可调间隙亚纳秒气体开关的研制

 设计了一种高工作电压、高重复频率的亚纳秒气体开关,该开关由Peaking间隙和Chopping间隙组成,可以将纳秒信号转化为亚纳秒脉冲。开关腔外有两组调节旋钮,分别用来调节Peaking间隙和Chopping间隙,使输入脉冲的前后沿能同时得到锐化。对设计的开关进行的实验研究结果表明：在系统重频5 Hz运行时,开关能稳定输出电压278 kV、脉宽620 ps的脉冲;在系统重频100 Hz运行时,开关能稳定输出电压270 kV、脉宽700 ps的脉冲。     

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。     

用光激开关产生高功率亚纳秒电脉冲的研究

 报道了用全固态绝缘结构研制的横向型半绝缘GaAs光电导开关产生高功率亚纳秒电脉冲的性能和测试结果。8mm电极间隙的开关暗态绝缘强度达30kV。分别用ns, ps和fs激光脉冲触发开关的测试表明,开关输出电磁脉冲无晃动。3mm电极间隙开关的最短电流脉冲上升时间小于200ps,脉宽达亚ns;在偏置电压2000伏,光脉冲宽度8ns、能量1.2mJ的触发条件下,峰值电流达560A。用重复频率为76MHz和10⁸Hz的光脉冲序列触发开关也获得清晰的电流脉冲序列。     

用光激开关产生一高功率亚纳秒电脉冲的研究

报道了用全固态绝缘结构研制的横向型半绝缘GaAs光电导开关产生高功率亚纳秒电脉冲的性能和测试结果.8mm电极间隙的开关暗态绝缘强度达30kV.分别用ns,ps和fs激光脉冲触发开关的测试表明,开关输出电磁脉冲无晃动.3mm电极间隙开关的最短电流脉冲上升时间小于200ps,脉宽达亚ns;在偏置电压2000伏,光脉冲宽度8ns,能量1.2mJ的触发条件下,峰值电流达560A.用重复频率为76MHz和108Hz的光脉冲序列触发开关也获得清晰的电流脉冲序列.     

高压氢气亚纳秒开关击穿特性

 在超宽谱脉冲产生辐射系统或脉冲功率源中,常用高压气体开关来产生快脉冲沿的高功率电磁脉冲。为了研究高压氢气亚纳秒开关的击穿特性,通过实验研究了氢气开关在高气压和短间隙距离条件下的击穿特性。开关输入脉冲的峰值幅度约220 kV,脉宽3～4 ns。氢气气压4～13 MPa,间隙距离0.4～1.2 mm。结果表明：开关击穿电压随气压升高而增加,且开关气压达到11 MPa后击穿电压随气压增加的趋势变缓;开关击穿电压随间距增加而增加,平均击穿场强随间距增加而减小,氢气开关平均击穿场强分布在3～7 MV/cm之间;开关导通时间随气压增加略有减小,随间隙距离增加有小幅增加。     

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。     

X波段重复频率GW级超辐射相对论返波管

运用超辐射机理,通过粒子模拟设计了X波段超辐射相对论返波管,并在小型Tesla脉冲源平台上开展了实验研究。通过空间功率积分和直接对辐射微波时域波形的分析得到实验结果:在束压350 kV、束流4.8 kA、脉宽3.1 ns、引导磁场2.2 T条件下,产生的微波辐射功率1.4 GW,中心频率9.36 GHz,脉宽500~700 ps,辐射模式为TE11,能在重复频率100 Hz下稳定运行。功率转换效率超过80%。实验结果与粒子模拟结果比较吻合,成功实现了在短脉冲条件下产生重复频率、亚纳秒脉宽、GW级微波辐射。     

1GW超宽带单周期脉冲辐射源实验研究

 利用600kV铁芯充电脉冲变压器和压缩开关,作为初级脉冲功率系统和亚纳秒单开关技术,产生了峰值功率1.6GW、脉冲全底宽5.5ns的单周期脉冲,可在高于20Hz重复 频率下稳定运行。设计了同轴双锥天线,辐射功率大于500MW。初步掌握了产生和辐射高峰值功率超宽带脉冲的绝缘和能量损耗,特别是50Ω超宽带负载设计等技术难题。     

紫外超短脉冲激光的单次测量

 利用瞬态光栅衍射法研制了一台单次频率分辨光学开关激光参数测量仪,可以对脉宽范围在10 ps以内的紫外超短脉冲激光进行单次测量。利用该仪器对重复频率为10 Hz的放电泵浦和单次运行的电子束泵浦KrF准分子激光器的输出脉冲分别进行了单次测量,结果表明：对于放电泵浦,当系统工作在零啁啾附近时,脉冲波形和光谱分布较规则,相位分布起伏较小,当系统偏离零啁啾状态时,脉冲波形和光谱分布不再规则,并且相位分布为抛物线结构;对于单次运行的电子束泵浦,脉冲波形具有多峰结构,光谱具有复杂的调制,脉宽约为2 ps,带宽约为1.3 nm,相位分布为抛物线结构。     

