用于LTD模块的多间隙气体开关

针对800 kA,0.1 Hz重复频率LTD模块设计新的多间隙气体开关,要求在较高工作电压(高于80 kV)和较低工作系数(低于70%)下抖动优于2 ns。通过电场仿真分析,优化了气体开关电极形状。串联间隙从4个增加为6个,总间隙长度为36 mm,充电100 kV、触发100 kV时触发间隙场畸变系数为3.98。实验表明,新气体开关静态自击穿性能稳定,动态触发性能可靠。充电90 kV、工作系数60%时击穿延时40.1 ns,抖动1.3 ns。     

±100 kV三电极场畸变气体火花开关

设计了一种用于直线变压器驱动源的三电极场畸变气体火花开关。开关采用SF6气体绝缘,开关尺寸和电感较小,实测开关电感约为67 nH。在工作电压80 kV、工作系数为70%时,开关触发时延为40.0 ns,抖动约2.8 ns。对比研究了钨铜合金和黄铜两种电极材料对开关静态和触发击穿特性的影响,研究结果表明:铜钨合金电极开关的自击穿电压分散性、触发时延及抖动、自放电概率和电极表面烧蚀均小于黄铜电极,更适宜作为三电极场畸变开关的电极材料。     

预电离触发管气体开关特性

利用脉冲火花预电离方式,设计了一种脉冲火花预电离触发的触发管气体开关。开关工作电压等级为100 kV,工作介质采用干燥空气,开关主间隙10 mm,电极材料采用304不锈钢,触发结构设计成盘环嵌套结构。实验结果表明:预电离能够显著减小低工作系数下触发管气体开关的触发时延和抖动。对于ns级快脉冲触发,预电离时刻越早,开关击穿时延和抖动越低。在30 kV/8 ns触发脉冲作用下,脉冲预电离触发的触发管开关在80%工作系数时,平均时延约为40 ns,抖动小于1 ns。     

电极结构对触发管型开关击穿特性的影响

基于600kV触发管型SF6气体开关,设计了三种具有典型电场分布的电极结构,计算分析了各个场分布特点,在-600kV/400ns脉冲电压下对不同电极结构进行了击穿特性实验,分析了场分布对开关击穿特性的影响。实验结果表明:三种结构中平头形电极触发击穿模式与其欠压比相关,触发抖动较小;球头形电极自击穿电压抖动最小,能够稳定工作于长时间触发击穿模式;锥头形电极击穿模式较不稳定,可能与其两个间隙击穿特性较相近有关。     

喷射等离子体触发气体开关导通特性

利用内嵌微孔火花放电产生喷射等离子体、作用于两电极开关,研究了间隙距离、气压、气体种类、开关工作系数和电压极性配合等因素对等离子体喷射控制开关导通特性的影响。实验结果表明,等离子体喷射触发开关可在工作系数为10%的条件下可靠快速导通,当开关采用0.5 MPa_N₂作为绝缘介质、间隙距离5 mm时,触发导通时延为11.7 μs,抖动为1.42 μs;当间隙距离增大到18 mm时,触发导通时延增大至19.7 μs,触发可靠性降低;当工作系数由10%增大到60%时,触发导通时延由11.7 μs降低至1.1 μs。在确保开关自击穿电压一致的前提下,短间隙、高气压、负触发脉冲电压、正工作电压更有利于减小开关触发导通时延。     

新型等离子体喷射触发气体开关

为了提高气体开关的同步性,降低自放电概率和抖动,提出并设计了一种新型等离子体喷射触发气体开关。开关整体结构与传统的三电极场畸变开关相似,最大特点是在触发电极内部嵌入一个微型激励腔,用于产生等离子体喷射。研究了触发电压和气压对等离子体的喷射特性的影响,对比场畸变和等离子体喷射两种触发方式下开关触发特性的差异,并研究触发电压对开关性能的影响。实验结果表明:等离子体喷射高度随触发电压的升高而增加,随气压的升高而降低;采用等离子体喷射触发能够显著降低过压间隙的延时和抖动;提高触发电压不但降低开关的抖动,而且还扩展开关稳定触发的工作范围;当触发电压80kV,工作系数27.4%,开关仍然能够可靠触发,延时和抖动分别为97.1ns和3.5ns。     

