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。     

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。     

2.0 MJ脉冲功率源的500 kA气体开关系统

介绍了用于2.0 MJ激光泵浦源的新型高功率闭合开关系统的主要功能部件及其设计、研制和测试过程,分析给出了该气体开关系统的关键器件设计所依据的数学原理。在2.0 MJ电容储能的模拟脉冲电源平台上的实际测试表明,该气体开关系统的峰值通流能力达到500 kA,单次放电转移电荷量不低于150 C,累积寿命超过200 kC,理论上能同时支持20对（40只）氙灯工作。开关本体的石墨电极头还可以更换,能进一步延长寿命。该气体开关系统的总体性能接近同期国外同类型产品的指标要求。     

横向电容自耦式紫外预电离开关

对紫外预电离技术在气体开关方面的影响进行原理研究,分析并实验验证电容并联的横向辅助电极对主开关进行紫外预电离的可行性。辅助电极击穿释放紫外光,通过光电效应在主开关表面产生初始电子,以减小主开关的击穿电压离散度。预电离效果与辅助电极击穿导通电流的峰值强度、辅助电极两端的电压以及预电离储能电容有关,优化这些参数可以提高光照强度来增强预电离效果。实验结果表明:当主开关内部充满氮气、分压电容为pF量级时,距离主电极15 cm远的横向辅助电极可以产生预电离效应。在此基础上,提出一种新型的横向型电容自耦式紫外预电离开关的设计。     

一种多组电极的高功率多脉冲气体开关

 设计了一个有3组电极的开关，给出了开关的结构，分析了多组电极共存的可行性和开关内的电场，利用通用电路模拟软件对通过开关的电流进行了计算。此开关在单组电极导通时，耐电压约为50kV，电流100kA以上，电流脉宽约20μs；在间隔1ms，脉宽为μs级的预触发脉冲触发下，开关能在电感负载中产生间隔为1ms的3个电脉冲，实验测得平均峰值电压约38kV，电流约100kA，脉宽约20μs。     

不同电流下气体开关电极烧蚀特性实验研究

在不同短路电流条件下,进行了不锈钢(1Cr18Ni9Ti)电极气体火花开关连续多次自击穿放电实验,通过测量电极质量损失、表面粗糙度和自击穿电压的变化,研究电极烧蚀特性及其对自击穿性能的影响。实验结果表明:随着放电电流峰值和周期增大,电极材料烧损速率与电容电荷量呈线性增加,而电极表面烧蚀粗糙度与电流峰值呈线性增大,自击穿电压变化达到峰值和稳定区的放电次数减少,但稳定阶段的自击穿电压值及其相对标准偏差同时减少,五种放电电流情况下,自击穿电压概率密度分布均遵循高斯函数。     

自触发紫外预电离开关脉冲击穿时延抖动影响因素及改进方法

研究了一种自触发紫外预电离开关击穿时延抖动特性的影响因素,结果表明:触发间隙电容放电阶段起预电离作用时,预电离注入时刻开关电场是开关时延抖动的决定性因素,提高工作系数和采用逸出功更低的电极材料对降低开关在脉冲峰值附近击穿时的时延抖动效果有限。提出的改进方法为:减小开关均压电阻阻值,显著延长触发间隙的有效燃弧时间,消除预电离注入时间及抖动的影响。采用改进方法时可以使开关在工作电压300～800 kV、前沿100 ns、180 ns的脉冲峰值附近击穿时的时延抖动分别小于1.3 ns、2.8 ns。     

等离子体电极电光开关大面积辉光放电的产生及其特性

 在电光开关的晶体两侧，用辉光放电产生的高电导率透明等离子体作为施加开关脉冲电压的电极，可大大增加开关的通光口径。利用设计建造的一个80mm×80mm口径的等离子体电极电光开关，研究了用于电光开关中的大面积辉光放电的产生方法及放电特性。描述了等离子体电极普克尔盒的结构、放电室和电极的几何尺寸、放电电路及其参数，实验观测了预电离和工作气压对放电的影响。     

闪光二号加速器气体主开关同步触发系统

 设计并调试了闪光二号加速器气体主开关同步触发系统。该系统主要由同步控制部分和高压脉冲形成部分构成。整个触发过程包括同步信号的引出、整形滤波、快速比较电路传输、前级脉冲形成、高压脉冲产生。通过对同步信号的整形处理，解决了发生器电流上的高频信号干扰问题；经过快速比较电路和前级脉冲后，选取了同步信号开始工作的时间点，并形成十几V的触发信号；高压脉冲形成部分主开关采用场畸变结合预电离的方式，该结构的气体开关时间响应为50 ns，抖动小于5 ns，满足使用要求。调试结果表明:该系统输出脉冲电压幅值100 kV，前沿小于10 ns，系统的工作时延440 ns，抖动13.5 ns；可通过增加电缆长度来控制触发信号到达气体开关的时刻，实现气体主开关与Marx发生器的延时同步工作。     

