一种多组电极的高功率多脉冲气体开关

 设计了一个有3组电极的开关，给出了开关的结构，分析了多组电极共存的可行性和开关内的电场，利用通用电路模拟软件对通过开关的电流进行了计算。此开关在单组电极导通时，耐电压约为50kV，电流100kA以上，电流脉宽约20μs；在间隔1ms，脉宽为μs级的预触发脉冲触发下，开关能在电感负载中产生间隔为1ms的3个电脉冲，实验测得平均峰值电压约38kV，电流约100kA，脉宽约20μs。     

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。     

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。     

不同驱动电流和电极尺寸下的等离子体断路开关性能

 开展了驱动电流为45，75和105 kA以及阴极直径分别为Φ20 mm和Φ40 mm下的等离子体断路开关性能实验研究。结果表明：随着发生器驱动电流增加，负载电流上升时间逐渐减小，最高电压倍增系数逐渐增加。与阴极直径为Φ20 mm的等离子体开关相比，阴极直径为Φ40 mm的等离子体开关导通时间和负载电流上升时间增加，开关电压和电流转换效率降低。实验获得的最高电压倍增系数和电流转换效率分别为4.9和97%，负载电流上升时间小于100 ns。     

等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性

利用PIC (particle-in-cell) 方法，结合实验装置的几何结构和实验结果，采用动态开关模型，对微秒等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性进行了研究。模拟得到了与实验结果符合较好的开关电压和负载电流波形，并给出了开关下游出现的稀薄等离子体的密度(约1012 cm-3)和速度(约1 cm/ns), 同时也得到了开关下游的空间电流分布。模拟结果表明，开关下游的结构应避免阻抗突变以减少电流损失，同时提高开关阻抗可有利于提高负载上的最大功率。     

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）。     

激光触发开关的电参数测量

 为进行PTS装置单路样机激光触发开关的调试，设计安装了相应的电压电流探头。通过对比分析了探头测量结果，解释了开关出口D-dot电压探头波形畸变的原因，并运算得到了正确的波形。B-dot探头得到了与模拟结果符合的电流微分信号和电流信号。实验结果表明： D-dot探头适合MV量级的高电压脉冲测量，但当该探头工作在开关区时，设计中需要对比探头与被测电极以及其它电极的结构电容，只有满足结构电容远大于与其它高压电极的电容时，才能获得较真实的信号。如果结构设计中难以满足该要求，可以采用软件处理方法得到正确的波形。使用B-dot探头输出的电流微分信号可以较为准确地得到开关导通延迟时间，测量误差小于0.7 ns。     

100 kA微秒导通时间等离子体断路开关研究

 研制了最大导通电流约为100 kA的微秒导通时间等离子体断路开关，开展了该导通电流下的等离子体断路开关性能实验，得到的负载电流上升时间为54-76 ns，最高开关电压为1.38 MV，最高电压倍增系数达到4.9。建立了导通阶段开关区等离子体运动的二维雪耙模型，初步数值模拟结果表明，该模型对目前开展的实验有较好的预估能力。     

盘式触发电极触发管开关的触发特性

 对采用盘状触发电极的新型触发管开关的触发特性进行了实验研究,得到不同极性组合、不同触发电压幅值和不同触发电流条件下开关的触发特性实验结果。实验结果表明:新型触发管开关获得最佳触发特性所需的极性组合应为异极性组合，触发电压幅值范围为自击穿电压的30%~50%，为兼顾触发电流和保护触发器，触发电阻值应为50~100 Ω，验证了触发管开关击穿机制的已有认识。     

MOSFET调制器的实验研究

 介绍了MOSFET调制器的基本原理，并对其并联分流和感应叠加两种开关结构进行了实验研究。基于可编辑逻辑器件设计了其触发电路，驱动电路采用高速MOSFET对管组成的推挽输出形式，加快了MOSFET的开关速度。利用Pspice软件对开关上有无剩余电流电路(RCD)两种情况进行仿真，结果表明，加装RCD电路可以有效吸收MOSFET在关断瞬间产生的反峰电压。实验中，电流波形用Pearson线圈测量，用3个MOSFET并联作开关，当电容充电电压为450 V，负载为30 Ω时，脉冲电流13 A，前沿20 ns，平顶约80 ns；用3个单元调制器感应叠加，当电容充电电压为450 A，负载为30 Ω时，脉冲电流强度为40 A，前沿25 ns，平顶约70 ns。     

基于Parylene C的单触发开关性能实验研究

为了研制具有高导通电流和高导通速率能力的单触发开关,利用微加工技术制备了基于Parylene C的三明治结构单触发开关。在主回路充电电压1.0~1.6kV的范围内,分析了开关触发回路电流、电压特性,导通峰值电流、上升时间、开关延迟时间,并且对单触发开关的电感、电阻做了估算。结果表明,基于Parylene C的单触发开关性能优于基于聚酰亚胺的单触发开关;随着开关加载电压的升高,开关导通的峰值电流呈现不断增大的趋势,但是上升时间几乎不变,其延迟时间分布在1~200μs之间,呈随机性分布,开关电阻随其作用时间增加不断增大。     