较高场畸变系数的大电流三电极气体开关

气体开关作为脉冲功率装置的关键部件,其自击穿概率以及触发放电延时抖动对整个脉冲功率系统具有至关重要的影响。降低开关工作系数有利于提高开关稳定性,但延时抖动会随之增大。针对用于磁驱动实验的10 MA级大电流装置应用需求,设计了一种具有较高场畸变系数、能在较低工作系数条件下稳定工作的三电极气体开关,并开展了该开关的性能研究。模拟与实验结果表明：在触发电压与充电电压相当的条件下,开关的场畸变系数接近4,开关工作系数高于60%时,开关具有较低的延时抖动,抖动均方根小于3 ns。结合该开关设计了一个两级Marx储能模块,充电电压±50 kV条件下短路放电,模块回路放电电流峰值达到150 kA、周期2μs。上千次放电实验后,开关电极表面未发生明显烧蚀,工作正常。工作系数68.5%时,共计4 000发实验中未出现自放电现象,自击穿概率低于2.5×10-4。上述结果表明该开关可满足300～400只开关同时工作的大电流装置需求。     

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。     

兆伏级重复频率三电极气体开关工作特性研究

 以“CHP01”加速器为实验平台，对自行研制的重复频率三电极气体开关的工作特性开展了实验研究，并对实验结果进行了分析。研究结果表明：开关在自击穿工作下的工作稳定性远小于触发工作时，开关工作范围与触发针位置和气压等因素有关；开关电压选择在自击穿电压的大约80％时，开关抖动小、误触发率低，具有较好的工作特性。     

气体火花开关重复频率特性的实验研究

气体火花开关在重复频率脉冲功率技术中具有广泛的应用,影响气体火花开关绝缘恢复与重复频率工作性能的因素众多。实验研究了气体火花开关的能量沉积和气压对开关重复频率指标的影响,给出了气体火花开关绝缘恢复时间与气压及开关导通功率的关系式,初步分析了气体开关击穿通道在自然散热(不吹气)条件下,重复频率稳定工作的最高功率与重复频率指标、气压的关系。     

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

 基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台,运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关,对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究,结果表明：重复频率小于50 Hz时,火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于5%,不需要吹气;在给定吹气速度下,火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率;火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度,且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系,并可由实验确定;在优化吹气速度条件下,当气压处于0.7~1.5 MPa范围时,该火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于3%;在2.0 MPa的压强范围内,该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300 Hz,击穿电压400 kV。     

氮气介质高气压开关特性

从理论分析、软件模拟、实验研究等方面研究了氮气介质高气压开关的工作特性。根据强度理论计算所设计并加工的开关的理论压强可达10 MPa。对氮气介质高气压开关进行实验,得到在气压范围2,4,6 MPa、电极间隙0.1,0.5,1.0 mm时,气隙的击穿延时小于14 ns,抖动小于1 ns;在气压2 MPa、电极间隙0.1 mm时50%击穿电压约为34 kV。与常压空气开关相比较,该开关具有很好的稳定性和绝缘特性。     

Factors affecting and methods of improving the pulse repetitionfrequency of pulse-charged and DC-charged high-pressure gasswitches

The results of this paper describe some of the factors which affect the repetitive operation of high-pressure gas switches (spark gaps) for both pulse-charged and DC-charged operation. Also discussed are methods which may be employed to improve the pulse repetition frequency (PRF) of spark gaps operating under such conditions. Under pulse-charged conditions, the voltage recovery process of the spark gap has been shown to be restricted following partial density recovery by the residual ion population. This restriction may be minimized by applying a suitable bias voltage across the gap to remove the ion influence. It is also possible to manipulate the voltage-pressure (V-p) breakdown characteristic of a spark gap in order to improve the rate of rise of recovery voltage by reducing the recovery voltage dependence upon gas pressure. The combination of these effects has been shown to reduce the voltage recovery time of pulse-charged spark gaps from several hundred milliseconds to several milliseconds. Under DC-charged conditions, where no “dead time” is available for voltage recovery, it is possible to employ corona discharge effects, which occur in highly nonuniform fields, to stabilize and control the breakdown process. The use of corona stabilization has enabled the operation of a self-closing spark gap at a PRF of more than 5 kHz, without employing gas flow techniques. A triggered version of a corona-stabilized spark gap has also been developed which has demonstrated single run capabilities of 10⁷ (4 h continuous operation at 700 pps) and a lifetime of ~10 shots (maintenance free, sealed switch). The triggered corona switch has also demonstrated controlled switching up to a PRF of 1.2 kHz     

