纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明:一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6/Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。     

六间隙串联气体开关触发放电过程

针对堆栈式六间隙串联气体开关,建立了6个放电间隙的光信号测量系统,实验获得了不同触发电压和气压时开关统计时延和形成时延的变化规律。统计时延占总时延约42%,形成时延占总时延约58%,触发电极相邻的两个间隙击穿时延占总时延约75%,是开关触发时延的主要组成部分。利用四分幅纳秒高速相机拍摄开关的放电通道图像,初步分析了放电通道的形成和变化过程,得到了不同实验条件下放电通道数量的变化规律。开关最底部间隙可以形成多通道放电,其他间隙以单通道为主。随着触发电压提高,触发间隙的放电通道数量明显增加,但是其他间隙变化不大。在放电过程中,没有观察到放电通道合并或熄灭的现象,间隙击穿后仍然有可能形成新的放电通道。     

多间隙气体开关电感

介绍了一种用于快脉冲直线变压器的低电感多间隙气体开关。专门构造了多种形式的单通道放电实验,测量了在不同形态单通道放电时的开关电感,研究发现:单通道放电时开关电感除了受到角向电流的影响,还与电弧通道引起的放电回路面积变化有关,开关电感理论计算值与单通道放电时的实测结果最接近;开关在自放电和触发时,均形成了多通道放电,电感明显降低,触发时开关电感最小约为49 nH,电极角向电流的影响可以忽略。     

平面火花隙三电极开关研制及性能测试

研制了一种适用于平行板传输连接的平面火花隙三电极开关，开关正负电极为半圆形状，触发电极为细条状。将之替代立体式（半球形电极）火花隙三电极开关并应用于爆炸箔起爆装置中，装置回路参数将得以优化。实验测试了空气间隙为4.12， 3.14和2.2 mm的平面火花隙三电极开关的性能。结果表明，在开关间隙间距一定的情况下，随着电压的升高，开关间隙的放电时延和分散时间呈指数降低，开关电感小于15 nH；对于不同范围内的应用电压，使用不同间隙间距的开关，其分散时间不大于10 ns。该开关应用于较低充电电压（小于10 kV）的脉冲功率装置中，与立体式火花隙三电极开关相比，回路电感降低了约50 nH，放电周期缩短近1/3，峰值电流增加约1/3。     

平面火花隙三电极开关研制及性能测试

 研制了一种适用于平行板传输连接的平面火花隙三电极开关，开关正负电极为半圆形状，触发电极为细条状。将之替代立体式（半球形电极）火花隙三电极开关并应用于爆炸箔起爆装置中，装置回路参数将得以优化。实验测试了空气间隙为4.12， 3.14和2.2 mm的平面火花隙三电极开关的性能。结果表明，在开关间隙间距一定的情况下，随着电压的升高，开关间隙的放电时延和分散时间呈指数降低，开关电感小于15 nH；对于不同范围内的应用电压，使用不同间隙间距的开关，其分散时间不大于10 ns。该开关应用于较低充电电压（小于10 kV）的脉冲功率装置中，与立体式火花隙三电极开关相比，回路电感降低了约50 nH，放电周期缩短近1/3，峰值电流增加约1/3。     

外电路参数对GaAs光导开关导通过程的影响

通过研究不同外电路参数条件下半绝缘GaAs光导开关的输出电流波形的差异,分析了外电路电参数对GaAs光导开关导通过程和工作模式的影响。实验开关由600μm厚的半绝缘GaAs晶片制成,电极间隙为12 mm。使用波长为1 064 nm,5.2 mJ的激光脉冲进行了开关的触发实验。使用皮尔森电流探头测量开关放电电流波形。实验发现储能电容、回路电感等外电路参数对开关放电电流波形存在决定性影响,回路电感影响了导通电流的上升前沿,储能电容对于开关非线性模式的维持起决定作用,储能电容较大时才能够提供非线性模式维持所需的偏置电场。     

