气体开关抖动对单模块快脉冲直线型变压器驱动源输出特性的影响

分析了快脉冲直线型变压器驱动源(FLTD)气体开关触发击穿延时的分布规律,利用MAT-LAB软件生成随机序列模拟开关击穿延时和抖动,在FLTD简化二阶电路的基础上,利用MATLAB分析了开关抖动对40个支路并联1 MA,100 ns FLTD模块输出电流脉冲前沿和幅值的影响。模拟计算结果表明:开关理想时,即抖动为0,输出电流峰值为996 kA,峰值时间为90 ns,10%~90%脉冲前沿为54 ns;开关自身抖动与开关之间分散性之和为10 ns时,输出电流脉冲前沿增加约14%,电流峰值下降约2%;开关自身抖动与开关之间分散性之和为20 ns时,输出电流脉冲前沿增加约38%,电流峰值下降约5%。     

100 GW直线变压器驱动源的物理设计与模拟

 基于已有四开关组直线变压器驱动源(LTD)模块设计了对1 Ω负载输出电流100 kA、脉冲上升时间小于60 ns的八开关组LTD模块,该模块采用轮辐式结构,由8个储能电容、气体开关、峰化电容器组并联向中心负载放电。在此基础上,给出了峰值功率100 GW、共10级的LTD装置的物理设计,该装置为同轴感应电压叠加型脉冲发生器。通过电路模拟和PIC模拟,对物理设计进行了检验,结果表明：10级八开关组100 kA LTD模块串联可使10 Ω负载获得超过100 GW的功率输出,脉冲上升时间小于60 ns,所选取的结构和参数能保证电子流的磁绝缘,高压脉冲能有效传输到负载。     

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。     

紧凑型脉冲成形模块的设计与实验研究

采用了人工线、开关和直线变压器结构一体化的设计方法,为重复运行的长脉冲直线变压器驱动源(LTD)装置研制了一种紧凑型低阻抗脉冲成形模块。为优化空间结构、减小分布参数、提高波形质量,脉冲单模块由两条20ΩBlumlein脉冲成形网络(PFN)并联储能,人工线采用相向L型布局,通过一个同轴开关同步放电,分两路向直线变压器初级线圈对称馈入快前沿的高压电脉冲。为了进一步减小线路电感,缩短脉冲前沿,研制了新型的嵌入式激光触发开关。与同轴开关相比,引线长度缩短了一半,脉冲前沿减小了10%。两级LTD模块实验装置在18.5Ω负载上获得了电压240 kV、半宽180 ns的脉冲输出,重复频率可达25 Hz。     

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。     

300 kA直线型变压器驱动源模块实验研究

介绍了14支路并联的300 kA百ns直线型变压器驱动源单级模块的结构和关键部件。模块通过采用双端引出电极电容器以及小型多间隙串联气体火花开关,可以并联更多的支路数,减小回路电感,提高储能密度;通过采用非晶磁芯,减小磁芯损耗,提高模块耦合效率。实验研究了初级气体开关工作系数对模块输出的影响,实验结果表明:模块开关电压工作系数达到0.7,多间隙串联开关才能较好同步放电;给出了快直线型变压器模块的初步调试实验结果,在模块充电90 kV,开关气压0.32 MPa情况下,匹配负载电流峰值可达到302 kA,上升时间约100 ns,负载上获得的峰值功率为23 GW。     

“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。     

MHz重复频率固体调制器实验研究

 能产生短脉冲、快上升沿、快下降沿、大电流、能工作在MHz重复频率的固体调制器是脉冲功率技术的一个重要发展方向。介绍了功率MOSFET器件组成的固体调制器的原理以及实验结果,该调制器由多个固体开关模块组成,每个固体开关模块由6个并联的MOSFET开关组成以增大输出电流。固体开关模块采用感应叠加的方式得到高的输出电压。设计的调制器有很快的上升时间与下降时间,其输出脉冲宽度可调并且可以工作在2.5 MHz的重复频率下。在51 Ω的纯电阻负载下,由9个叠加模块组成的调制器可以输出6.2 kV的脉冲电压,脉冲前沿为20 ns。     

单模块直线变压器脉冲前沿

从理论上对直线变压器驱动源（LTD）输出脉冲波形的前沿进行了分析,研究了不同前沿畸变情况下对应的电路参数,并给出了计算方法,得到了相对电压和相对时间的关系曲线。根据理论分析设计了单模块LTD,并根据设计参数进行了数值模拟,模拟得到的输出脉冲前沿约30 ns、平顶约130 ns、幅值约125 kV。最后进行了单模块LTD实验,测得输出脉冲前沿约35 ns、平顶约130 ns、幅值约125 kV的输出脉冲,与模拟结果基本一致。由于负载不完全匹配等因素的影响,波形后沿较差且有振荡,但仍符合设计要求。     