LaB6在低压强氮气和氦气中的放电特性

研究了LaB6在1~10 Pa氮气和氦气中的直流和脉冲放电特性以及放电过程对电极的影响。结果表明，电极直径为5 mm的LaB6氦气放电管在脉冲工作状态下可以长期稳定放电。在脉冲电压为2.2 kV、脉冲宽度10 ms、频率13.3 Hz下，脉冲峰值放电电流超过120 A。氦气放电管在放电过程中，阴极表面有离子的清洗和活化作用，可以使电极的表面逸出功降低，提高放电管的发射能力和稳定性。LaB6作为气体放电电极具有寿命长、延迟时间短、放电电流大等优点，可用于重复强流脉冲气体放电的高压高速开关器件。     

两电极气体火花开关触发系统

 两电极开关取消了触发电极,需要靠过压触发,要求触发电压的幅值高,上升前沿快。为了满足两电极大电流气体开关对触发电压的特殊要求,介绍了一种用Marx作触发器的触发系统。该系统由8级Marx发生器构成,由电源开关、隔离变压器、L-C充电电路、采样控制电路、光纤控制电路和触发电路组成。Marx发生器采用了低电感电容器和同轴结构布局,减小了电感,触发电压达到120 kV,上升沿小于30 ns。对触发系统建立了PSpice电路模拟,仿真波形与实测波形基本一致。将该触发装置用于200 kA大电流气体开关试验,试验结果表明该触发装置能稳定触发气体开关,操作安全可靠。     

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.     

±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。     

高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

 设计了一个两电极气体火花开关，开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极，以及金属外壳和绝缘支撑外壳，两电极结构取消了触发极，消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV，单脉冲能量1.2 MJ，峰值电流300 kA，单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV，开关的通流180 kA，电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠，电极烧蚀均匀。     

多间隙气体开关的电场分布特性

为了寻求可用于快前沿直线型变压器驱动源最理想的多间隙气体开关结构,利用有限元分析软件模拟计算了几种不同电极结构气体开关内各间隙在开关触发前后的电场分布,并利用新型开关电路模型研究了气体开关触发导通前均压措施对开关内部各间隙电场分布均匀性的影响,以及触发后各中间电极对主电极杂散电容与气体开关内电场分布规律之间的关系。结果表明:圆形环状结构电极有利于形成稳定的多通道放电,降低开关的电感及抖动;在开关各个间隙之间并联相同阻值的电阻可以有效地改善开关直流耐压特性;在开关触发导通时,各间隙的电压分布主要与触发电压的上升时间、各个电阻及杂散电容值有关;触发电压的上升时间越短,杂散电容值对间隙电压分布的影响越明显。     

FLTD三电极场畸变气体开关寿命特性

针对设计的一种场畸变气体开关,研究中间电极材料分别为不锈钢和黄铜条件下的烧蚀特性,结合开关寿命期间静态与触发特性的变化规律,获得决定开关寿命的关键因素,为三电极场畸变气体开关的性能优化提供理论支撑。研究结果表明,采用不锈钢和黄铜作为中间电极的烧蚀区域以及表面粗糙度均随着放电次数增加而增大,黄铜电极烧蚀较为严重且表面有明显的烧蚀圆斑,不锈钢电极则具有更高的表面粗糙度,阴阳极表面烧蚀存在明显差异,随着放电次数的增加,击穿点向电极边缘区域集中,影响开关的沿面绝缘特性,是导致开关寿命终结的主要原因。     

强激光能源系统的Marx触发器

针对强激光能源系统对Marx触发器的输出性能和可靠性要求,介绍了一种六级的Marx触发器。通过采用多级低电感脉冲形成电路获得了高幅值、陡前沿的输出脉冲,运用实验与概率分析相结合的方法,确定了它的工作参数。实验研究结果表明:这种Marx触发器的误触发率和触发气体开关成功率均符合两参数的威布尔概率分布;当欠压比为65%、工作电压为13.5 kV、工作气压（绝压）为0.35 MPa时,能输出幅值120 kV、前沿20 ns的电压脉冲;该触发器能同时满足误触发率低于0.000 1%,正常触发成功率高于99.999 9%的技术要求。经过长时间现场运行测试,Marx触发器工作良好,无异常现象。     

Gas spark switches with increased operating life for Marx generator of lightning test complex

A new design of gas spark switches with an increased operating life and stable dynamic characteristics for the Marx generator of the lightning test complex has been developed. The switches are characterized by the following parameters in the mode of operation: voltage up to 80 kV, discharge current up to 50 kA, flowing charge up to 3.5 C/pulse. An increased operating life is achieved by using torus-shaped electrodes with increased working surface area and a trigger electrode in the form of a thick disk with a hole located between them. Low breakdown delay time and high stability of breakdown voltage under dynamic conditions are provided by gas preionization in the spark gap using UV radiation of an additional corona discharge in the axial region.