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。     

Z箍缩初级实验平台模块样机

 正在研制的Z箍缩实验装置（Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置）,由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。     

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。     

中能X光机触发系统

介绍了中能X光机装置触发系统研制和相关实验结果,触发系统包括主机6个支路激光开关的触发和主机放电的触发。其中6个支路的触发由6台YAG四倍频激光器完成,主机放电电触发系统由1台YAG四倍频激光器来触发。实验结果表明:每台激光器出光时间抖动σ小于等于0.3 ns,激光开关导通延迟时间约25 ns,抖动σ小于等于1.2 ns,电触发系统中激光与触发器输出电压之间的时间抖动σ为0.5 ns,匹配负载上电压大于120 kV,前沿约28 ns,脉宽150 ns。中能X光机在杆箍缩二极管负载上获得最大输出为4.2 MV/100 kA的电脉冲,电压脉冲半高宽约55 ns,输出的X射线时间抖动σ为3.4 ns。实验结果表明触发系统具备对6个支路精确调节和控制的能力,确保了中能X光机装置的高可靠性。     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

 建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。     

Z箍缩实验装置高压低抖动Marx发生器

 中物院的初级实验平台(PTS)低抖动Marx发生器由60个标称电压为100 kV、电容量为1 mF电容器和30个低抖动环轨式场畸变开关构成,采用以S型线路为基础的超前触发型电路。近千次实验结果表明：在工作欠压比71%、触发电压200 kV的条件下,Marx发生器的建立时间175 ns,抖动极差小于±10.0 ns,均方根抖动小于7.0 ns。Marx发生器的串联电感13.5 mH,串联电阻3.2 W,在电容器充电80 kV时,实验测得输出电压4.3 MV, Marx发生器电压建立时间175 ns,与电路模拟结果（输出电压为4.6 MV,电压建立时间160 ns）吻合良好。     

强光一号激光触发开关的触发系统

介绍了基于强光一号实验平台的2 MV级激光触发开关（LTGS）实验中触发系统的设计与应用情况。系统中使用了一台266 nm 四倍频Nd:YAG激光器,单次触发输出参数为80 mJ,7 ns,0.5 mrad的激光脉冲,用于触发LTGS。激光器的触发源为两台DG535脉冲发生器,联合强光一号触发信号发生装置使用,保证了激光脉冲与开关电压峰值的同步性。触发系统在自击穿电压波峰前200 ns将激光脉冲馈入开关,在充气0.2～0.3 MPa条件下均能成功触发,得到了充气0.3 MPa时触发抖动3.86 ns的结果。     

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。     

Marx发生器同步性对PTS装置性能的影响

对PTS装置的24台Marx发生器进行了独立调试实验,实验结果表明:在充电电压60 kV、工作欠压比62%条件下,24台Marx发生器的输出电压的时延在245～285 ns的范围内,时延最大差异为40 ns,时延抖动均小于10 ns。通过对PTS装置控制时序和中间储能器充电电压波形的分析,认为Marx发生器输出电压的时延差异在50 ns内,中间储能器上总的电压损失小于1%,对主开关的工作状态基本上没有影响。     

空气中激光触发沿面闪络的蒙特卡罗仿真

搭建了空气中脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台,在试验平台上进行了尼龙介质的激光触发沿面闪络特性试验,应用蒙特卡罗方法对尼龙在空气中激光触发沿面闪络过程进行仿真。建立了激光触发沿面闪络的蒙特卡罗仿真模型,对蒙特卡罗算法的实现过程进行了描述,得出激光能量密度不同时的闪络时延。仿真结果显示,随着激光能量密度的上升,激光触发沿面闪络时延下降,这表示激光能量密度增加,在介质表面上产生的电子数增多,使沿面闪络的时延减小,仿真结果与试验结果趋势一致,初步验证了空气中脉冲电压下激光触发沿面闪络机理。     

多路激光装置同步技术研究

 多路激光装置同步系统包括精密同步机和数字同步机两种单元技术,它们具有四路延时脉冲（A、B、C、D）和一路标准时钟脉冲（T₀）输出,精密同步机延时同步精度为10ps, 最大触发晃动小于10ps,延时范围200ns;数字同步机：延时同步精度为5ps, 最大触发晃动小于200ps,延时范围10ms。     

Laser-triggered low timing jitter coaxial Marx generator

A coaxial Marx generator triggered with a UV laser pulse propagating coaxially through multigap switches is constructed. The Marx generator is operated at maximum voltage of 200 kV with a rise time of less than 10 ns. To trigger multigap switches in the Marx generator, the laser pulse is passed through fine metal mesh fitted in the holes formed along the central axis in electrodes of gap switches. Photoelectrons generated from the mesh part of the cathode trigger the discharge and close the switches. Timing jitter of the high voltage pulse with respect to the laser pulse is 800 ps for the case of single gap switch and 1 ns for the Marx generator with two stage gap switches. Since the spark path is always formed from the solid surface of the cathode instead of the metal mesh, the mesh part of the cathode is never damaged for a large number of shots, promising long lifetime of the electrodes     

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。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

Laser Triggering through Fiber Optics of a Low Jitter Spark Gap

An optical filter is employed to transport a 15-ns light pulse from a high power ruby laser for precise triggering of a gas filed high voltage spark gap. The maximum power density that can be transmitted by the fiber is limited to 6 × 1012 W/m2 above which laser induced damage occurs on the fiber entrance face. The overall throughput efficiency of the optical system was measured as 62 percent. Results are presented for the switching delay time and associated jitter for various mixtures of A and N2 gas, and as a function of the voltage across a pulse-charged Blumlein generator gap. Pulse charging of the Blumlein generator was accomplished by a three-stage Marx generator, resulting in output voltages up to 250 kV. It was conclusively demonstrated that an optical fiber will transport a sufficiently intense laser pulse to evince subnanosecond jitter in the triggering of a pressurized gas switch under the conditions studied.     

全同轴型Marx发生器的研制与场路协同仿真

针对Marx发生器小型化的应用需求和快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程的实际情况,开展了全同轴结构Marx发生器的研制和场路协同仿真。Marx发生器采用基于环形电容器、环形开关、锥形隔离电感、轴心单边充电的全同轴结构方案,避免结构偏心带来的局部场增强效应。在CST软件中建立了Marx发生器实际结构模型,利用时变材料和场路协同仿真功能实现了充放电过程的动态仿真,仿真结果显示出快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程。据此可以对绝缘设计进行优化,并分析结构参数对输出脉冲的影响。研制的5级Marx发生器体积小于0.015 m3,可在10 μs内充电至88 kV,对40 Ω传输线输出峰值电压210 kV的高压脉冲,峰值功率约1.1 GW,脉冲前沿5.3 ns,半高宽11.2 ns。     

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。