强光一号2.4 MV环一板型水介质开关光学诊断

利用ns级时间分辨可见光分幅相机和光纤传感器对"强光一号"环.板型水介质开关进行光学测量,得到了电流通道发展图像以及整个放电过程的光强变化信号.实验结果表明:环-板型水介质开关开始击穿时的平均场强约为190 kV/cm,同时存在多个放电通道,流注呈树枝状分布,发展速度为几十cm/μs.     

强光一号水开关击穿性能

采用光学诊断和电磁测量相结合的方法对"强光一号"不同结构的水开关的放电特性进行研究,其中包括环-板结构、球-板结构及局部场增强球-板结构。通过理论模拟开关电场分布及"强光一号"加速器水开关击穿电压的实际测量可以分析不同结构的开关工作稳定性,结果表明:环-板结构的水开关具有最稳定的击穿特性,15发放电的时间抖动只有30 ns;局部场增强球-板结构水开关抖动60 ns;球-板结构水开关稳定性最差,抖动达到140 ns。利用纳秒时间分辨可见光分幅相机和光纤传感器对环-板型及局部场增强球-板结构水介质开关进行光学测量,得到了电流通道发展图像以及整个放电过程的光强变化信号。实验结果表明:环-板型水介质开关开始击穿时的平均场强约为190 kV/cm,同时存在多个放电通道,流注呈树枝状分布,其发展速度为几十cm/s。     

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。     

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。     

紧凑型MV级强流加速器输出开关

 介绍了一种水介质脉冲形成线强流电子束加速器的输出开关的设计和实验结果。水介质脉冲形成线为单同轴螺旋结构,阻抗约9 Ω,充电电压为1.2 MV,匹配负载输出电压600 kV,脉冲宽度100 ns,形成线长度1.1 m,最大外径35 cm。输出开关采用简单的自击穿火花开关形式,主要采用了以下设计原则：（1）电极间隙的场增强因子小于1.4,使SF6的击穿电压 压强曲线尽可能线性;（2）电极间平均场强300 kV/cm,大于材料沿面界面场强的3倍以上,避免发生沿面闪络;（3）控制各结合点的场强,使其小于30 kV/cm;（4）减少开关室的体积,以保证最大的机械强度。该开关结构紧凑,总长度为12 cm,电感小于100 nH、击穿电压和气压的线性关系好,可在0.3~1.2 MV的较宽范围内调节。实验中开关运行稳定可靠,达到了设计要求。     

网格结构微环谐振电光开关阵列的特性分析

设计了由N+1条水平通道、N条竖直通道和2 N个微环构成的电光开关阵列器件,并对其传输特性进行了分析.通过在列微环上加载不同的工作电压,实现相应通道的开关功能.以5×4通道8微环结构为例,取波导芯的宽度与厚度均为1.5μm,波导芯与电极之间的限制层厚度为2.0μm,电极厚度为0.05μm,微环与通道之间的耦合距离为0.1μm.当开关电压为8V时,该器件的插入损耗在2.79～4.31dB范围内,串扰在-20dB以下,消光比在12.5dB以上.     

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）。     

4MV同轴-三平板型水介质自击穿开关的电路模拟与实验

在PTS单路样机上进行了4 MV水介质同轴-三平板型水介质自击穿开关实验研究,开关由3个线性排列的球-板结构的电极间隙构成。根据PTS单路样机部件组成及其结构,建立了单路样机Pspice全电路模型及开关等效电路。给出了开关在自击穿电压3.3 MV和2.9 MV状态下的电路模拟与实验对比,模拟结果与实验结果一致。实验及模拟结果表明,装置和开关模型与参数选取及设置合理,水介质自击穿开关的参数与实际值相近。     

