同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

 设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

PTS装置脉冲输出开关

出于开关性能参数和结构要求考虑,PTS装置脉冲输出开关设计为3对自击穿电极间隙的水介质开关,间隙结构采用板-球间隙的同轴-三平板结构。选择水介质自击穿开关作为研究对象,进行了1.5 MV同轴结构开关研究,并在此基础上开展了4 MV同轴-三平板结构开关研究。开关实验达到的技术指标为:自击穿电压3.5 MV,导通电流500 kA,电感65 nH,自击穿时间分散性极差4.0 ns（1.3 ns均方根值）。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

 在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上，设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关，设计的最高运行电压为4 MV，放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流，用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析，结果发现二者差别较大，3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

亚纳秒气体开关工作特性

 设计了3种结构的同轴Peaking-Chopping组合型亚纳秒气体开关,以半导体开路开关脉冲源为实验平台,分别对它们的击穿特性进行了实验研究。结果表明：亚纳秒气体开关采用环形组合电极Ⅱ时,可以在1～500 Hz稳定工作,输出前沿400 ps、后沿320 ps、脉冲宽度460 ps和电压129.2 kV的脉冲。开关输出脉冲的前后沿、脉冲宽度和电压幅度与开关间隙、气压和重复频率等因素有关,亚纳秒气体开关在小间隙（1～2 mm）、高气压（约10 MPa）时具有良好的重频特性。在开关气压和输入脉冲幅度不变时,输入脉冲上升沿越快,开关的击穿时延越小,击穿电压越高。     

3 MV自耦式紫外预电离开关的设计

 基于紫外预电离技术和阻容耦合电路研制了应用于高功率装置的三串联3 MV自耦式紫外预电离开关。该开关由紫外预电离间隙和开关主间隙组成。根据同类开关在脉冲电压下的击穿数据推算出3 MV开关的间隙距离,开关主间隙的电场不均匀系数为1.58。采用台阶屏蔽技术使开关有机玻璃筒外沿面最大电场小于50 kV/cm,满足设计要求。设计紫外预电离间隙击穿电压为主脉冲电压的1%,理论模拟计算表明,在0.1～0.7 MPa范围内,预电离间隙电压大于在此范围内间隙击穿电压,保证可靠预电离。     

低预脉冲水介质多通道自击穿开关实验研究

 在“闪光Ⅱ”上进行了水介质多针自击穿开关实验研究。开关由2个或4个开关间隙、预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。介绍了开关结构及其集中参数等效电路模型，并给出了部分参数计算方法。开关间隙在约60 ns时间内被近似线性地充电至约1 MV，开关的放电电流、输入和输出电压分别用罗果夫斯基线圈和硫酸铜水电阻分压器测试。进行了2个间隙结构和4个间隙结构开关实验，开关的放电电流200～550 kA，平均击穿场强600～900 kV/cm。开关间隙抖动小于4 ns，开关间隙的击穿迟滞时间约为60 ns，2个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于3 ns，4个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于5 ns。预脉冲被有效地压缩，输出电压的预脉冲幅值约为输入电压预脉冲幅值的50%，从180 kV压缩至约90 kV，作用时间由600 ns压缩至60 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。     

介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为:陶瓷介质长度300mm,宽度15mm,厚度1mm;银电极长度280mm,宽度2mm。电性能参数为:相对介电常数约23.5,特征阻抗约26Ω,电长度约4.5ns,直流耐压场强大于20kV/mm,在μs量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23kV。     

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。     

基于磁开关和带状线的长脉冲超低阻抗脉冲发生器(英文)

设计了一台基于磁开关和带状线的超低阻抗长脉冲脉冲发生器。设计输出脉冲电压20kV,电流40kA,脉宽230ns,由初级储能系统、脉冲变压器、磁开关、带状脉冲形成线、轨道开关和负载组成。脉冲发生器的关键设备是40kV级磁开关,它能将40kV,10μs的脉冲压缩为40kV,2μs的脉冲;超低阻抗卷绕型带状脉冲形成线,其特性阻抗0.5Ω,电长度115ns,由铜带和聚酯薄膜卷绕而成,为全固态化脉冲形成线。在大功率匹配负载上得到了电压17.8kV,电流35.6kA,脉宽约270ns的准方波脉冲。实验结果与理论计算及数值模拟结果基本一致。     

几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用

 为追踪国际上脉冲功率技术的发展方向,在“闪光二号”加速器上开展了水介质形成线并联技术、多级多通道气体开关技术和同步触发技术等研究。经过3维结构下电场分布的模拟计算和绝缘设计,采用3根6 Ω小水线并联组成了2 Ω水介质形成线,研制成功了作为主开关的3 MV多级多通道气体触发开关,并实现了3个多级多通道气体开关的并联运行;采用工作时延446 ns的同步触发系统实现了Marx发生器与主开关的延时同步运行。真空负压下的涡流循环冲刷消除水中气泡技术应用于水介质形成线上,有效消除了并联形成线汇聚结构处的气泡,提高了加速器运行的安全性。经过调试后,加速器重新获得了稳定的运行状态,几项新技术的应用获得成功。     

