百kJ级储能型Marx发生器建立时间及抖动

针对"闪光二号"百kJ级储能型Marx发生器,设计了研究其建立时间和抖动的实验方案,根据发生器开关击穿模式的不同,分别研究了典型排的建立时间和抖动与Marx发生器建立时间和抖动之间的关系,研究了开关工作系数与Marx发生器及其典型排建立时间的关系。对Marx发生器建立时间、发生器第一排和第二排建立时间的实验测量表明:Marx发生器第一排建立时间对整个发生器的贡献大于60%,前两排建立时间对整个发生器的贡献大于73%;Marx发生器建立时间抖动主要来源于发生器第一排建立时间抖动,第一排建立时间和抖动则主要来自于气体火花开关的击穿时延抖动。根据实验结果,分析了影响建立时间抖动的主要因素,提出了减小建立时间抖动的措施。     

Z箍缩实验装置高压低抖动Marx发生器

 中物院的初级实验平台(PTS)低抖动Marx发生器由60个标称电压为100 kV、电容量为1 mF电容器和30个低抖动环轨式场畸变开关构成，采用以S型线路为基础的超前触发型电路。近千次实验结果表明：在工作欠压比71%、触发电压200 kV的条件下，Marx发生器的建立时间175 ns，抖动极差小于±10.0 ns，均方根抖动小于7.0 ns。Marx发生器的串联电感13.5 mH，串联电阻3.2 W，在电容器充电80 kV时,实验测得输出电压4.3 MV, Marx发生器电压建立时间175 ns,与电路模拟结果（输出电压为4.6 MV，电压建立时间160 ns）吻合良好。     

激光触发沿面闪络试验中的同步研究

 建立了精确的激光触发沿面闪络试验系统，用波长1 064/532 nm，调Q开关的Nd:YAG固体激光器来触发绝缘试品的沿面闪络。分别测量了Marx发生器的触发器输入电压和输出电压、Marx发生器的触发脉冲和Marx发生器输出电压、激光器的Q开关控制信号和输出激光脉冲之间的时延和抖动。应用自制的数字脉冲发生器控制Marx发生器的触发器及激光器的氙灯信号触发，用Marx发生器输出电压控制激光器的Q开关；根据所测时延和激光器的控制时序，调整数字脉冲发生器各通道的时延。实验结果显示：Marx输出电压与激光脉冲时延516.1 ns，抖动4.5 ns,达到激光脉冲与脉冲电压的精确同步。     

“聚龙一号”装置同步性实验研究北大核心CSCD

分析了"聚龙一号"装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响,Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率,主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键,即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通,12台激光器可以独立调整精确的出光时间,用下方的主开关比上方的提前20ns导通的方式来修正传输线长度上的差异,将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明,Marx发生器同步性抖动为11ns,主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4ns和10ns,"聚龙一号"装置的同步性抖动为6ns。在同一负载参数下,磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。     

低抖动Marx发生器设计与实验

提出并设计了一种Marx发生器线路,将电路模拟和实验验证结果与传统的Marx线路进行了比较,结果表明,所设计的线路通过保证Marx后级开关上的过电压幅值,来保证开关可靠击穿并减小开关自击穿所需时间,从而减小Marx发生器的抖动和增大工作范围。在此线路基础上,设计了一种用于直线感应加速器脉冲功率系统的Marx发生器,该发生器采用正负双极性直流充电,使用低抖动的场畸变火花隙开关作为脉冲形成开关,最大储能16.87 kJ,最高输出电压450 kV,在一定工作状态下可以达到亚纳秒级的时间抖动。     

1MV小型重复频率Marx发生器研制

设计了MV级小型重复频率Marx发生器,简化了发生器充放电回路,减小了能量损失;分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响,减小了隔离电感体积,提高了隔离有效性;优化了开关腔体结构,实现了间距连续可调,且受外围结构的变化或振动影响,13个开关间隙置于同一垂线上,火花放电时产生的紫外线或射线相互照射,加速了开关导通,减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用,提高了发生器的可靠性;通过Pspice模拟和三维静电场分析,实现了发生器小型化,整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内,体积小于0.25m3。优化设计和实验研究,发生器在高阻负载上输出峰值1.02MV、前沿约30ns的高压脉冲,发生器储能290J,电压幅度抖动约10%,前沿抖动小于10ns,可实现重复频率20Hz稳定运行。     

全电感隔离型重复频率Marx发生器

 介绍了发生器的结构特点，采用有限元数值方法对开关腔体内静电场进行了3维模拟计算，通过理论分析和实验研究，研制了1台12级重复频率Marx发生器，该发生器采用正负双边恒流充电方式及全电感隔离，其主要元器件间基本呈无感排列，结构简单、紧凑。实验结果显示：发生器输出电压为532 kV，脉冲前沿约40 ns，建立时间约32 ns；开关腔内充纯净SF6气体，可以在重复频率1~50 Hz下稳定运行。     