脉冲电压下的自击穿水介质开关击穿特性和电路参数实验研究

 介绍了“强光一号”加速器中两种结构的自击穿水开关，建立了简化的开关电路模型，并通过估算和Pspice模拟确定了开关的电路参数，包括电极间杂散电容、火花通道电感和火花电阻。研究表明开关导通过程中的流注电容效应可以忽略，放电通道火花电感与电阻选取流注导通时刻的值，且在主放电电流传递过程中保持不变。根据实验结果，阐述了两种开关击穿的不同特点：对于局部电场增强型的球-板电极结构的主开关，可以采用J. C. Martin稍不均匀场水击穿经验公式估算临界场强；而棒-板电极结构的多针开关，适合用J. C. Martin针-板击穿模型的水击穿经验公式估算临界场强，且并联工作的9个多针开关可以同时形成独立的放电通道。     

电极构形对形成大面积放电均匀性影响

 设计并制作了空心阴极、钮扣阴极、针阴极和条形阴极，利用CCD照相，在5cm×5cm口径范围内，分别对四种阴极放电的空间均匀性进行了研究。实验表明，在预电离电压800V，主放电电压3kV和气体气压约30Pa的条件下，利用空心阴极放电，能够获得空间较为均匀的放电等离子体。放电等离子体可以用作普克尔盒电光开关的等离子体电极。     

非线性一维光子晶体光开关与光双稳

设计和制备了ZnS/ZnSe叠层共 2 0个周期的非线性一维光子晶体光开关与光双稳器件 理论模拟了波长 5 14 .5nm的氩离子激光 ,在阈值功率密度 1.0× 10 5W/cm2 下 ,完全移出光子禁带 ,实现了光开关 同一器件也可作为光学双稳器件 ,实验测出其阈值功率密度为 1.38× 10 5W/cm2 ,双稳开关时间为 10 0ps 理论与实验结果基本一致     

GaAs1×4Mach－Zehnder型光开关列阵研究

采用非对称Ｘ结耦合器设计并研制了ＧａＡｓ１×４Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ型光开关列阵。简述了非对称Ｘ结和相应的光开关列阵的工作原理及器件的设计和制作过程。在波长为１．１５μｍ的光波下测量单元器件，得到了小于－２０ｄＢ的串音和小于１２Ｖ的开关电压，器件的光波导传输损耗约为７ｄＢ／ｃｍ。文中最后分析了导致器件中串音和损耗的各因素，并提出了可能的改进方法     

4×4自由空间光开关结构及其矩阵分析

光开关是全光通信网络中的一种重要的光无源器件。提出了一种4×4自由空间光开关的结构设计方法,并进行了矩阵理论分析。该4×4光开关具有新颖的光模块化结构,该光开关结构仅由偏振分束组合棱镜,λ／4波片,λ／2波片,直角棱镜,全反镜和偏振光调制器组成,对光开关的控制与输入光束的偏振态无关。所有的输出端口可以和输入端口无阻塞地互连交换。这种新型的光开关结构具有光学元件少,结构紧凑,模块化,与偏振无关的特点。基于4×4光开关的矩阵分析得到了路由控制表,为4×4光开关从任意输人端口到任意输出端口的路由控制状态提供了理论分析手段,从而可以方便地实现无阻塞地光交换开关矩阵的路由控制功能。     

新颖的微流控电调谐空间光开关

提出了一种微流控电调谐非机械空间光开关器件,该器件的基本形式为“光输入阵列+光交换空间+光输出阵列”的结构,采用“水/油/水”液体棱镜作为偏光控制单元.在特定电压范围（30~110 V）内,通过电润湿效应作用的液体棱镜光束偏转角可在约－15°~15°之间连续可调.由此可构造多种平面甚至立体光开关阵列.     

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。     

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.     

氦气压强对单脉冲过程电光开关特性影响的数值分析

根据单脉冲过程电光开关气体放电的微观物理过程,提出了氦气放电的一维数值模型。用数值方法分析了气压对单脉冲过程电光开关的气体击穿、放电电流、KDP晶体两侧电压、开关效率、开关速度、等离子区电子温度及等离子体浓度的影响。数值计算结果表明,气压主要影响开关速度的快慢,而对开关效率的大小影响作用不大。在相同开关脉冲的驱动下,在气压较低的情况下,开关速度随气压增大而变快;而在气压较高的情况下,开关速度随气压增大而变慢。由此得到口径为8cm×8cm电光开关的最佳工作气压为1-4 kPa的结论。     

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。