氮气火花开关击穿机制的理论和数值研究

三电极气体火花开关带有触发极,相比两电极开关,其开关导通的可控性较高,工作电压较低且抖动小,所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛.本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究.通过理论和数值计算发现,对于平板-平板的两电极开关来说,低电压下(小于6.3 kV)无法产生流注击穿,高电压下(大于6.3 kV)会先形成由阴极到阳极的负流注,然后再形成由阳极向阴极的正流注.而在三电极开关的击穿过程中,首先会在触发极和绝缘体之间发生击穿,然后这个通道不断向阴阳极扩展,最终形成阴阳极之间的电弧通道.在本文的计算工况下,如果需要阴极-触发极、阳极-触发极同时击穿的话,其阴极-触发极之间的外加电压需要大于1.18 kV,而阳极-触发极之间的外加电压需要大于3 kV.当考虑触发极的场致发射后,该击穿阈值可以显著降低.     

触发电压对±100 kV多级多通道开关性能的影响

 研制了一种用于快脉冲直线型脉冲变压器的±100 kV多级多通道火花开关,研究了触发电压极性、幅值对多级多通道火花开关触发性能的影响,分析了不同触发电压下开关各部分延时及抖动。研究结果表明：触发电压的极性对双极性多级多通道火花开关触发性能影响较小;开关的触发放电延时和抖动随着触发电压的增大而减小。进一步分析了多级多通道火花开关的触发击穿模式以及影响开关击穿延时和抖动的主要因素,提出了减小开关触发击穿延时及抖动的技术途径。     

Marx发生器建立时间及抖动实验研究

 Marx发生器建立时间及抖动与Marx发生器中球隙开关的工作状态有关，同时与开关的触发电压幅值及极性有关。通过实验获得了Marx发生器建立时间及抖动最小时最佳工作状态的相关参数。天光一号电子束加速器从同步机发出指令信号至主Marx输出，总的延时及抖动为（1629±8.4）ns，满足MOPA系统建立时间抖动小于20ns的要求。     

直流场畸变开关中混合气体击穿特性

氩气中一般含有大量亚稳态原子,在强外电场作用下容易产生自由电子,能够促进放电通道快速形成。采用场畸变型气体开关,在直流电压下设计了实验平台来探究气体开关中采用SF6-Ar或N2-Ar混合气体后放电时延及抖动的变化情况。改变多种气体状态进行一系列实验,并得出场畸变气体火花开关中SF6-Ar及N2-Ar的击穿特性,根据工程需要对气体种类及混合比例进行最优化设计。实验表明SF6-Ar中Ar质量分数达到20%及以上时,开关放电时延及抖动明显减小。     

Laser Interferometric Measurements of a Laser-Preionization-Triggered Spark Column

A KrF laser (248 nm) is used to volume preionization trigger a 40-100-kV, > 10-kA, 100-ns spark gap switch. This method of triggering creates reproducible and axisymmetric spark columns having low temporal and spatial jitter. A short pulse (< 5 ns) tunable dye laser and a Mach-Zehnder interferometer are used to obtain spatial and temporal measurements of the spark column. The spatial resolution of the interferograms is better than 5 ?m. The fringe shifts of the interferograms are used to calculate the electron and heavy particle density distributions within the spark column as a function of time during the spark. Results are presented for sparks in 5-percent SF6/ 20-percent N2/75-percent He and 1-percent Xe/99-percent H2 gas mixtures. Dc and pulsed self-breakdown voltages are also measured in order to provide a reference for the laser-triggered results. Data on laser-triggering reliability and spark breakdown delay time are also presented.     

High Repetition Rate Miniature Triggered Spark Switch

A miniature triggered spark switch designed to operate at high repetition rates has been constructed. The device, along with associated triggered circuitry, has been incorporated into a simple LC generator which produces an oscillatory discharge at a frequency of 150 MHz. The switch is operated in the pressure range 760 torr-2.6 × 103 torr using commercial dry nitrogen as the working gas. Both brass (70/30) and aluminum (99.95 percent) electrodes were investigated for repetition frequencies as high as 20 kHz and for gas flow rates as high as 8 cm3/s. The effect of repetition rate on switch jitter and switch breakdown voltage is presented and discussed in terms of gas pressure and flow rate.