聚龙一号装置波形调节北大核心CSCD

在聚龙一号装置(PTS装置)上开展了系列波形调节实验,成功在负载上输出脉冲上升时间达到600ns、峰值电流大于5.0 MA的电流。聚龙一号装置在同步放电情况(短脉冲模式)下,负载电流的上升时间约90ns,峰值电流约10.0 MA。波形调节通过装置24台激光触发气体开关分时放电、脉冲输出开关短接等技术调整,实现负载上长上升时间的脉冲电流输出。波形调节根据需要实现的电流波形形状,通过全电路模拟计算,调整激光触发气体开关的触发时序和脉冲输出开关状态,在相应负载上输出接近需求的实验波形。聚龙一号装置波形调节实验研究表明,输出电流脉冲的前沿的最大值取决于24台激光触发气体开关最早触发时刻和最晚触发时刻的时间差,该时间差受制于激光触发气体开关的正常触发。激光触发气体开关能否被正常触发,除了取决于进入开关触发间隙的触发激光能量外,还取决于开关充气压力和加载于开关两端的电位差,该电位差与相关两路的渡越时间相关。通过波形调节研究,聚龙一号装置具备在不同实验负载上输出不同上升时间、不同波形形状的脉冲电流的能力。     

“聚龙一号”装置24路模块精确控制技术

介绍了Z箍缩初级实验平台“聚龙一号”装置24路模块的精确控制技术和实验结果, 通过采用24个激光触发开关来控制24路模块的精确导通, 实现了对“聚龙一号”装置输出电流波形的精确控制和调节。24个激光触发开关由12台Nd: YAG四倍频脉冲激光器来触发, 每台激光器分光后触发2路激光开关。实验结果表明: 24路激光之间的抖动小于1.0 ns, 激光开关的抖动小于1.5 ns,“聚龙一号”装置在主Marx充电电压为65 kV时, 当24路模块同步导通时,获得负载电流9.8 MA, 电流前沿上升时间(10%~90%)为75 ns;在24路模块分时放电时,实现了对电流波形的精确调节,电流前沿上升时间(10%~90%)可以拓展到600 ns, 对应的负载电流峰值为5.5 MA,电流波形的模拟值与实验测量结果基本一致,在相同负载和实验条件下,获得的电流波形具有很好的重复性。     

Z箍缩初级实验平台模块样机

 正在研制的Z箍缩实验装置（Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置）,由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。     

1MA直线型变压器驱动源模块设计

介绍了输出电流幅值为1 MA,电流上升时间为100 ns的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)模块的设计。模块由48个子块并联组成,每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发,每路高压脉冲(100 kV/50 ns)触发6个开关。电路模拟显示,在充电90 kV条件下,输出电流幅值为1.04 MA,电流上升时间为84.5 ns(0~100%)和52 ns(10%~90%)。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础,开关的工作条件与已研制成功的100 kA-LTD模块中的开关工作条件近似,模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全,能够保证模块达到设计要求。     

激光触发开关的电参数测量

 为进行PTS装置单路样机激光触发开关的调试,设计安装了相应的电压电流探头。通过对比分析了探头测量结果,解释了开关出口D-dot电压探头波形畸变的原因,并运算得到了正确的波形。B-dot探头得到了与模拟结果符合的电流微分信号和电流信号。实验结果表明： D-dot探头适合MV量级的高电压脉冲测量,但当该探头工作在开关区时,设计中需要对比探头与被测电极以及其它电极的结构电容,只有满足结构电容远大于与其它高压电极的电容时,才能获得较真实的信号。如果结构设计中难以满足该要求,可以采用软件处理方法得到正确的波形。使用B-dot探头输出的电流微分信号可以较为准确地得到开关导通延迟时间,测量误差小于0.7 ns。     

快前沿直线脉冲变压器单级模块开关触发时延分散性实验研究

针对12支路并联的快前沿直线脉冲变压器单级模块,给出了模块的电路结构和关键器件参数,实验获得了12只多间隙气体开关的自击穿特性和触发特性。同时,还给出了快前沿直线脉冲变压器模块输出电流的初步实验结果,工作电压150 kV时,次级短路放电电流幅值为235 kA,电流前沿88.2 ns（10%~90%）。次级带0.58 负载情况下,输出电流幅值114.5 kA,电流前沿88.9 ns（10%~90%）。利用微分环测量了12只开关的触发时延分散性,结果表明100次实验开关触发时延分散性近似符合正态分布,开关触发时延分散性对输出电流的影响不大,电流幅值和前沿的标准偏差分别小于2.0%,4.0%,电流波形的畸变主要以平顶为主。     

