4 MV激光触发多级多通道开关特性

 报道了4 MV激光触发多级多通道开关的结构设计和初步的实验结果及分析。该开关采用轴向聚焦触发方式，设计为匀场结构，采用场调整环与匀压环调整开关间隙电场分布，电极-绝缘子序列采用堆栈结构替代榫接结构，独立定位、紧固。实验结果表明：4 MV激光触发多级多通道开关的自击穿电压偏差小于5%，自击穿电压与工作气压呈良好的线性关系；触发延迟时间约25 ns，极差小于±2.5 ns，抖动1.5 ns；等工作电压-气压比条件下，随着气压和工作电压的上升触发延迟时间及其抖动趋向下降。     

直流叠加脉冲电压下FLTD气体开关击穿特性

分析了直流叠加脉冲电压(定义为复合电压)下次级感应电压触发快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)中气体开关击穿延时过程,给出了击穿延时的估算公式。初步实验研究了FLTD用三电极气体开关在复合电压作用下的击穿特性,结果表明:在±70kV直流充电电压叠加300kV/30ns快脉冲电压的复合电压作用下,气体开关的击穿延时小于相同工作系数下常规触发方式的击穿延时,采用SF6气体绝缘时,击穿延时较常规触发方式减小了17%~30%;采用N2绝缘时,减小了约50%,开关工作系数为55%时,击穿延时抖动小于5ns;理论估算的复合电压下击穿延时与实测结果基本吻合。     

2 MV激光触发气体开关实验研究

介绍了2 MV激光触发多级气体开关在强光一号加速器上的实验研究工作。给出了实验方案,激光触发信号采用轴向引入的方法,激光光路穿过二极管,沿水线轴向引入开关;分析了开关自击穿实验和触发实验的实验结果,总结了实验中出现的问题并对其原因进行了分析,提出了改进措施。 结果表明,开关最大工作电压2 MV,最大电流大于600 kA,当欠压比88.3%时,激光触发开关的平均延时34.2 ns,抖动小于3.86 ns。     

4 MV激光触发多级多通道开关特性

报道了4 MV激光触发多级多通道开关的结构设计和初步的实验结果及分析。该开关采用轴向聚焦触发方式，设计为匀场结构，采用场调整环与匀压环调整开关间隙电场分布，电极-绝缘子序列采用堆栈结构替代榫接结构，独立定位、紧固。实验结果表明:4 MV激光触发多级多通道开关的自击穿电压偏差小于5%，自击穿电压与工作气压呈良好的线性关系；触发延迟时间约25 ns，极差小于±2.5 ns，抖动1.5 ns；等工作电压-气压比条件下，随着气压和工作电压的上升触发延迟时间及其抖动趋向下降。     

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。     

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。     

多间隙气体开关光纤诊断

介绍了一套用于多间隙气体开关光学诊断的光纤探测系统,该系统主要由光纤阵列探测器和沉入式日盲型光纤探测器构成。用该系统研究了多间隙气体开关的详细击穿过程,并分析触发电压、气压及紫外光预电离对开关性能的影响。光纤阵列探测器定时精度小于0.6 ns,脉冲响应3.2 ns;日盲型光纤探测器光谱响应为260~320 nm,通过实验可知,气体开关击穿次序为:3#-2#-1#-4#-5#-6#,统计时延和过压击穿时延占主要部分;提高开关的触发电压、降低开关的工作气压,主要影响开关击穿过程的前半部分,从而降低开关的击穿抖动;如果能够产生强度稳定的紫外光,可以改善开关的抖动性能。     

电晕均压多间隙串联气体开关特性实验

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关,分析了电晕放电在开关工作过程中的作用,开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明:老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%,电晕均压效果明显;随着放电次数增加,电晕针尖逐渐钝化,触发性能变化不大;开关电晕放电电流随耐受电压升高增大,增长趋势逐渐变快;开关充400 kPa干燥空气,100 kV工作电压下开关放电50 000次以上,触发性能稳定,触发击穿时延抖动约4.3 ns,自放电概率低于110-4。     

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。     

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。     

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。     

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。     

快脉冲高电压大电流测量探头标定方法

基于脉冲形成原理提出了一种快脉冲高电压大电流测量探头的在线标定方法。利用闪光二号加速器输出线和二极管作为脉冲形成线,结合研制的低电感开关和负载,产生一个前沿小于3 ns、脉宽20 ns的准方波,对二极管电压测量探头微分型电容分压器和电流测量探头微分环进行了在线标定,得到测量探头在实际使用环境中的时间响应小于4 ns。该方法消除了非在线标定环境和实际环境无法统一对标定结果的影响,可推广应用于传输线型脉冲功率装置的探头标定。     

“闪光二号”加速器适应性改造北大核心CSCD

针对系统电磁脉冲效应研究需求,项目组对"闪光二号"加速器进行了适应性改造,以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构,重点进行了水开关设计,并完成了实验调试。装置输出电压650kV^1.3 MV稳定可调,脉冲宽度60ns,前沿由改造前的80ns缩短至改造后的30ns,在国内首次成功驱动串级二极管,产生前沿29ns、射线宽度约53ns的脉冲硬X射线。     

“闪光二号”加速器运行状态分析及维护

介绍了闪光二号加速器在实验运行过程中,Marx发生器、水介质同轴线和二极管的常见故障。Marx发生器200 kV气体开关、水介质同轴线的主开关和预脉冲开关、二极管阴极表面电场和阴阳极间隙等是各部分出现故障的主要原因,针对故障采取相应的维护措施和注意事项,可实现闪光二号加速器正常稳定的运行。     

串级二极管悬浮电极支撑控制系统的研制

串级二极管悬浮电极支撑控制系统主要包括支撑结构、驱动电路和同步控制三部分。支撑结构采用基于电磁铁工作原理的支撑针,对悬浮电极进行三点定位;驱动控制采用高压脉冲电容放电驱动螺线电磁铁,使电磁铁支撑针在5 ms内移动30 mm,悬浮电极在撤去支撑的5 ms内自由落体125 m;同步控制采用螺线电磁铁线圈信号作为同步控制初始信号,对该信号延时5 ms,触发闪光二号的前级触发源,启动闪光二号主机工作,实现螺线电磁铁与闪光二号主机的同步。使用该套支撑控制系统用于串级二极管前期研究,初步实现了两级间隙串联工作。     

200 kV重复频率Marx发生器研制

针对脉冲功率系统开关触发需求, 设计了一种重复频率Marx发生器,介绍了其基本工作原理及其主要性能指标。发生器采用单极性充电和同轴结构设计,脉冲输出为高压电缆形式,在75 Ω匹配负载上获得了高于200 kV的脉冲输出,脉冲宽度大于90 ns,工作模式可单次到10 Hz重复频率运行,脉冲上升时间小于10 ns,系统抖动小于20.1 ns。     

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。     

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。