自触发紫外预电离开关脉冲击穿时延抖动影响因素及改进方法

研究了一种自触发紫外预电离开关击穿时延抖动特性的影响因素,结果表明:触发间隙电容放电阶段起预电离作用时,预电离注入时刻开关电场是开关时延抖动的决定性因素,提高工作系数和采用逸出功更低的电极材料对降低开关在脉冲峰值附近击穿时的时延抖动效果有限。提出的改进方法为:减小开关均压电阻阻值,显著延长触发间隙的有效燃弧时间,消除预电离注入时间及抖动的影响。采用改进方法时可以使开关在工作电压300～800 kV、前沿100 ns、180 ns的脉冲峰值附近击穿时的时延抖动分别小于1.3 ns、2.8 ns。     

等离子体喷射触发气体开关多通道放电特性

为了能够形成稳定的多通道放电,研制了一种等离子体喷射触发气体开关。在触发电极的内部嵌入多个微型激励腔以形成多通道等离子体喷射,从而在主间隙中诱导多通道放电。研究了触发电路连接方式、触发能量和极性对多通道等离子体喷射的影响,比较了开关在两种工作模式下各间隙放电通道数量随工作系数的变化规律。实验结果表明:采用触发电路II连接方式,触发电极的多通道放电效果更好;高触发能量、负极性和低气压条件有利于形成多通道等离子体喷射;当开关运行在工作模式Ⅱ,且在较高工作系数时,具有更好的多通道放电特性。     

带陡化间隙的触发真空开关触发源研制北大核心CSCD

针对主电极间距20mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关(TVS),研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。     

模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明:此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明:电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。     

Numerical studies of atmospheric pressure glow discharge controlled by a dielectric barrier between two coaxial electrodes

The glow discharge in pure helium at atmospheric pressure, controlled by a dielectric barrier between coaxial electrodes, is investigated based on a one-dimensional self-consistent fluid model. By solving the continuity equations for electrons, ions, and excited atoms, with the current conservation equation and the electric field profile, the time evolution of the discharge current, gas voltage and the surface density of charged particles on the dielectric barrier are calculated. The simulation results show that the peak values of the discharge current, gas voltage and electric field in the first half period are asymmetric to the second half. When the current reaches its positive or negative maximum, the electric field profile, and the electron and ion densities represent similar properties to the typical glow discharge at low pressures. Obviously there exist a cathode fall, a negative glow region, and a positive column. Effects of the barrier position in between the two coaxial electrodes and the discharge gap width on discharge current characteristics are also analysed. The result indicates that, in the case when the dielectric covering the outer electrode only, the gas is punctured earlier during the former half period and later during the latter half period than other cases, also the current peak value is higher, and the difference of pulse width between the two half periods is more obvious. On reducing the gap width, the multiple current pulse discharge happens.     

Triggering of radial multichannel pseudospark switches by a pulsedhollow cathode discharge

We report on a special trigger discharge for pulsed high-power pseudospark switches. The switch used is a radial three-channel pseudospark switch. For triggering, a cylindrical trigger electrode is inserted into the hollow cathode of the main gap. This electrode acts as a hollow cathode for the dc preionization, while the hollow cathode of the main gap is the anode. A negative high-voltage pulse supplied to the trigger electrode ignites the main discharge. We report the temporal evolution of the trigger discharge observed with a fast camera. This trigger method gives an excellent current distribution among the discharge channels, as can be proven by fast photography. The switch has a delay of 220 ns and a jitter of 15 ns     

喷射等离子体触发气体开关导通特性

利用内嵌微孔火花放电产生喷射等离子体、作用于两电极开关,研究了间隙距离、气压、气体种类、开关工作系数和电压极性配合等因素对等离子体喷射控制开关导通特性的影响。实验结果表明,等离子体喷射触发开关可在工作系数为10%的条件下可靠快速导通,当开关采用0.5 MPa_N₂作为绝缘介质、间隙距离5 mm时,触发导通时延为11.7 μs,抖动为1.42 μs;当间隙距离增大到18 mm时,触发导通时延增大至19.7 μs,触发可靠性降低;当工作系数由10%增大到60%时,触发导通时延由11.7 μs降低至1.1 μs。在确保开关自击穿电压一致的前提下,短间隙、高气压、负触发脉冲电压、正工作电压更有利于减小开关触发导通时延。     