PTS装置工作模式及波形调节

为了对即将建成的PTS装置的实验能力进行分析,对装置的工作模式及波形调节能力进行了分析。装置具有三种工作模式:短脉冲模式、长脉冲模式和波形调节模式。在不同的工作模式下,装置可以进行不同负载的实验研究。在基本工作模式下,在15 nH负载上输出前沿90 ns、幅值8~10 MA脉冲电流。通过电路模拟,对装置在三种工作模式下预计的负载电流输出进行了分析,短脉冲模式下装置负载电流的上升时间约90 ns,长脉冲模式时约200 ns,波形调节模式时可以达到400 ns。模拟结果表明,通过调节激光触发气体开关的触发方式和脉冲输出开关及装置其他参数,PTS装置可以输出脉冲前沿100~400 ns、波形形状在一定范围可调的强电流脉冲。     

GW级纳秒脉冲源激光触发同步实验

结合GW级纳秒脉冲源建立了实验平台,研究了激光触发开关的延迟时间及其抖动与激光能量、工作电压、激光波长、透镜焦距等参数的关系。结果表明:开关延迟与抖动随激光脉冲能量的上升、工作电压的上升而逐渐减小;采用紫外光得到的开关延迟与抖动小于相同条件下红外光得到的结果;在高气压小间隙开关条件下,采用小的透镜焦距可以得到更小的开关延迟与抖动。开关在自击穿电压220 kV、欠压比为80%、采用7 mJ,266 nm 波长激光时的抖动为0.3 ns,在此条件下进行了两台脉冲源的同步实验,得到其同步偏差85%置信率小于0.3 ns。     

脉冲功率装置的脉冲形成单元研究

 介绍了所研制的脉冲功率装置的组成、脉冲形成单元的设计以及脉冲形成单元实验研究结果。研究了包含脉冲形成线的绝缘设计校验、装置的脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关的抖动的关系。实验结果表明：在3.6 MV脉冲电压作用下，脉冲形成线的前后尼龙隔板未出现表面闪络等绝缘问题，脉冲形成线的绝缘满足设计要求。主同步开关的抖动1.6 ns，脉冲输出开关的抖动小于3.1 ns，脉冲形成单元的整体抖动小于3.0 ns，满足装置同步性能要求。     

4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究

 利用峰值功率可达1 GW的纳秒脉冲源CKP1000开展了4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究。使用trigatron作为触发开关,通过单路开关触发特性实验研究优化了开关的结构与工作参数,单路开关抖动0.2 ns,建立了实验装置,实现了4路GW级纳秒脉冲源并联同步输出。同步实验结果为: 纳秒脉冲源输出电压230 kV,峰值功率1 GW,脉冲宽度6 ns,4路输出脉冲同步偏差95%以上概率分布在1 ns以内,平均同步偏差630 ps。     

固体有机薄膜开关短时延低抖动触发特性

 实验研究了快脉冲触发固体有机薄膜开关的欠压比、触发脉冲幅值、极性效应和间隙距离对触发特性的影响。固体有机薄膜开关具有较快的脉冲前沿，但其触发性能因条件不同而差异很大。对于自击穿电压为10kV的18μm薄膜，在工作电压9kV，触发脉冲上升沿为1ns,脉冲40ns,幅值9kV条件下，测得开关时延为1.1ns， 时延抖动为0.2ns。     

LIA组元的脉冲功率调制系统研制

本文介绍一种以加速组元为终端负载的纳秒脉冲功率系统。获得的加速间隙电压为350kV，90ns(半高宽)，波形上升时间为30ns；Blumlein主开关工作电压大于280kV，抖动小予1.5ns(均方根值)。对同轴场畸变开关性能的进一步改善作了必要的讨论，提出了用等场强原则偏置触发极，比通常采用自然中位面方法，可使开关工作电压提高8．7％。     

光纤探针诊断100 kA-LTD模块开关的同步性

设计了一套用于同轴多间隙气体开关导通起始时间诊断的光纤探针阵列测试系统,其由光纤阵列与多通道快响应光电转换仪两部分组成,系统同步时间小于1 ns。使用该套系统同时对100 kA-LTD模块所有并联支路的10只开关的放电过程进行了测试,获得了开关导通起始时间及模块的输出电流波形。实验结果表明:开关工作欠压比为85%时,时间抖动不超过6.9 ns,负载波形重复一致性较好;开关工作欠压比降至53%时,时间抖动急剧增加至117.7 ns,负载波形重复一致性显著恶化。同时将光纤测试系统获得的各个开关导通起始时间带入PSpice电路模型进行模拟反演,结果表明,模拟结果与实验得到的模块输出电流波形吻合较好,证明了测试系统的准确性。     

同轴场畸变气体开关运行特性

 开关静态工作特性通常会随放电次数的增加而发生某些变化。针对“强光一号”加速器工作初期、工作中后期和不稳定工作期的120只气体开关,在随机抽样的基础上进行静态实验,给出了三个不同阶段直流自击穿电压与气压的关系。根据0.08 MPa下工作中、后期开关连续80次的直流自放电电压,同时利用Gauss和Weibull概率统计模型,分别计算了不同电压下单只开关和系统的自放电概率。结果均表明,对于工作中、后期的开关,当气压为0.19 MPa时,在42 kV运行电压下,加速器上120只气体开关不发生自放电的概率大于90％,与实际运行情况相符,此时开关的动态放电时延为170 ns,抖动小于20 ns。