低预脉冲水介质多通道自击穿开关实验研究

 在“闪光Ⅱ”上进行了水介质多针自击穿开关实验研究。开关由2个或4个开关间隙、预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。介绍了开关结构及其集中参数等效电路模型，并给出了部分参数计算方法。开关间隙在约60 ns时间内被近似线性地充电至约1 MV，开关的放电电流、输入和输出电压分别用罗果夫斯基线圈和硫酸铜水电阻分压器测试。进行了2个间隙结构和4个间隙结构开关实验，开关的放电电流200～550 kA，平均击穿场强600～900 kV/cm。开关间隙抖动小于4 ns，开关间隙的击穿迟滞时间约为60 ns，2个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于3 ns，4个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于5 ns。预脉冲被有效地压缩，输出电压的预脉冲幅值约为输入电压预脉冲幅值的50%，从180 kV压缩至约90 kV，作用时间由600 ns压缩至60 ns。     

自耦式紫外预电离开关特性

 研究了300 kV脉冲电压作用下自耦式紫外预电离开关的工作原理。为了在脉冲电压下实现开关的自耦合预电离，设计了适当的分压电路及预电离结构。模拟计算表明，分压电路参数合适时，可以实现预电离间隙与开关主间隙的击穿配合。实验结果表明：在脉冲电压作用下，调节电路参数可以有效调节紫外预电离产生时刻；在适当的时刻产生紫外预电离可以有效减小开关击穿抖动;该开关在240 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于3 ns，在36 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于2 ns。     

具有预脉冲屏蔽板的水介质自击穿开关的电路模拟

 介绍了具有预脉冲屏蔽板的水介质脉冲形成开关的结构和等效电路模型，给出模型中等效参数的计算方法。使用Pspice软件对该模型进行了电路模拟，着重分析预脉冲屏蔽板结构对输入、输出脉冲的影响，同时分析了开关电感和电极间隙电容对电压波形的作用。模拟结果表明，开关输入、输出端的对地电容对电压波形影响很大，开关电感和电极间隙电容的影响相对较小。对比“闪光二号”加速器上进行的水介质自击穿开关实验波形和模拟波形，说明在一定范围内等效模型是可以采用的。设计开关结构时，应先合理调整屏蔽板的位置以确定其对地电容，尽量兼顾减小开关电容和电感，屏蔽板开孔大小需选取适当。     

轨道式多间隙气体开关设计与性能测试

针对直线脉冲变压器对低电感、低抖动气体开关的研制需要,采用垂直布放的平板轨道电极,组成具有通视结构的水平间隙,设计了一种多间隙轨道式气体开关。利用Meek击穿判据计算了单间隙自击穿电压,实测了4个单间隙的自击穿电压及其相对标准偏差,并根据单间隙自击穿电压,利用概率分析方法预测了多间隙开关自击穿电压,计算值与实测结果一致。研究表明:开关电感最大约109 nH,自击穿电压相对标准偏差为1.5%,在60 kV触发电压和48%~74%欠压比下,开关抖动0.9~2.6 ns。与圆环形电极的多间隙气体开关相比,多间隙轨道式气体开关自击穿电压更稳定,也更容易触发。     

PTS装置脉冲输出开关

出于开关性能参数和结构要求考虑,PTS装置脉冲输出开关设计为3对自击穿电极间隙的水介质开关,间隙结构采用板-球间隙的同轴-三平板结构。选择水介质自击穿开关作为研究对象,进行了1.5 MV同轴结构开关研究,并在此基础上开展了4 MV同轴-三平板结构开关研究。开关实验达到的技术指标为:自击穿电压3.5 MV,导通电流500 kA,电感65 nH,自击穿时间分散性极差4.0 ns（1.3 ns均方根值）。     

间隙长度对气体火花开关静态性能的影响

针对快放电直线脉冲变压器驱动源初级储能开关,调节开关气压,进行相同自击穿电压下不同间隙长度的开关自击穿实验。通过监测自击穿电压分布规律变化,研究开关间隙长度对开关自击穿特性的影响。结果表明,当开关间隙长度较大时,电极表面粗糙度较小,表明电极烧蚀程度较低。开关间隙长度为6 mm时,开关自击穿电压分散性达到最小,自击穿电压分布符合高斯函数,间隙长度大于6 mm时自击穿电压分布符合极限函数。适当增加开关间隙长度使自击穿电压分布失去对称性,有利于开关在低欠压比下获得更好的静态性能。针对电极结构,选择开关间隙长度为6~9 mm时能够获得最佳的静态性能。初步分析,引起开关自击穿电压分布发生改变的原因是电场强度的改变对阴极电子发射产生了影响。     