40路可扩展高压脉冲触发器

直线变压驱动源(LTD)代表一种新型电路拓扑结构,将储能电容分解为容量很小的单元,能够直接输出快脉冲,而且降低了基本器件所承受的电压和导通的能量,为重频长寿命的大型驱动器研制开辟了道路,因而成为下一代大型Z箍缩聚变能源驱动器的主流技术。LTD的设计思想是一种矛盾转移,将难点从极高电压极高电流的闭合开关转移到大阵列开关的同步触发,因此,触发技术成为研制大型LTD型驱动器的重点。提出了一种可扩展的触发技术,以小型Marx发生器作为初级储能源,利用水介质脉冲形成线作为脉冲形成单元,激光触发气体开关作为输出开关,通过高压电缆匹配输出高压脉冲。给出了输出40路高压脉冲的触发器单元的设计和初步实验结果,Marx充电±60 kV时,触发器单元在75 Ω匹配电阻负载输出电压峰值为106 kV,上升时间约27 ns(10%~90%),半高宽约110 ns。作为输出开关的四个激光触发气体开关在~70%工作系数、激光总能量55 mJ的条件下,导通时间差异小于3 ns。     

基于半导体断路开关的8 MW,10 kHz脉冲发生器

 功率器件半导体断路开关具有高重复频率工作能力。采用高速绝缘栅双极晶体管组件作为初级充电回路的主开关,建立了一台工作频率为10 kHz的脉冲发生器。脉冲发生器采用磁饱和脉冲变压器、磁开关及高压脉冲电容器组等固态器件进行两级脉冲压缩,产生小于100 ns的电流脉冲,对半导体断路开关进行泵浦,半导体断路开关反向截断泵浦电流在负载上产生高压脉冲输出。实验装置在电阻负载上得到了脉冲输出功率约为8.6 MW,脉冲宽度约10 ns,重复频率10 kHz的高压脉冲输出。     

DPF-300脉冲X射线源同步触发系统研制

 DPF-300脉冲X射线源的同步触发系统采用三级触发：第一级由初级脉冲产生器触发氢闸流管；第二级由氢闸流管输出脉冲触发多路触发开关；第三级由多路触发开关和触发箱组成，触发主放电场畸变开关。该触发系统中多路触发开关产生负极性脉冲信号，通过耦合电容，到达开关的触发脉冲上升沿，约为40 ns，脉冲半高宽约60 ns，上升陡度大于0.67 kV/ns。能够同时触发40个同轴型场畸变开关，电压工作范围20～40 kV，不同发次触发箱输出的触发脉冲信号时间分散性小于4 ns，同一发次不同开关的放电时间分散性小于20 ns。在工作电压20 kV，主放电开关充0.115 MPa氮气时，整机负载电流达到约1 MA。     

Z箍缩直线变压器驱动源原型模块设计

介绍了用于Z箍缩驱动器的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)原型模块设计和初步实验结果。该模块采用32个子块并联,每个子块由两台100kV/100nF脉冲电容器和一只200kV多间隙气体开关串联组成。32只开关由4路高压脉冲分别触发。模块直径为2.9m,厚度约27cm。电路模拟结果表明,在±90kV充电电压下,输出电流幅值为1.0MA,电流上升时间(10%~90%)约118.6ns。初步实验结果表明,在约90mΩ近似匹配电阻负载上获得的电流为995kA,上升时间(10%~90%)为120.8ns,脉冲宽度约335.2ns。实验结果与电路模拟结果较为接近。     

用光激开关产生高功率亚纳秒电脉冲的研究

 报道了用全固态绝缘结构研制的横向型半绝缘GaAs光电导开关产生高功率亚纳秒电脉冲的性能和测试结果。8mm电极间隙的开关暗态绝缘强度达30kV。分别用ns, ps和fs激光脉冲触发开关的测试表明,开关输出电磁脉冲无晃动。3mm电极间隙开关的最短电流脉冲上升时间小于200ps,脉宽达亚ns;在偏置电压2000伏,光脉冲宽度8ns、能量1.2mJ的触发条件下,峰值电流达560A。用重复频率为76MHz和10⁸Hz的光脉冲序列触发开关也获得清晰的电流脉冲序列。     

