高压氮气亚纳秒开关放电特性实验研究

 利用幅值约220 kV、脉宽约4 ns的高压纳秒脉冲源，对高压氮气亚纳秒气体开关放电特性进行了实验研究。实验结果表明：当气压在3~10 MPa间变化，间隔距离在0.6~1.2 mm间变化时，氮气间隙击穿电压随气压和间隙距离的增大而增大，并随气压的增大略呈饱和趋势,最高击穿电场约为2 MV/cm。开关输出电压波形的上升时间变化范围为145~190 ps，该上升时间随气压、击穿电场以及间隙距离增大而减小。     

100 kV重频气体开关初步研究及应用

为了减小脉冲功率源装置的体积, 对三电极气体开关和两电极气体开关的结构进行了小型化设计。采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化, 对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同SF6气压（0～0.2 MPa）、不同开关间隙条件下的击穿电压及触发工作电压等进行了实验研究。结果表明:设计的触发开关和自击穿开关在0～0.2 MPa气压范围内, 自击穿电压随气压具有很好的线性关系; 自击穿开关间隙为8 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现自击穿电压90～125 kV可调; 触发开关主间隙为7 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现触发工作电压40～95 kV 可调; 初步估算, 触发开关和自击穿开关的工作电感均约20 nH。利用重频脉冲电源, 测试了开关的重频工作能力, 在工作电压80 kV、导通电流约20 kA的条件下, 重复工作频率在20 Hz以上。此外, 利用研制的开关构建了八级紧凑型Marx发生器, 实现了5和10 Hz重频多脉冲输出。     

液体介质快脉冲电压下击穿特性研究

 设计了液体介质快脉冲击穿试验装置和电压电流测量系统，研究了重复频率、电极形状及电极间距与介质击穿场强、击穿电压和击穿时延等击穿特性参数的关系，比较了变压器油、十二烷基苯、蓖麻油三种典型液体绝缘介质在直流及快脉冲电压作用下的绝缘性能。结果表明：短脉冲持续时间下液体绝缘材料有异常高的击穿场强；重复脉冲串作用下的击穿场强比单个脉冲下明显减小，重复频率2 kHz时击穿场强减小了约30％；电极头半径大小对击穿也有影响，半径R＝5 mm时，击穿电压最高；击穿时延随击穿场强减小而变长，在其他条件相同的情况下，测得击穿时延随机波动；蓖麻油的快脉冲电压绝缘性能最好，变压器油次之。     

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。     

微机电系统微尺度间隙的脉冲击穿特性

利用微机电系统(MEMS)工艺制备了5~40 m间隙的金属铝薄膜电极,测取了不同间隙下施加纳秒方波脉冲时的击穿电压,得到击穿电压和平均场强随电极间隙的变化规律,研究了脉宽、极性对击穿电压的影响,结合击穿后微电极扫描电镜观察结果讨论了其击穿机理,并与相同试样在直流下的结果进行了对比。研究表明:击穿电压随微间隙距离的增大而增大,击穿场强则随着间隙的增大迅速减小;与直流同间隙的击穿电压相比,脉冲作用下的击穿电压并不像宏观尺度下那样高出很多;试样击穿机理应为流注理论。在脉冲作用下,阳极出现了分层熔化现象,由于作用时间很短,阳极表面并未出现类似于直流击穿时留下的坑洞;阴极则出现了溅射沉积现象,只是沉积物质相对较少。     

液体介质快脉冲电压下击穿特性研究

设计了液体介质快脉冲击穿试验装置和电压电流测量系统，研究了重复频率、电极形状及电极间距与介质击穿场强、击穿电压和击穿时延等击穿特性参数的关系，比较了变压器油、十二烷基苯、蓖麻油三种典型液体绝缘介质在直流及快脉冲电压作用下的绝缘性能。结果表明:短脉冲持续时间下液体绝缘材料有异常高的击穿场强；重复脉冲串作用下的击穿场强比单个脉冲下明显减小，重复频率2 kHz时击穿场强减小了约30％；电极头半径大小对击穿也有影响，半径R＝5 mm时，击穿电压最高；击穿时延随击穿场强减小而变长，在其他条件相同的情况下，测得击穿时延随机波动；蓖麻油的快脉冲电压绝缘性能最好，变压器油次之。     

多间隙气体开关紫外光预电离结构

 针对一种用于快前沿直线脉冲变压器驱动源的多间隙气体开关,设计了针式和孔式两种预电离触发结构,获得了两种预电离结构下开关的自击穿特性和触发特性。实验结果表明:增加预电离针后,开关静态特性没有明显变化,开关自击穿电压平均值变化幅度小于3%;开关触发特性明显改善,开关工作电压150 kV、触发电压60 kV时,触发抖动减小约20%,触发阈值降低5~10 kV。对于针式预电离结构,实验研究了不同触发电压、工作气压、电离间隙距离时紫外光强度的变化规律,结果表明在电离间隙距离1.5~3.0 mm时,开关触发抖动小于2.0 ns,预电离效果明显。     

