（1012W）量级，开创了高功率脉冲技术的新纪元。
晶闸管marx发生器电路及充放电特性晶闸管Marx发生器是一种高压可调电路，可以提供大量的电能。
它的充放电特性使它特别适合应用于电路调节、电力放大器和工频发电等技术领域。
本文旨在介绍晶闸管Marx发生器的电路特性和充放电特性。
晶闸管Marx发生器的核心电路可以分为三部分：晶闸管 Marx发生器电路、调节控制电路和输出电路。
晶闸管Marx发生器电路包括一组晶闸管，将一组电容（C）连接到一个可调变压器（T）上。
该电路能够将输出电压稳定地放大到一定的倍数，而不会因负载的变化而发生变化。
此外，调节控制电路分别连接到调节算法控制器（R）和变压器（T）上，使输出电压保持稳定，能够根据输出电压大小和负载变化来调整变压器的输出电压。
最后，将输出电路连接到外部电路，当调节算法控制器发出控制信号时，能够提供需要的输出电压。
晶闸管Marx发生器的充放电特性可以从三个方面来详细介绍。
首先是加载特性。
由于晶闸管Marx发生器电路非常稳定，因此可以在短时间内将电容容量内的电量放入负载中。
此外，当负载不断增加时，由于变压器的调整，可以显著提高输出电压的稳定性。
其次，晶闸管Marx发生器的放电特性也非常优秀。
比如，当变压器的输出电压稳定后，由于电容（C）的作用，电容内的电量会慢慢释放，从而维持负载中的电压不变。
最后，在高电压情况下，晶闸管Marx发生器也能够表现出良好的性能。
比如，在100V以上，晶闸管Marx发生器可以提供十分稳定的电压来支持负载。
总之，晶闸管Marx发生器是一种高效而稳定的可调变压器，其加载特性和放电特性都很优秀。
它的充放电特性可以帮助设备提供稳定的电压来支撑负载的日常运行。
因此，晶闸管Marx发生器在技术领域内深受欢迎，并承担着重要的使命。
基于BJT开关和Marx的双极性脉冲发生器许广利;饶俊峰;李孜;姜松【摘要】双极结型晶体管(BJT)的集电极与发射极之间的雪崩击穿具有快导通、快恢复、高稳定性等优点,适合作为小型Marx脉冲功率发生系统自击穿开关.将相同级数的单层Marx发生器和双层Marx发生器进行了对比,得出相同级数的双极性Marx发生器输出电压的峰值更高,更加稳定;在倍压的情况下,将不同输出负载的放电脉冲进行了对比,得出以8个BJT串联作为负载,更可获得10 ns左右脉宽的窄脉冲.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2018(056)001【总页数】4页(P50-53)【关键词】双极结型晶体管;雪崩击穿;Marx发生器;双极性;倍压电路【作者】许广利;饶俊峰;李孜;姜松【作者单位】200093 上海市上海理工大学光电信息与计算机工程学院;200093 上海市上海理工大学光电信息与计算机工程学院;200093 上海市上海理工大学光电信息与计算机工程学院;200093 上海市上海理工大学光电信息与计算机工程学院【正文语种】中文【中图分类】TN7820 引言Marx发生器在MV级高电压、kW级大功率领域应用越来越广泛[1-2]，但小功率Marx发生器方面的研究还很少，成熟的应用也几乎没有。
据相关研究表明，在大气污染物NOx、SOx和生物学细胞处理方面[3-4]，千伏级峰值、纳秒级上升沿和纳秒级脉宽的脉冲具有很良好的效果，所以需要研究一种相应的功率脉冲发生器，以满足环保和医学等领域的应用[5-6]。
近年来，随着半导体技术的发展，半导体开关器件凭借其开关速度快、稳定性高等优点，在脉冲领域逐渐受到青睐[7-8]。
开关是Marx发生器的基本组成元件之一，对其输出脉冲的性能有直接影响。
传统的Marx发生器多使用气体开关，但由于气体开关的击穿电压比较高，因此不适用于较低电压的小型脉冲功率系统。
而当前比较流行的半导体全控型器件如MOSFET、IGBT等由于开通时间较长，因此也不做考虑。
