100 GW直线变压器驱动源的物理设计与模拟

 基于已有四开关组直线变压器驱动源(LTD)模块设计了对1 Ω负载输出电流100 kA、脉冲上升时间小于60 ns的八开关组LTD模块,该模块采用轮辐式结构,由8个储能电容、气体开关、峰化电容器组并联向中心负载放电。在此基础上,给出了峰值功率100 GW、共10级的LTD装置的物理设计,该装置为同轴感应电压叠加型脉冲发生器。通过电路模拟和PIC模拟,对物理设计进行了检验,结果表明：10级八开关组100 kA LTD模块串联可使10 Ω负载获得超过100 GW的功率输出,脉冲上升时间小于60 ns,所选取的结构和参数能保证电子流的磁绝缘,高压脉冲能有效传输到负载。     

快脉冲直线变压器驱动源模块的原理及实验

 介绍了直线型变压器驱动源（LTD）产生快脉冲的基本原理及技术优势，阐述了快脉冲LTD模块设计的要点，设计了输出脉冲上升时间小于100 ns的快脉冲LTD模块，并进行了初步的实验研究。实验得到该LTD模块充电±16 kV时，短路放电的电流峰值为23.7 kA，电流振荡1/4周期为69.6 ns；充电±50 kV驱动0.85 Ω负载时，电流峰值为41.4 kA，上升时间为36.8 ns（10%~90%）和60.8 ns（0~100%）。     

100kA快脉冲直线变压器驱动源模块

介绍了100 kA快脉冲直线变压器驱动源原型模块及其采用的200 kV多级多通道气体开关的设计和初步实验结果。该模块由20台100 kV/20 nF电容器按10个支路并联组成,其中每个支路包括2台电容器、1只多级多通道开关以及相应的传输线。模块直径约1.5 m,厚度仅为20 cm。采用B-dot探针诊断负载电流。当充电电压为±90 kV时,在1.1Ω负载上可得到102.2 kA的峰值电流,上升时间为53.6 ns,脉冲宽度为133 ns。实验结果表明,该快脉冲直线变压器驱动源模块具有较好的快脉冲输出能力。     

Z箍缩直线变压器驱动源原型模块设计

介绍了用于Z箍缩驱动器的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)原型模块设计和初步实验结果。该模块采用32个子块并联,每个子块由两台100kV/100nF脉冲电容器和一只200kV多间隙气体开关串联组成。32只开关由4路高压脉冲分别触发。模块直径为2.9m,厚度约27cm。电路模拟结果表明,在±90kV充电电压下,输出电流幅值为1.0MA,电流上升时间(10%~90%)约118.6ns。初步实验结果表明,在约90mΩ近似匹配电阻负载上获得的电流为995kA,上升时间(10%~90%)为120.8ns,脉冲宽度约335.2ns。实验结果与电路模拟结果较为接近。     

0.1 Hz 800 kA驱动源模块研制北大核心CSCD

介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)能源的重复频率800kA快上升沿的线性变压器驱动源(LTD)模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100kV/40nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100ns的800kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140kV、25ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10s输出一个80kV/800kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2kA、脉宽30!s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3ns。     

快前沿直线脉冲变压器驱动源模块中开关同步对放电电流的影响

介绍了4支路并联快前沿直线脉冲变压器驱动源(FLTD)模块的初步实验结果,在工作电压160 kV时,次级短路放电电流幅值达到103.4 kA,电流前沿为78 ns(10%~90%)。利用微分环测量了4只开关在工作电压120 kV时的同步情况,研究分析了开关同步对放电电流幅值和波形的影响。开关同步小于15ns时,放电电流幅值变化不明显,电流幅值的标准偏差约3.62 kA,电流波形没有明显畸变;开关同步15~25ns时,放电电流幅值略有下降,电流幅值的标准偏差约8.59 kA,电流波形有一定程度畸变;开关同步大于25ns时,放电电流幅值明显降低,电流的标准偏差显著增大,电流波形发生严重畸变。     

1MA直线型变压器驱动源模块设计

介绍了输出电流幅值为1 MA,电流上升时间为100 ns的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)模块的设计。模块由48个子块并联组成,每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发,每路高压脉冲(100 kV/50 ns)触发6个开关。电路模拟显示,在充电90 kV条件下,输出电流幅值为1.04 MA,电流上升时间为84.5 ns(0~100%)和52 ns(10%~90%)。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础,开关的工作条件与已研制成功的100 kA-LTD模块中的开关工作条件近似,模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全,能够保证模块达到设计要求。     

快前沿直线脉冲变压器单级模块开关触发时延分散性实验研究

针对12支路并联的快前沿直线脉冲变压器单级模块,给出了模块的电路结构和关键器件参数,实验获得了12只多间隙气体开关的自击穿特性和触发特性。同时,还给出了快前沿直线脉冲变压器模块输出电流的初步实验结果,工作电压150 kV时,次级短路放电电流幅值为235 kA,电流前沿88.2 ns（10%~90%）。次级带0.58 负载情况下,输出电流幅值114.5 kA,电流前沿88.9 ns（10%~90%）。利用微分环测量了12只开关的触发时延分散性,结果表明100次实验开关触发时延分散性近似符合正态分布,开关触发时延分散性对输出电流的影响不大,电流幅值和前沿的标准偏差分别小于2.0%,4.0%,电流波形的畸变主要以平顶为主。     

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。     

开关放电分散性对FLTD模块输出的影响模拟

建立了包含开关放电分散性的电路模型,模型通过电压控制开关和自击穿开关模型的结合,可对开关抖动及支路间放电的相互影响进行模拟,利用研制的300kA单级直线型变压器驱动源(FLTD)模块进行了实验验证,模拟结果与实验相吻合。进而针对设计的20支路FLTD模块建立了电路模型,模拟分析了模块支路开关放电分散性对输出电流峰值和上升沿的影响,模拟结果表明,开关抖动小于5ns时对模块输出影响较小。     