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。     

电子束泵浦KrF激光MOPA系统的同步控制

 介绍研究出的MOPA系统完整的同步控制时间关联逻辑、各单元启动方式及同步系统的硬件。由Fe-Nb-Cu超微晶薄膜材料做成的同轴单匝磁开关及脉冲变压器产生大约150kV、上升时间小于200ns的高压,触发MOPA系统中的Marx发生器,当火花隙欠压比为90％时,Marx发生器中电压建立的时间抖动分别小于13ns和23ns。采用激光触发主开关时,泵浦功率系统总体抖动时间小于10ns,保证了整个电子束泵浦KrF激光MOPA系统的正常运行。     

纳秒脉冲电压下气体开关的击穿特性

 采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲，分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验，获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下，气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点，指出了气体开关在不同场合应用时的要求。     

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     

大电流两电极气体开关研究

 由于引燃管难以满足现在能源系统对放电开关承受大电流的要求，因此研制了大电荷转移量两电极气体开关。这种新型气体开关电极间距可调，无触发极，采用同轴结构，并将主电极置于金属腔体内，减少了放电对绝缘支撑的污染。主电极为铜钨合金材料，设计为平顶圆柱状，以提高烧蚀均匀度和热传导效率，减少电极材料喷溅，延长其寿命。绝缘支撑采用碗状结构，提高了机械强度，增加了沿面击穿距离。该开关工作电压达25 kV，放电电流超过100 kA（脉冲宽度600 μs），单次脉冲电荷转移量达50 C。实验结果显示该气体开关触发性能稳定，电极表面烧蚀均匀，多次大电流实验后电极表面保持完好，可应用于强激光能源系统。     

Laser Triggering through Fiber Optics of a Low Jitter Spark Gap

An optical filter is employed to transport a 15-ns light pulse from a high power ruby laser for precise triggering of a gas filed high voltage spark gap. The maximum power density that can be transmitted by the fiber is limited to 6 × 1012 W/m2 above which laser induced damage occurs on the fiber entrance face. The overall throughput efficiency of the optical system was measured as 62 percent. Results are presented for the switching delay time and associated jitter for various mixtures of A and N2 gas, and as a function of the voltage across a pulse-charged Blumlein generator gap. Pulse charging of the Blumlein generator was accomplished by a three-stage Marx generator, resulting in output voltages up to 250 kV. It was conclusively demonstrated that an optical fiber will transport a sufficiently intense laser pulse to evince subnanosecond jitter in the triggering of a pressurized gas switch under the conditions studied.     

300 kV高压脉冲发生器

介绍了脉冲X光机驱动源300 kV高压脉冲发生器的研制,高压脉冲发生器选择双边充电回路的Marx发生器结构,采用紫铜火花隙开关和隔离电感为发生器的结构元件,低感陶瓷电容为储能元件,这种结构不仅减小了回路电感,同时实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的高压脉冲发生器在75 负载上获得脉冲半高宽小于等于100 ns、幅值200～300 kV可调的输出电压。高压脉冲发生器内可直接安装X光管也可通过高压电缆与X光管连接,很好地满足了X光机的需要,研制的高压脉冲发生器具有性能稳定、结构紧凑、使用方便等特点。     

小型场畸变气体开关的击穿抖动特性

基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求，研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关，并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系，计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数，分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明:气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大；填充气体中SF₆和N₂体积比1∶1时，混合气体的综合性能较好；工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。     

Space-Charge Effects in a Laser Fiber-Optics Triggered Multichannel Spark Gap

The dual channel triggering of a spark gap switch by fiberoptic transported ruby laser radiation is discussed. The spark gap is the output switch of a 20-ns water dielectric Blumlein generator. The Blumlein generator is pulse charged in approximately 250 ns by a three-stage Marx bank to 150 kV. The spark gap is operated at a pressure of 2540 torr with a mixture of Ar and N2 gas and an electrode separation of 2 cm. Two 1-mm diameter quartz optical fibers are used to transport 2 2-MW laser beams into the spark gap onto points 6 cm apart on the target electrode. The two beams are obtained by optical splitting of the output of a single laser. Under appropriate conditions, two arc channels are initiated by the laser beams along their paths. A small improvement in current rise time for dual channel events over single channel events is observed. Moreover, the number of successful dual channel events is observed to depend on the time of laser entry with reference to the beginning of the charging pulse, and not the gap polarity. The correlation of this behavior with the space charge build up in the slightly over-volted gap is discussed.     

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。     

火花通道长度对激光触发开关特性的影响

利用超高速相机,在曝光时间100 ns时,对不同能量下激光在氮气气体开关中形成的火花通道进行拍照,得到了不同焦距下激光波长266 nm时激光火花通道长度与激光能量的关系。开展了激光触发气体火花开关的实验研究,激光触发开关延时、抖动随激光能量的增加而减小。将火花通道长度与激光触发开关的特性进行了分析,气体开关的抖动随着激光火花通道长度的增加而减小,当火花通道沿电极间轴向长度达到开关电极间距40%时,开关的抖动为亚ns量级。