第14卷 第5期强激光与粒子束Vol.14,No.5 2002年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2002 文章编号:100124322(2002)0520775203Marx发生器建立时间及抖动实验研究Ξ杨大为, 王有田, 单玉生(中国原子能科学研究院,北京102413) 摘 要: Marx发生器建立时间及抖动与Marx发生器中球隙开关的工作状态有关,同时与开关的触发电压幅值及极性有关。
通过实验获得了Marx发生器建立时间及抖动最小时最佳工作状态的相关参数。
天光一号电子束加速器从同步机发出指令信号至主Marx输出,总的延时及抖动为(1629±8.4)ns,满足MOPA系统建立时间抖动小于20ns的要求。
关键词: Marx发生器;球隙开关;建立时间;抖动 中图分类号:TM89,TN249 文献标识码:A Marx发生器的建立时间[1,2]是指,外部触发脉冲高压加到Marx发生器的第一级球隙开关触发电极上开始,至最后一级球隙开关导通后有脉冲高压输出为止这段时间。
充气球隙开关的导通大致经过自由电子加速→气体电离→电子按指数增长→“电子崩”后形成流柱(电子离子混合通道)并以108～109cm/s速度,贯穿两电极形成火花放电这样复杂的过程。
电子倍增和流柱运动都需要一定的渡越时间,而由多级球隙开关串联导通的Marx发生器建立时间更长,抖动也更大。
Marx发生器建立时间及抖动与触发电压参数及Marx发生器球隙开关的工作状态有密切关系。
Marx发生器建立时间可从几十ns到几个μs很大范围变化,建立时间的抖动也在几个ns到几百ns之间。
要想使MOPA系统正常工作,必须把主放大器及预放大器的Marx发生器建立时间的抖动控制在20ns范围内,因此必须严格控制Marx发生器的工作状态。
为此必须对Marx发生器建立时间及抖动的因素进行分析和实验研究。
《基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用》一、引言随着科技的发展，电磁脉冲干扰问题越来越严重，特别是在军事、航空、航天、电力等重要领域，电磁脉冲的抗扰问题显得尤为重要。
为了有效应对电磁脉冲的干扰，本文提出了一种基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统设计，并对其应用进行了详细阐述。
二、MARX发生器简介MARX发生器是一种脉冲形成网络，具有高能量、高重复频率和短脉冲宽度等特点。
其工作原理是通过级联的电容器组和触发开关，将低电压的脉冲信号逐步累加，形成高电压、大电流的电磁脉冲。
MARX发生器在电磁脉冲产生和传输方面具有显著优势，是电磁脉冲抗扰系统的关键部件。
三、电磁脉冲抗扰系统设计1. 系统架构基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统主要包括MARX发生器、脉冲传输系统、抗扰装置和控制系统。
其中，MARX发生器负责产生电磁脉冲，脉冲传输系统负责将电磁脉冲传输到抗扰装置，抗扰装置负责对电磁脉冲进行抗扰处理，控制系统则负责整个系统的控制和协调。
2. 工作原理系统工作时，MARX发生器产生电磁脉冲，通过脉冲传输系统传输到抗扰装置。
抗扰装置采用先进的滤波、放大、整形等技术，对电磁脉冲进行抗扰处理，以消除或降低电磁脉冲的干扰。
控制系统则根据实际需求，对系统进行控制和调节，以实现最佳抗扰效果。
四、系统应用1. 军事领域应用在军事领域，电磁脉冲抗扰系统可以用于保护军事设施、武器系统和军事通信等。
通过采用基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统，可以有效地抵御敌方电磁脉冲的干扰，保障军事设施和武器系统的正常运行。
2. 航空、航天领域应用在航空、航天领域，电磁脉冲抗扰系统可以用于保护飞机、卫星等航空器的电子设备。
通过采用基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统，可以有效地防止雷电、静电等电磁脉冲对航空器电子设备的干扰，保障航空器的安全运行。
3. 电力领域应用在电力领域，电磁脉冲抗扰系统可以用于保护电力设备和电力系统。