实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理

采用稍不平行电极进行大气压He气介质阻挡多脉冲辉光放电实验,通过增强电子耦合器件相机短时曝光照片,研究大气压多脉冲辉光放电在不同时刻的放电模式.通过气隙放电电流、表面电荷计算,理论分析了表面电荷、空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系,研究大气压辉光放电形成多脉冲的机理.实验结果表明,放电首先在间隙稍窄的电极左端开始;在第一个脉冲电流峰值,电极右端也开始放电;第一个电流脉冲经历了Townsend放电到辉光放电的过程;电流脉冲之间的时间内,间隙一直维持着微弱的辉光放电;随后的每个电流脉冲均是辉光放电.理论分析表明,大气压辉光放电的多个电流脉冲是表面电荷、空间电荷与外加电压共同演化的结果;除放电伊始出现Townsend放电外,同一半周期内的放电电流脉冲中不会再出现Townsend放电.     

实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理

采用稍不平行电极进行大气压He气介质阻挡多脉冲辉光放电实验,通过增强电子耦合器件相机短时曝光照片,研究大气压多脉冲辉光放电在不同时刻的放电模式.通过气隙放电电流、表面电荷计算,理论分析了表面电荷、空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系,研究大气压辉光放电形成多脉冲的机理.实验结果表明,放电首先在间隙稍窄的电极左端开始;在第一个脉冲电流峰值,电极右端也开始放电;第一个电流脉冲经历了Townsend放电到辉光放电的过程;电流脉冲之间的时间内,间隙一直维持着微弱的辉光放电;随后的每个电流脉冲均是辉光放电.理论分析表明,大气压辉光放电的多个电流脉冲是表面电荷、空间电荷与外加电压共同演化的结果;除放电伊始出现Townsend放电外,同一半周期内的放电电流脉冲中不会再出现Townsend放电. 关键词： 介质阻挡放电 增强电子耦合器件 大气压辉光放电 多脉冲     

Laser-triggered low timing jitter coaxial Marx generator

A coaxial Marx generator triggered with a UV laser pulse propagating coaxially through multigap switches is constructed. The Marx generator is operated at maximum voltage of 200 kV with a rise time of less than 10 ns. To trigger multigap switches in the Marx generator, the laser pulse is passed through fine metal mesh fitted in the holes formed along the central axis in electrodes of gap switches. Photoelectrons generated from the mesh part of the cathode trigger the discharge and close the switches. Timing jitter of the high voltage pulse with respect to the laser pulse is 800 ps for the case of single gap switch and 1 ns for the Marx generator with two stage gap switches. Since the spark path is always formed from the solid surface of the cathode instead of the metal mesh, the mesh part of the cathode is never damaged for a large number of shots, promising long lifetime of the electrodes     

介质窗横向电磁场分布下的次级电子倍增效应

本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE₁₀模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平. 关键词： 高功率微波 介质表面次级电子倍增 粒子模拟 横向电磁场分布     

大气压脉冲调制射频氩气放电等离子体特性的数值研究

基于等离子体流体理论,建立了大气压脉冲调制射频氩气放电的一维流体模型。通过数值模拟的方 法研究了放电参数(放电电极间距、射频频率)对氩等离子体特性的影响。研究结果表明：当电压固定时,随着电 极间距的增加,等离子体区逐渐增大,最大电子密度也增加,在 0.20cm 达到最大值后略有降低;放电电流密度 与输入功率密度随着电极间距的增加而增加;鞘层区电子温度随着电极间距的增加而降低;在脉冲开启前期,等 离子体区电子温度随着电极间距的增加而增加,但当脉冲开启后期,电极间距对等离子体区电子温度影响较小。 不同射频频率下最大电子密度随电极间隙的增加而减小,也具有一个最优值。