可控制变频率微片激光器

 用20 W光纤耦合LD作为泵浦光源，对Nd^{3+sup>:YVO_{4/sub>微片进行了增益开关实验，获得了可控制变重复频率（1 Hz～25 kHz）的调Q激光输出。输出脉冲激光的宽度为16 ns，输出的峰值功率在几W。从速率方程出发进行了增益开关理论研究，通过数值解，分析了输出激光特性：当泵浦电流高于产生单脉冲的电流时，增加泵浦电流将在一个泵浦脉宽中出现多个激光脉冲输出；增加泵浦脉宽，将在一个泵浦脉宽中出现多个激光脉冲输出，泵浦脉宽越大，子脉冲个数越多；当增加重复频率时，输出与泵浦激光重复频率完全一致的激光脉冲，但也将在一个泵浦脉宽中出现多个激光脉冲输出。}}     

气体开关前沿陡化的实验研究

气体开关是脉冲功率技术中广泛应用的关键部件之一,高功率、高性能气体开关的技术研究及设计具有重要意义,陡化前沿是开关技术研究的重要内容。分析了气体开关的击穿机理和击穿通道的分布规律。对气体开关充分"老练",开关击穿点和击穿通道将相对稳定,实验研究了开关间距和电场对脉冲前沿的影响。击穿电场较低时,减小开关间距有利于陡化脉冲前沿;击穿电场较大时(大于180kV/cm),开关间隙(电感)对输出脉冲前沿的影响减弱,气体开关的击穿电场成为影响输出脉冲前沿的关键因素。研究结果表明,增大开关的击穿场强,是陡化开关脉冲前沿的有效途径。     

绝缘栅双极晶体管固体开关技术研究

 采用二只1.2kV,75A的绝缘栅双极晶体管（IGBT）串联，对用于加速器的IGBT固体开关技术进行了研究；通过采取动态电压和静态电压平衡措施来解决IGBT串联中的瞬态电压平衡问题。在不同工作条件下，串联IGBT开关工作性能稳定，重复性好。在纯阻性负载上得到了上升时间约300ns、下降时间约164μs、峰值电压1.8kV的输出。     

微型平面式气体火花开关的设计和制作

基于表面微加工技术,设计并制作了一种微型平面式气体火花开关,其尺寸仅为1.5 cm0.5 cm,对制作的微型火花开关进行电路测试,得到其输出电流峰值约为3 450 A,上升时间164 ns。结合实验结果,对开关器件进行电路系统仿真并提取参数,得到系统电感为26.5 nH,电阻为0.066 ,与传统机械结构的立体式火花开关相比,器件参数得到显著优化。     

10kV绝缘栅双极型晶体管固体开关的研制

 采用8只IXLF19N250A绝缘栅双极型晶体管串联研制成功了10kV固体开关。试验表明：该固体开关最高输出电压为14kV，最高输出脉冲电流为20A、输出脉冲宽度可在2~112μs之间以1μs步长变化，脉冲重复频率范围为1Hz~4kHz，短时间可以工作到8.6kHz。     

“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时,火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象,直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此,对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析,用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计,有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度,其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm,阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm,绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理,降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。     

石墨型高能两电极气体开关

 为大型激光装置能源模块研制了一种采用石墨电极的两电极气体开关,阐述了石墨应用于高能两电极气体开关的技术关键,对气体开关中气体间隙的最优结构进行了电场强度分析。参考美国国家点火装置(NIF)能源模块中ST-300气体开关的已知参数,对研制成功的石墨型两电极开关进行了电气特性试验,证明了石墨型气体开关能够实现峰值电流达300 kA以上,单次转移电荷量100 C以上,寿命超过1 000次,满足1.2 MJ大型激光装置能源模块的工程技术要求。     

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。     

高增益双层组合GaAs光电导开关设计与实验研究

设计制备了一种由双层半绝缘GaAs:EL2晶体组成的新型超快光电导功率开关.由于触发状态下双层GaAs晶体之间满足动态分压关系,使该开关在强电场偏置下触发时,双层GaAs晶体既能先后发生高增益过程,又能相互抑制对方进入锁定状态,开关输出为近似方波的双峰脉冲.因此,这种开关的工作方式既具有非线性模式特有的所需触发光能小、上升速度快等优点,又具有线性模式特有的重复工作频率高、使用寿命长等优点.偏压6500V时用脉宽8ns、能量3mJ的1064nm激光触发,输出电脉冲的上升沿为13.2ns,下降沿为54.6ns 关键词： 光电半导体开关 高增益 锁定效应