通过采用基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统，可以有效地抵御电网故障、雷电等产生的电磁脉冲对电力设备和电力系统的干扰，保障电力供应的稳定性和可靠性。
300kJ Marx发生器的结构设计
韩文辉;丰树平;戴英敏;计策;关永超;曹文彬
【期刊名称】《高能量密度物理》
【年(卷),期】2007(000)003
【摘要】对300kJ Marx发生器的线路及总体结构设计、绝缘设计和主要零部件的模块设计进行了介绍。
根据300kJ Marx发生器的主要性能指标要求，采用S型线路为基础的带电阻性触发的混合型线路和层叠式布置方式，完成绝缘计算和主要部件模块化设计。
设计结果为：2．7m×1．3m×2．6m的机芯悬吊在内部尺寸为5m×3m×4．8m的油箱中。
调试实验结果表明，300kJ Marx发生器工作运行达到设计要求。
【总页数】5页(P102-106)
【作者】韩文辉;丰树平;戴英敏;计策;关永超;曹文彬
【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所108室,四川绵阳621900【正文语种】中文
【中图分类】U418.66
【相关文献】
1.300kJ高功率钕激光器的发展 [J], G．A．Kirillov;周稳观
2.激光能量为300kJ时每脉冲获得1017个中子的靶参数测量[J], Бе.,С;До.,В
3.自触发驱动的全固态Marx发生器 [J], 饶俊峰;李恩成;王永刚;姜松;李孜
4.固态Marx发生器均流技术研究 [J], 戴成栋;李孜
5.1.2MV全封闭Marx发生器的绝缘结构设计 [J], 刘锐;曾乃工;王新新
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第22卷第4期强激光与粒子束Vol.22,No.4 2010年4月H IGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Apr.,2010 文章编号: 100124322(2010)0420761204百kJ级储能型Marx发生器建立时间及抖动3姚伟博, 邱爱慈, 张永民, 谢霖燊, 任书庆, 程 亮(西北核技术研究所,西安710024) 摘 要: 针对“闪光二号”百kJ级储能型Marx发生器,设计了研究其建立时间和抖动的实验方案,根据发生器开关击穿模式的不同,分别研究了典型排的建立时间和抖动与Marx发生器建立时间和抖动之间的关系,研究了开关工作系数与Marx发生器及其典型排建立时间的关系。
对Marx发生器建立时间、发生器第一排和第二排建立时间的实验测量表明:Marx发生器第一排建立时间对整个发生器的贡献大于60%,前两排建立时间对整个发生器的贡献大于73%;Marx发生器建立时间抖动主要来源于发生器第一排建立时间抖动,第一排建立时间和抖动则主要来自于气体火花开关的击穿时延抖动。
根据实验结果,分析了影响建立时间抖动的主要因素,提出了减小建立时间抖动的措施。
关键词: Marx发生器; 建立时间; 抖动; 工作系数 中图分类号: TM89 文献标志码: A doi:10.3788/HPL PB20102204.0761 百kJ级储能型Marx发生器作为初级储能单元广泛应用于高功率脉冲装置中,随着国内外脉冲功率技术的发展,将多台脉冲功率装置并联运行组成脉冲功率系统以获取更高的输出功率已成为现实,如美国圣地亚国家实验室的PB FA2Z装置由36台Marx发生器并联组成[122],PI公司的Double Eagle装置由2路并联组成[3], Decade Quad装置将由16路并联组成[4]。
多台装置并联运行时,整个系统的运行质量不仅取决于同步触发技术,更取决于单台装置的运行稳定性,每台装置的初级储能单元的稳定性是该装置运行稳定性最为重要的组成部分。
目前,世界上大多数多路并联系统都采用了Marx发生器作为初级储能单元,其建立时间和抖动是保证并联运行系统运行质量的关键技术。
