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。     

激光触发多级多通道开关研究

研制成功了触发延迟时间抖动小于1ns的200kV原理型激光触发多级多通道开关，该开关由Bruce剖面型不锈钢电极构成的激光触发间隙和5-9级冰壶型不锈钢电极构成的等间距环形过压自击穿隙组成。采用了四倍频Nd：YAG激光器为触发源，研究了开关触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量、工作电压、气体种类及气体压强等实验参数之间的依赖关系。     

激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性

 研究了激光触发多级多通道开关的触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验参量的依赖关系，建立了零维数值模拟模型对实验现象进行了理论解释。实验结果表明：触发延迟时间及其抖动随激光脉冲能量、工作电压、气压上升呈下降趋势；随SF₆-N₂混合气中SF₆体积百分含量上升呈上升趋势。欠压比大于等于90%时200kV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟时间抖动小于1ns。     

4MV激光触发多级多通道开关特性

激光触发多级多通道开关是多路并联高功率脉冲装置的首选同步开关，对系统中各路脉冲功率系统的运行时序进行精确控制，以实现脉冲功率的有效叠加。由24个模块组成的10MAz—pinch实验装置（PTS）采用4MV激光触发多级多通道开关作为其系统中的主同步开关。该开关由～级激光触发间隙和21级自击穿间隙组成，采用匀场结构设计（即其所有间隙均为轴对称均匀场分布间隙），触发间隙电极设计为不锈钢Bruce电极；过压自击穿间隙电极设计为不锈钢冰壶型电极。采用场调整环强制调整开关区内的空间电场分布。     

多级多通道气体开关的实验研究

 介绍了多级多通道气体开关的实验研究工作。开关在电脉冲触发（触发脉冲幅值85 kV）条件下,工作电压在1.0～2.0 MV范围内能够正常工作。自击穿实验验证了Bradley经验公式对于这种开关的适用性,外触发实验研究得到了开关的触发特性。结果表明：开关击穿延时小于100 ns,抖动小于8 ns;3个开关击穿时刻之间的极差小于10 ns。     

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。     

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。     

激光触发多级多通道开关研究

 研究了200kV激光触发多级多通道开关的运行机理，该开关在直流电压下以四倍频Nd:YAG激光器为触发源进行的实验结果表明：开关触发延迟时间及其抖动随开关电压、激光能量和充气压力上升呈指数下降趋势，对混合气体则随气体密度上升而上升。随透镜焦距的增大延迟时间及其抖动呈上升趋势。该开关实现了多通道放电。     

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。     

高功率Z-pinch装置5 MV主开关及开关区设计

 基于激光等离子体和过电压波击穿原理研制了应用于高功率“Z-pinch”装置的22级5 MV激光触发多级多通道开关，采用钳位环技术解决了狭小空间的匀场问题，过压自击穿间隙场分布不均匀度约为0.080，激光触发间隙场分布不均匀度约为0.056，由绝缘部件沿面电场强度决定的系统安全系数约为0.8。根据J.C.Martin公式和静电场分析计算结果，解决了高功率“Z-pinch”装置主开关及开关区的工程设计问题。     

200kV/100kA低抖动环轨式多通道场畸变开关

 研制了一种200kV/100kA环轨式场畸变开关。对该开关以Ar，N₂，SF₆及SF₆/N₂，SF₆/Ar 混合气为工作介质的耐压及触发性能研究结果表明：该开关耐压最大偏差小于自击穿电击的4%；欠压比大于等于自击穿电击80%时，抖动极差小于2ns，标准方差抖动小于等于1ns；实现了多通道导通，通道数大于等于3；开关工作范围极大，在欠压比大于等于自击穿电击20%时抖动极差小于2.85ns。     

脉冲功率装置的脉冲形成单元研究

 介绍了所研制的脉冲功率装置的组成、脉冲形成单元的设计以及脉冲形成单元实验研究结果。研究了包含脉冲形成线的绝缘设计校验、装置的脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关的抖动的关系。实验结果表明：在3.6 MV脉冲电压作用下，脉冲形成线的前后尼龙隔板未出现表面闪络等绝缘问题，脉冲形成线的绝缘满足设计要求。主同步开关的抖动1.6 ns，脉冲输出开关的抖动小于3.1 ns，脉冲形成单元的整体抖动小于3.0 ns，满足装置同步性能要求。     