强流电子加速器中气体开关与真空二极管的光学特性

 利用光纤传感器与光电二极管相结合的方法，对强流电子加速器中气体火花开关以及真空二极管的发光特性进行了研究，对影响光电二极管测量的因素进行了理论计算与模拟研究。在气体开关导通电压1.7 MV，二极管电压1.07 MV，电流18 kA时，进行了多次实验，得到了发光特性与击穿电压、电流的关系。同时,对利用光学检测方法测量主开关或真空二极管电压、电流大小得可行性进行了分析。     

Pseudospark switches-technological aspects and application

We report results of the development of fast closing switches, so-called pseudospark switches, at Erlangen University. Two different parameter regimes are under investigation: medium power switches (32 kV anode voltage, 30 kA anode current and 0.02 C charge transfer per shot) for pulsed gas discharge lasers and high power switches (30 kV anode voltage, 400 kA anode current and 3.4 C charge transfer per shot) for high current applications. The lifetime of these switches is determined by erosion of the cathode. The total charge transfer of devices with one discharge channel is about 220 kC for the medium and 27 kC for the high power switch. At currents exceeding 45 kA a sudden increase in erosion rate was observed. Multichannel devices are suited to increase lifetime as the current per channel can be reduced. Successful experiments with radial and coaxial arrangements of the discharge channels were performed. In these systems the discharge channels move due to magnetic forces. A skilful use of this phenomena will result in a considerably increase of switch lifetime. Multigap devices enable an increase of anode voltage. A three gap switch has run reliably at an anode voltage of 70 kV     

气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响

快脉冲直线变压器型驱动源(FLTD)是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术,多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能,但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响,确定了电晕针电极的尺寸,之后研究了N2,CO2,SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性,研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明,N2中电晕电流较大且不稳定,空气中电晕电流比N2中低,且电晕放电较为稳定,微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时,气体开关击穿电压随气压升高线性增加,但存在低值击穿,微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时,击穿电压约为197.33 kV,标准偏差占击穿电压比例为1.50%,1%C4F7N/99%N2混合气体在0.15 MPa时,击穿电压约为190.42 kV,标准偏差为0.55%。这表明,微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。     

High-Power Opening-Closing Switches Using Grid-Controlled Plasmas

Two switches are described with the capability of rapidly interrupting high-power circuits: a vacuum triode with a large-area plasma cathode, and a grid-controlled plasma conduction switch. Theoretical models for the vacuum triode imply that it could control voltages in the range ?100 kV at current density ?2 × 104 A/m2. The vacuum switch has the advantage of rapid switching at the expense of reduced efficiency because of its significant anode-cathode voltage drop. In contrast, the plasma switch has almost zero voltage in the conducting state. The theoretical models presented indicate that the plasma switch could conduct current densities in the range 10 × 104 A/m2 with open-circuit voltage ? 100 kV. Although the closing time is long (~1 ?s), the predicted opening time is short (~20 ns). Initial experiments demonstrating the principle of operation of the plasma switch are reported.     

聚龙一号装置波形调节北大核心CSCD

在聚龙一号装置(PTS装置)上开展了系列波形调节实验,成功在负载上输出脉冲上升时间达到600ns、峰值电流大于5.0 MA的电流。聚龙一号装置在同步放电情况(短脉冲模式)下,负载电流的上升时间约90ns,峰值电流约10.0 MA。波形调节通过装置24台激光触发气体开关分时放电、脉冲输出开关短接等技术调整,实现负载上长上升时间的脉冲电流输出。波形调节根据需要实现的电流波形形状,通过全电路模拟计算,调整激光触发气体开关的触发时序和脉冲输出开关状态,在相应负载上输出接近需求的实验波形。聚龙一号装置波形调节实验研究表明,输出电流脉冲的前沿的最大值取决于24台激光触发气体开关最早触发时刻和最晚触发时刻的时间差,该时间差受制于激光触发气体开关的正常触发。激光触发气体开关能否被正常触发,除了取决于进入开关触发间隙的触发激光能量外,还取决于开关充气压力和加载于开关两端的电位差,该电位差与相关两路的渡越时间相关。通过波形调节研究,聚龙一号装置具备在不同实验负载上输出不同上升时间、不同波形形状的脉冲电流的能力。     

电触发真空沿面闪络开关工作特性初步研究北大核心CSCD

为研究电脉冲触发真空沿面闪络开关在中、小通流条件下的适用性,基于直接镀铜基板工艺制作了真空沿面闪络开关样件并搭建了开关工作特性测试实验平台。通过实验手段初步研究了开关耐压特性、触发工作特性(触发延时、抖动、工作范围)和寿命特性。实验结果表明:有效间隙7.2 mm的真空沿面闪络开关直流耐压约40 kV;开关在18 kV工作电压下触发导通延时89.9 ns,抖动13.1 ns,开关在1~18 kV工作电压范围内均能可靠触发导通;连续考核约2300次后开关各项特性无明显变化。