Marx发生器建立时间和抖动与自放电概率是一对矛盾,减小Marx发生器建立时间和抖动常常伴随运行失败概率的提高。
因此,开展气体火花开关不同工作系数(工作电压与自击穿电压之比)下,单台Marx发生器建立时间和抖动的实验研究,为多路Marx发生器并联运行进行技术研究,对建造大型脉冲功率系统具有重要意义。
1 实验方案 改造后“闪光二号”加速器的Marx发生器是国内典型的百kJ级储能型Marx发生器,它共有36级高压脉冲电容器,18个三电极场畸变气体火花开关(触发极与正电极间隙距离和触发极与负电极间隙距离相等);以每排4级8个电容、4个开关采用S型结构进行连接,Marx发生器共由5排组成,其中第5排只有其它排的一半,图1是其侧视图。
Marx发生器的建立过程是:第一排4个开关由100kV高压脉冲产生器同时外触发导Fig.1 Measurement schematic of Marx generator图1 Marx发生器测量示意图3收稿日期:2009211206; 修订日期:2009212223作者简介:姚伟博(1984—),男,硕士研究生,主要从事脉冲功率技术研究;yaoweibo1984@。
267强激光与粒子束第22卷通,其后各排在第一排建立后的过电压和从第一排引入的触发过电压的共同作用下导通。
图2是发生器前两排的电气连接图,U0为充电电压。
Marx发生器的建立时间和抖动本质上是发生器各级开关的击穿时延和抖动的加权组合,由于发生器中不同级的气体火花开关工作模式不同,不同排和不同级的开关击穿时延和抖动对整体的建立时间和抖动贡献不同。
Fig.2 Measurement schematic of t he Marx generator’s first two rows图2 Marx发生器前两排电气连接图 实验研究的主要内容是开关在不同击穿模式下,Marx发生器建立时间和抖动与典型排建立时间和抖动之间的关系。
实验中,Marx发生器的建立时间T Marx定义为外触发脉冲电压起始时刻到发生器完全串联建立之间的时间;第一排建立时间T1定义为外触发脉冲电压起始时刻与第一排完全串联时刻之间的时间;前两排的建立时间T21定义为外触发脉冲电压起始时刻与前两排完全串联时刻之间的时间;第二排的建立时间T2为前两排建立时间与第一排建立时间之差。
以此类推,实验方案以电阻分压器作为测量探头,在Marx发生器里设置了如图1中所示的2#,3#和5#监测点,结合设置在形成线上监测发生器向形成线充电电压的测量探头,可同时给出一次运行中的T Marx,T1,T21和T2。
由3#和5#监测点可以得到T1,2#和5#监测点得到T21,由T21减去T1就是T2。
由5#监测点和形成线上的测量探头可以得到T Marx。
依据上述实验方案,分别开展工作系数为0.55时,Marx发生器在±50kV和±60kV充电电压下,T Marx与T1,T21和T2之间的关系实验;工作系数分别为0.54,0.69和0.84时,工作系数与T1和T2之间的关系实验。
2 实验结果与分析2.1 Marx发生器建立时间测量结果及分析 Marx发生器充电电压±50kV和±60kV,工作系数0.55,T Marx,T1和T2及各部分建立时间与发生器整体建立时间T Marx的实验结果见图3和图4,统计结果如表1所示,其中,T3,4,5为第三到第五排的建立时间。
表1 T1,T21,T2与T M arx之间的比较T able1 Comp arison bet w een T1,T21,T2and T M arxU0T1/ns T21/ns T2/ns T Marx/ns(T1/T Marx)/%(T21/T Marx)/%(T2/T marx)/%(T3,4,5/T Marx)/%±50/kV464.1561.897.7754.061.674.513.025.5±60/kV422.7521.398.6713.359.373.113.826.9 发生器第一排建立以后,第二排的第一个开关将承受相当于10倍充电电压的过电压,第二排最后一个开关将承受16倍的过电压,在如此高的过电压作用下,第二排开关的击穿时延急剧减小,使第二排建立时间减小到仅占整体建立时间的13.8%。