Firing characteristics of a low-jitter miniature laser-triggeredvacuum switch

A miniature laser-triggered high-voltage vacuum switch with a fused KCl and Ni cathode is discussed. The switch uses metal-ceramic construction with a sapphire window in the anode to allow the laser beam to strike the cathode surface. Reliable triggering is achieved with only 20 μJ of laser energy. The switch was operated with a gap voltage ranging from 500 V to 3 kV, with switching currents up to a 5 kA peak. Switch life greater than 1000 shots without performance degradation has been observed on 50 prototype devices. The function time of the switch varies from 10±1 ns at 3 kV to 100±50 ns at 500 V     

μs前沿百kV激光触发水开关的实验研究

开展了百kVμs前沿脉冲作用下激光触发水开关的研究。水开关采用球板电极结构,球头轴向开激光通孔,高压极为平板电极。开关自击穿电压133kV,抖动263ns。实验研究了激光击穿弧长占据间隙不同比例、不同触发能量和不同触发时刻等因素对触发抖动的影响。结果表明激光触发可将抖动有效减小到30ns以内。触发能量高于19mJ时触发抖动与能量大小关系不大。     

用于电磁驱动实验装置CQ-7的多间隙气体开关

基于电磁驱动实验装置CQ-7研制需求,设计了一套6间隙气体开关,开关高131 mm,直径108 mm,总间隙36 mm,开关电感约40 nH。采用模拟软件Ansoft Maxwell计算分析开关电场强度分布,电场分布较均匀,不均匀系数为1.14。开展了开关放电特性研究,充电100 kV条件下,开关放电电流峰值可达70 kA,放电延时约35 ns,抖动3 ns。根据开关自击穿电压值,采用正态分析开关自击穿概率,开关80%安全系数下,自放电概率小于10-4。该开关满足CQ-7实验装置研制需求。     

基于MOSFET的纳秒级全固态脉冲源设计

采用MOSFET半导体固态开关作为主放电开关取代气体开关、高压二极管替代充电电阻的技术方法,设计了一种基于功率MOSFET固态开关的纳秒级全固态脉冲源。设计的脉冲源主开关级数共5级,每级主开关分别由5只功率MOSFET半导体固态开关器件串联组成,开关通断控制采用脉冲隔离变压器同步驱动方式。在重复频率1 Hz~1 kHz、充电电压4 kV、负载阻抗为1 k条件下,可实现输出幅度大于20 kV、前沿小于10 ns且脉宽大于100 ns的高压快脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重复频率（1 kHz）触发信号作用下全固态脉冲源输出的实验结果。     

3 MV自耦式紫外预电离开关的设计

 基于紫外预电离技术和阻容耦合电路研制了应用于高功率装置的三串联3 MV自耦式紫外预电离开关。该开关由紫外预电离间隙和开关主间隙组成。根据同类开关在脉冲电压下的击穿数据推算出3 MV开关的间隙距离,开关主间隙的电场不均匀系数为1.58。采用台阶屏蔽技术使开关有机玻璃筒外沿面最大电场小于50 kV/cm,满足设计要求。设计紫外预电离间隙击穿电压为主脉冲电压的1%,理论模拟计算表明,在0.1～0.7 MPa范围内,预电离间隙电压大于在此范围内间隙击穿电压,保证可靠预电离。     

真空中激光触发脉冲电压下绝缘材料闪络特性

搭建了真空中脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台,在试验平台上进行常用开关绝缘介质尼龙、聚碳酸酯和Al2O3陶瓷的激光触发沿面闪络特性试验,探讨了真空中激光触发沿面闪络的机理。试验结果表明:聚碳酸酯试品的自闪络电压最高;在真空中脉冲电压下的激光触发沿面闪络试验中,随着激光能量密度的增大,3种材料的时延和抖动均减小;532 nm和1 064 nm波长激光触发的条件下,3种材料的抖动均在1 ns左右,聚碳酸酯抖动较小;532 nm波长激光触发的时延小于1 064 nm波长激光触发的时延。