Z箍缩初级实验平台的激光触发系统

介绍了Z箍缩初级实验平台激光触发系统的设计和单路样机验证实验结果.采用12台激光器、24个激光触发主开关来实现24路电流脉冲的精确同步,由Nd:YAG四倍频脉冲激光来触发开关,采用水平分光将一台激光器的激光脉冲等分为两束激光,激光聚焦后分别触发相邻的两路主开关.单路样机验证实验获得的激光脉冲的抖动极差小于等于3 ns.主开关的抖动极差小于等于5 ns,3台激光器之间的抖动极差小于等于3 ns.实验结果表明:在主Marx充电电压小于等于75 kV时,光路管道双隔离气室具有良好的绝缘性和密封性;激光光路系统稳定可靠;能量为100 mJ、脉冲宽度为7 ns的266 nm激光经过分光后,能够满足Z箍缩初级实验平台的设计要求.     

直线变压器驱动源模块输出电流上升时间调节

针对磁驱动等熵压缩实验对加载电流波形的特殊需求,基于改造后的1MA直线变压器驱动源(LTD)原理性模块,开展了输出电流上升时间调节实验研究。48只开关分为4组,由4根高压电缆引入触发脉冲分别触发,共进行了三组不同电缆长度组合的触发放电实验。结果表明:在±32kV充电电压下,输出电流上升时间(0~100%)可由301.2ns增加至436.0ns,相应的输出电流幅度由294.0kA下降至210.2kA。实验还采用光纤探针阵列测试系统同时对其中40只多间隙气体开关的放电发光过程进行了诊断,获得了相应开关的闭合导通起始时间。基于实验参数,利用PSpice电路模型进行了校验,并对早期触发的支路组对后续触发支路组的影响进行了分析。实验初步验证了LTD模块内部子块通过分时放电实现输出波形调节的能力。     

聚龙一号电磁脉冲形成与传输过程的全电路模拟北大核心CSCD

为研究聚龙一号驱动器内部电磁脉冲的形成与传输规律,优化调节其运行状态,获得满足负载设计需求的电流波形,建立了描述驱动器各关键部件充放电过程的全电路数值模拟程序。该程序与负载动力学程序耦合模拟,能够在一定范围内得到与实验结果符合较好的电压和电流波形。在典型的丝阵Z箍缩实验条件下,模拟分析了各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大的过程,驱动器充压65kV时,大约1MJ的电磁能量传输到绝缘堆位置。在典型的磁驱动准等熵压缩实验条件下,模拟分析了激光触发气体开关对驱动器24路模块分时放电的控制过程,模拟的O121发实验负载区电流上升时间（0～100％）为450FIS、峰值约6MA。     

高增益双层组合GaAs光电导开关设计与实验研究

设计制备了一种由双层半绝缘GaAs:EL2晶体组成的新型超快光电导功率开关.由于触发状态下双层GaAs晶体之间满足动态分压关系,使该开关在强电场偏置下触发时,双层GaAs晶体既能先后发生高增益过程,又能相互抑制对方进入锁定状态,开关输出为近似方波的双峰脉冲.因此,这种开关的工作方式既具有非线性模式特有的所需触发光能小、上升速度快等优点,又具有线性模式特有的重复工作频率高、使用寿命长等优点.偏压6500V时用脉宽8ns、能量3mJ的1064nm激光触发,输出电脉冲的上升沿为13.2ns,下降沿为54.6ns 关键词： 光电半导体开关 高增益 锁定效应     

“聚龙一号”装置磁驱动准等熵压缩实验的一维磁流体力学模拟

国内首台多路并联超高功率脉冲装置"聚龙一号"(PTS)已被用于磁驱动准等熵实验研究,其分时分组放电特点为开展材料的动高压可控路径加载研究提供了便利.磁驱动准等熵实验的物理设计和结果分析需要依赖可靠的数值模拟平台.本文介绍了含强度计算的一维磁流体力学程序MADE1D的物理模型和程序特点,讨论了"聚龙一号"装置两种不同电流波形驱动条件下准等熵实验的模拟情况.结果显示,MADE1D程序能够较好地反映电磁力引起的压缩波在样品内部的产生、传播及发展过程,计算获得的"样品/窗口"界面速度同实验测量结果符合较好.分析发现,电流波形是影响加载过程的重要因素.对于目前使用的带状电极,电流上升率不宜超过40 k A/ns,否则可能在厚度1.2 mm以上的铝样品中产生冲击.