纳秒脉冲电压下气体开关的击穿特性

 采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲,分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验,获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下,气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点,指出了气体开关在不同场合应用时的要求。     

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。     

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。     

感应电压叠加器中水介质开关脉冲自击穿特性

 设计了应用于感应电压叠加器中的水介质主开关与峰化开关,主开关的电极结构为“平板 环型”,峰化开关的电极结构为“环型”。研究了开关在300 ns脉冲电压下的自击穿特性,给出了不同工作电压下开关的间隙距离。实验结果表明,主开关与峰化开关的结构合理、击穿特性稳定、相互配合良好,峰化开关可以有效地峰化主脉冲,降低预脉冲的幅值。主开关的实验结果同时验证了Martin经验公式的适用性。     

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。     

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。     

六间隙串联气体开关触发放电过程

针对堆栈式六间隙串联气体开关,建立了6个放电间隙的光信号测量系统,实验获得了不同触发电压和气压时开关统计时延和形成时延的变化规律。统计时延占总时延约42%,形成时延占总时延约58%,触发电极相邻的两个间隙击穿时延占总时延约75%,是开关触发时延的主要组成部分。利用四分幅纳秒高速相机拍摄开关的放电通道图像,初步分析了放电通道的形成和变化过程,得到了不同实验条件下放电通道数量的变化规律。开关最底部间隙可以形成多通道放电,其他间隙以单通道为主。随着触发电压提高,触发间隙的放电通道数量明显增加,但是其他间隙变化不大。在放电过程中,没有观察到放电通道合并或熄灭的现象,间隙击穿后仍然有可能形成新的放电通道。     

Triggering of radial multichannel pseudospark switches by a pulsedhollow cathode discharge

We report on a special trigger discharge for pulsed high-power pseudospark switches. The switch used is a radial three-channel pseudospark switch. For triggering, a cylindrical trigger electrode is inserted into the hollow cathode of the main gap. This electrode acts as a hollow cathode for the dc preionization, while the hollow cathode of the main gap is the anode. A negative high-voltage pulse supplied to the trigger electrode ignites the main discharge. We report the temporal evolution of the trigger discharge observed with a fast camera. This trigger method gives an excellent current distribution among the discharge channels, as can be proven by fast photography. The switch has a delay of 220 ns and a jitter of 15 ns     

小型场畸变气体开关的击穿抖动特性

基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求，研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关，并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系，计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数，分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明:气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大；填充气体中SF₆和N₂体积比1∶1时，混合气体的综合性能较好；工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。     

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。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

 设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

水介质自击穿开关放电参数测试

 在“闪光-Ⅱ”装置上进行了1 MV同轴型水介质多针自击穿开关实验研究。开关击穿电压1～1.5 MV，开关总电流200～550 kA，电脉冲的脉宽约150 ns，上升前沿约60 ns。每个开关间隙的放电电流和输入输出电压分别用Rogowski线圈和CuSO4水电阻分压器测试。介绍了分压器的设计和标定，分析了产生误差的原因。针对类似测试，提出几点完善措施：测试电流线圈要密封隔水；水电阻分压器的第1级分压的分压比不能过大；调节CuSO4溶液的浓度，使水电阻的阻值满足频率响应的要求；注意分压器的放置方式；分压器和电流线圈的输出电压设计要适中。     

A high-current rail-type gas switch with preionization by an additional corona discharge

The characteristics of a high-current rail-type gas switch with preionization of the gas (air) in a spark gap by an additional corona discharge are investigated. The experiments were performed in a voltage range of 10–45 kV using a two-electrode switch consisting of two cylindrical electrodes with a diameter of 22 mm and a length of 100 mm and a set of laterally located corona-discharge needles. The requirements for the position and size of the needles are defined for which a corona discharge is ignited before a breakdown of the main gap and does not change to a sparking form, and the entire length of the rail electrodes is efficiently used. The fulfillment of these requirements ensures stable operation of the switch with a small variation of the pulse breakdown voltage, which is not more than 1% for a fixed voltage-pulse rise time in the range from 150 ns to 3.5 μs. A short delay time of the switch breakdown makes it possible to control the two-electrode switch by an overvoltage pulse of nanosecond duration.