PCB板折叠形成线模块设计与实验

采用FR-4型PCB板材为传输介质,设计了一种五条线并联的形成线模块。为优化形成线电场分布,绝缘介质层内部嵌有屏蔽电极,分析得到内嵌导体对形成线的特征参量以及传输特性无影响;形成线绝缘介质层厚度为4 mm,耐受电压超过200 kV,根据绝缘寿命公式分析,形成线可以在50～80 kV长时间工作;将PCB板折叠线通过并联以及封装组成形成线模块,外观尺寸为700 mm550 mm40 mm,特征阻抗为5.35 ,通过搭建Blumlein装置进行实验,在充电50 kV条件下,测得输出电压为45 kV,脉冲半高宽140 ns,平顶宽度75 ns,前沿65 ns。     

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。     

激光二极管触发光导开关实验研究

介绍了利用大功率半导体激光二极管触发3 mm间隙GaAs光导开关、产生非线性电脉冲输出的实验,激光二极管输出功率为70 W,上升前沿约20 ns,脉冲半高宽（FWHM）约40 ns。随着开关两端偏置场强增加,输出电压也线性增加,当偏置场强超过一定阈值,增至约2.53 kV/mm时,经过一个较小的电压峰值和时间延迟后,输出电压急剧增加,产生雪崩现象。实验结果表明:GaAs开关非线性输出的产生与载流子聚集和碰撞电离有关,偏置电场的提高增加了开关芯片中载流子聚集数量,加剧了碰撞离化程度,从而使开关从线性模式进入雪崩模式。     

螺旋线型脉冲形成线匝间击穿与输出波形的研究

 针对螺旋线型脉冲形成线放电过程的匝间击穿问题，采用数值模拟的方法研究了影响螺旋线上轴向电场的因素，模拟结果表明：螺旋线的螺旋角越大、开关的上升沿越小、负载的阻值越小则越容易造成匝间击穿；针对输出波形的前沿上冲和下凹问题，通过数值模拟和实验方法研究了加速器内阻抗不匹配段对输出波形的影响，结果表明: 改变螺旋线与开关之间连接段的阻抗以及开关和二极管之间过渡段的阻抗，使之接近于螺旋线阻抗，并使电长度减小，可以消除波形的前沿上冲和下凹，得到近似方波的高电压脉冲输出。     

300 kV/3 ns脉冲电压源的研制

 研制了一台300 kV/3 ns快前沿脉冲电压源。为了得到快的前沿，设计了低电感的峰化电容和输出开关。其中峰化电容采用3个薄膜电容同轴串联设计，结构紧凑，分布电感小，电极端部的气隙结构使其能承受更高的脉冲高压，实验证明这种结构的峰化电容能承受前沿17 ns、峰值大于300 kV的脉冲高压。输出开关采用高气压小间隙SF₆开关，最高工作气压1 MPa，具有较小的分布电感和火花通道电感。经实验调试，由该峰化电容和输出开关组成的峰化回路在500 kV Marx发生器的驱动下，在150 Ω负载上可得到峰值电压大于300 kV、前沿小于3 ns的脉冲电压输出。     

基于Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器

为实现MV级多级气体开关精确触发控制, 提出了基于Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器的电触发方案。完成了Tesla变压器与Blumlein线一体化设计;优化了初级回路结构及绝缘栅双极型晶体管触发控制电路, 减小了初级杂散电感, 缩短了变压器次级高电压建立时间及时延抖动;优化了百kV级自击穿气体开关工作参数, 研制出一套多级低抖动电晕稳定开关;将传统Blumlein线绝缘介质由变压器油更换成高介电常数的MIDEL7131新油, 增加了输出脉冲宽度, 进一步提高触发能力。最终研制出一台输出电压130 kV、脉冲宽度大于5 ns、重复频率50 Hz、连续工作时间1 min、输出抖动小于10 ns的紧凑型脉冲发生器。     

闪光二号加速器气体主开关同步触发系统

 设计并调试了闪光二号加速器气体主开关同步触发系统。该系统主要由同步控制部分和高压脉冲形成部分构成。整个触发过程包括同步信号的引出、整形滤波、快速比较电路传输、前级脉冲形成、高压脉冲产生。通过对同步信号的整形处理，解决了发生器电流上的高频信号干扰问题；经过快速比较电路和前级脉冲后，选取了同步信号开始工作的时间点，并形成十几V的触发信号；高压脉冲形成部分主开关采用场畸变结合预电离的方式，该结构的气体开关时间响应为50 ns，抖动小于5 ns，满足使用要求。调试结果表明:该系统输出脉冲电压幅值100 kV，前沿小于10 ns，系统的工作时延440 ns，抖动13.5 ns；可通过增加电缆长度来控制触发信号到达气体开关的时刻，实现气体主开关与Marx发生器的延时同步工作。