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。     

纳秒脉冲下单间隙伪火花放电特性

采用单间隙伪火花放电装置,研究了纳秒脉冲下气压、间隙距离和小孔直径对伪火花放电特性的影响。研究结果表明,纳秒脉冲下伪火花放电电压随着气压、间隙距离和小孔直径的增加而减小。通过数值拟合,得到了放电电压与气压、间隙距离和小孔直径间的经验公式。放电电压随着气压、间隙距离和小孔直径的增加而减小,衰减系数分别为0.76,0.39和0.39。     

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。     

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。     

低抖动纳秒级前沿的氢闸流管高压脉冲源

 试验用功率MOSFET驱动氢闸流管，做成幅度可达15kV、前沿小于10ns、抖动低于1ns的高压纳秒级前沿脉冲源。简要介绍了脉冲源的电路结构，着重从氢闸流管储氢器加热电压、阴极加热电压、触发脉冲幅度、前沿和延迟几方面测量分析了其对脉冲源输出特性的影响。     

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。     

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。     

脉冲压缩电路磁开关动态特性

提出在典型一阶磁脉冲压缩电路的基础上,测取磁芯在实际工作条件下的动态磁滞回线和饱和磁导率等磁参数,再根据所获得的动态参数指导磁开关设计,进行一阶磁压缩实验。实验选取国内外被广泛应用的非晶磁芯和纳米晶磁芯进行测试,根据实测动态磁参数设计磁开关。实测结果表明:用国产非晶磁芯做磁开关可得到上升沿73 ns、电压幅值28.3 kV、半高宽为503 ns的脉冲,用日本产的纳米晶磁芯做磁开关可得到上升沿30 ns、电压幅值28.4 kV、半高宽为193 ns的脉冲。     

预电离触发管气体开关特性

利用脉冲火花预电离方式,设计了一种脉冲火花预电离触发的触发管气体开关。开关工作电压等级为100 kV,工作介质采用干燥空气,开关主间隙10 mm,电极材料采用304不锈钢,触发结构设计成盘环嵌套结构。实验结果表明:预电离能够显著减小低工作系数下触发管气体开关的触发时延和抖动。对于ns级快脉冲触发,预电离时刻越早,开关击穿时延和抖动越低。在30 kV/8 ns触发脉冲作用下,脉冲预电离触发的触发管开关在80%工作系数时,平均时延约为40 ns,抖动小于1 ns。     

A long conduction time compact torus plasma opening switch

Experiments to form and accelerate compact toroid (CT) plasmas have been performed on the 0.4-MJ Shiva Star fast capacitor bank at Phillips Laboratory. Theoretical investigations of employing a CT as a very fast opening switch are reported. A particular axisymmetric, geometrically complex switch design is studied with the help of 2-1/2-dimensional magnetohydrodynamic computer simulations. This design, called a magnetically-confined-plasma opening switch (McPOS), accumulates magnetic energy in an inductive store. Because of its intrinsic stability, the switch can conduct current for ten or more microseconds and can open in less than 100 ns-substantially less than the risetime of the capacitively produced electric current. A long conduction time compact torus plasma opening switch     

自耦式紫外预电离开关特性

 研究了300 kV脉冲电压作用下自耦式紫外预电离开关的工作原理。为了在脉冲电压下实现开关的自耦合预电离,设计了适当的分压电路及预电离结构。模拟计算表明,分压电路参数合适时,可以实现预电离间隙与开关主间隙的击穿配合。实验结果表明：在脉冲电压作用下,调节电路参数可以有效调节紫外预电离产生时刻;在适当的时刻产生紫外预电离可以有效减小开关击穿抖动;该开关在240 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于3 ns,在36 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于2 ns。     

纳秒脉冲下典型钳压型浪涌防护元件的响应特性

为研究以压敏电阻和瞬态抑制（TVS）二极管为代表的典型钳压型浪涌防护元件的纳秒脉冲响应特性,为电磁脉冲干扰防护元件的选型提供科学依据,分别基于百ns和2 ns上升前沿电磁脉冲直接注入的方式,实验测试并对比分析两类元件在不同脉冲上升沿时间、电压幅值等情况下的响应差异,并阐明产生过冲响应差异的物理机理。结果表明:两类防护元件的响应时间均与注入纳秒脉冲上升沿时间有关,且随着上升沿的增加而变长,其中TVS二极管在相同上升脉冲情况下具有更为敏感的响应速度;当注入脉冲电压幅值增加时,PN结热积累加快,击穿速度加快,元件响应时间更短,相比于TVS稳定的钳位幅值,压敏电阻在钳位幅值附近处振荡明显;当快速脉冲到达时,压敏电阻和TVS二极管响应曲线在钳位幅值稳定前均发生过冲现象,并且两类防护元件的过冲电压均随着注入脉冲幅值的增加而增加;尽管钳位电压幅值由自身防护特性决定,但在相同注入脉冲条件下,同类不同型号的防护元件过冲电压几乎相同,通常压敏电阻过冲电压小于钳位电压,而TVS二极管则相反,并且随着钳位幅值变小,过冲电压与钳位电压的比值变大,这意味着过冲现象对低压TVS二极管性能影响更为严重。