300 kA直线型变压器驱动源模块实验研究

介绍了14支路并联的300 kA百ns直线型变压器驱动源单级模块的结构和关键部件。模块通过采用双端引出电极电容器以及小型多间隙串联气体火花开关,可以并联更多的支路数,减小回路电感,提高储能密度;通过采用非晶磁芯,减小磁芯损耗,提高模块耦合效率。实验研究了初级气体开关工作系数对模块输出的影响,实验结果表明:模块开关电压工作系数达到0.7,多间隙串联开关才能较好同步放电;给出了快直线型变压器模块的初步调试实验结果,在模块充电90 kV,开关气压0.32 MPa情况下,匹配负载电流峰值可达到302 kA,上升时间约100 ns,负载上获得的峰值功率为23 GW。     

大电流两电极气体开关研究

 由于引燃管难以满足现在能源系统对放电开关承受大电流的要求，因此研制了大电荷转移量两电极气体开关。这种新型气体开关电极间距可调，无触发极，采用同轴结构，并将主电极置于金属腔体内，减少了放电对绝缘支撑的污染。主电极为铜钨合金材料，设计为平顶圆柱状，以提高烧蚀均匀度和热传导效率，减少电极材料喷溅，延长其寿命。绝缘支撑采用碗状结构，提高了机械强度，增加了沿面击穿距离。该开关工作电压达25 kV，放电电流超过100 kA（脉冲宽度600 μs），单次脉冲电荷转移量达50 C。实验结果显示该气体开关触发性能稳定，电极表面烧蚀均匀，多次大电流实验后电极表面保持完好，可应用于强激光能源系统。     

40路可扩展高压脉冲触发器

直线变压驱动源(LTD)代表一种新型电路拓扑结构,将储能电容分解为容量很小的单元,能够直接输出快脉冲,而且降低了基本器件所承受的电压和导通的能量,为重频长寿命的大型驱动器研制开辟了道路,因而成为下一代大型Z箍缩聚变能源驱动器的主流技术。LTD的设计思想是一种矛盾转移,将难点从极高电压极高电流的闭合开关转移到大阵列开关的同步触发,因此,触发技术成为研制大型LTD型驱动器的重点。提出了一种可扩展的触发技术,以小型Marx发生器作为初级储能源,利用水介质脉冲形成线作为脉冲形成单元,激光触发气体开关作为输出开关,通过高压电缆匹配输出高压脉冲。给出了输出40路高压脉冲的触发器单元的设计和初步实验结果,Marx充电±60 kV时,触发器单元在75 Ω匹配电阻负载输出电压峰值为106 kV,上升时间约27 ns(10%~90%),半高宽约110 ns。作为输出开关的四个激光触发气体开关在~70%工作系数、激光总能量55 mJ的条件下,导通时间差异小于3 ns。     

Z箍缩初级实验平台的激光触发系统

介绍了Z箍缩初级实验平台激光触发系统的设计和单路样机验证实验结果.采用12台激光器、24个激光触发主开关来实现24路电流脉冲的精确同步,由Nd:YAG四倍频脉冲激光来触发开关,采用水平分光将一台激光器的激光脉冲等分为两束激光,激光聚焦后分别触发相邻的两路主开关.单路样机验证实验获得的激光脉冲的抖动极差小于等于3 ns.主开关的抖动极差小于等于5 ns,3台激光器之间的抖动极差小于等于3 ns.实验结果表明:在主Marx充电电压小于等于75 kV时,光路管道双隔离气室具有良好的绝缘性和密封性;激光光路系统稳定可靠;能量为100 mJ、脉冲宽度为7 ns的266 nm激光经过分光后,能够满足Z箍缩初级实验平台的设计要求.     

“聚龙一号”装置24路模块精确控制技术

介绍了Z箍缩初级实验平台“聚龙一号”装置24路模块的精确控制技术和实验结果, 通过采用24个激光触发开关来控制24路模块的精确导通, 实现了对“聚龙一号”装置输出电流波形的精确控制和调节。24个激光触发开关由12台Nd: YAG四倍频脉冲激光器来触发, 每台激光器分光后触发2路激光开关。实验结果表明: 24路激光之间的抖动小于1.0 ns, 激光开关的抖动小于1.5 ns,“聚龙一号”装置在主Marx充电电压为65 kV时, 当24路模块同步导通时,获得负载电流9.8 MA, 电流前沿上升时间(10%~90%)为75 ns;在24路模块分时放电时,实现了对电流波形的精确调节,电流前沿上升时间(10%~90%)可以拓展到600 ns, 对应的负载电流峰值为5.5 MA,电流波形的模拟值与实验测量结果基本一致,在相同负载和实验条件下,获得的电流波形具有很好的重复性。     

PTS装置工作模式及波形调节

为了对即将建成的PTS装置的实验能力进行分析,对装置的工作模式及波形调节能力进行了分析。装置具有三种工作模式:短脉冲模式、长脉冲模式和波形调节模式。在不同的工作模式下,装置可以进行不同负载的实验研究。在基本工作模式下,在15 nH负载上输出前沿90 ns、幅值8~10 MA脉冲电流。通过电路模拟,对装置在三种工作模式下预计的负载电流输出进行了分析,短脉冲模式下装置负载电流的上升时间约90 ns,长脉冲模式时约200 ns,波形调节模式时可以达到400 ns。模拟结果表明,通过调节激光触发气体开关的触发方式和脉冲输出开关及装置其他参数,PTS装置可以输出脉冲前沿100~400 ns、波形形状在一定范围可调的强电流脉冲。