在其后各排上,各级开关所承受的过电压将逐级升高,各个开关的击穿时延进一步减小,后三排的建立时间小于整体建立时间的27%。
Marx发生器第一排的建立过程是各个开关并联触发,串联建立输出;该排建立时间基本取决于各个开关的触发击穿时延。
在第一排4个开关并联外触发导通过程中,触发脉冲电压先使开关的一个主电极与触发电极的间隙击穿导通,触发电极的电位被钳制到该主电极电位,使触发电极与另一主电极间隙的电压迅速上升到充电电压的两倍。
当开关工作系数为0.5时,第二个间隙的过电压刚好等于自击穿电压,开关击穿导通,此条件下,开关击穿时延极不稳定;当开关工作系数增大时,不仅触发电极与第一个主电极间隙的击穿过程缩短,触发电极与第二个主电极间隙的过电压将大于其自击穿电压,导致开关的击穿过程加速。
随着开关工作系数的增大,开关击穿时延和抖动减小,Marx发生器建立时间和抖动减小[5]。
开关工作系数是影响Marx发生器建立时间和抖动的最大因素,同时,随着工作系数的增大,开关和Marx 发生器的自放电概率也同时增大,工作系数也是影响发生器自放电概率的直接因素。
Fig.3 Distribution schematic of T Marx ,T 2and T 1under ±50kV 图3 ±50kV 下T Marx ,T 2和T 1分布图Fig.4 Distribution schematic of T Marx ,T 2and T 1under ±60kV图4 ±60kV 下T Marx ,T 2和T 1分布图 Fig.5 Relation between T 1and T 2 and operation voltage coefficient 图5 T 1和T 2与工作系数的关系 Marx 发生器在±40kV 充电电压下,其第一排和第二排建立时间与工作系数之间的关系如图5所示,图5是当发生器开关工作系数分别为0.54,0.69和0.84时,T 1和T 2与工作系数的关系。
当开关工作系数为0.54时,单个开关的自击穿概率为1.21×10-8,工作系数0.69时,单个开关的自击穿概率为1.02×10-4,工作系数为0.84时,单个开关的自击穿概率为0.018[6]。
虽然单个开关的自击穿概率与Marx 发生器自放电概率的关系尚待进一步研究,但是,发生器建立时间和抖动与其自放电概率的矛盾十分突出。
同一工作气压下,当开关工作系数增大(工作电压提高)时,第二排及其后各排开关上增大的过电压倍数可忽略,但是,第一排开关两个间隙上增加的过电压倍数相比增大较多。
因此,随着工作系数的提高,第一排建立时间的减小远大于第二排建立时间的减小,如图5所示。
2.2 Marx 发生器建立时间抖动及分析 从图3和图4的数据中统计得出Marx 发生器在该实验条件下T 1,T 21,T 2和T Marx 的抖动见表2。
表2 T 1,T 21,T 2与T m arx 抖动比较表T able 2 Jitter comp arison bet w een T 1,T 21,T 2and T M arxU 0/kV T 1/ns averagejitter T 2/ns average jitter T 3/ns average jitter T 4/nsaverage jitter ±50464.1123.297.79.9561.8121.0754.0125.9±60422.773.998.612.1521.377.7713.374.3 第二排及其后各排的开关,由于其工作在非常高的过电压(且随着过电压倍数逐级递增)下,不仅开关击穿时延急剧减小,开关击穿过程随过电压的增大更趋于一致,击穿时延抖动随着过电压倍数逐级减小。
第二排及其后各排的建立时间抖动最大在10ns 左右,其对发生器建立时间抖动的贡献非常小。
由表2可看到,第一排建立时间T 1的抖动与Marx 发生器建立时间T Marx 的抖动非常接近,说明T Marx 的抖动主要来源于T 1的抖动。
