等离子体源参数对长导通等离子体断路开关性能的影响

 研制了可工作在长导通时间（约1μs）的等离子体断路开关，实验研究了等离子体源参数，包括等离子体枪与主回路之间的触发延时、等离子体枪的工作电压以及等离子体枪的数目对开关性能的影响规律。研究结果表明，开关导通时间和开关电压随触发延时、枪工作电压和数目的增加而增加，但当开关导通时间接近主回路电流四分之一周期时，开关电压呈下降趋势。当Marx发生器工作电压为120kV且采用4个等离子体枪时，实验获得的最大电压倍增系数约为1.8。     

核物理与等离子体物理学科研究进展

1脉冲功率技术及加速器物理 利用雪耙模型，对一个典型的微秒级导通时间等离子体断路开关物理过程进行了模拟计算，分析研究了导通物理机制和雪耙阵面的运动过程，获得了具有指导意义的数据和结果。在国内首次研制成功导通电流可达100kA的微秒导通时间等离子体断路开关，开展了等离子体枪与主回路之间的触发延时、等离子体枪数目及其工作电压对开关性能的影响规律实验研究，获得的典型数据和结果对开关的应用及等离子体源参数优化具有重要意义。     

等离子体断路开关导通过程的2维雪耙模型模拟

等离子体断路开关的物理过程和导通机制非常复杂，其结构参数、驱动电流波形、注入等离子体密度等因素均对其导通的物理机制有影响，产生不同的物理现象。     

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。     

100 kA微秒导通时间等离子体断路开关研究

 研制了最大导通电流约为100 kA的微秒导通时间等离子体断路开关，开展了该导通电流下的等离子体断路开关性能实验，得到的负载电流上升时间为54-76 ns，最高开关电压为1.38 MV，最高电压倍增系数达到4.9。建立了导通阶段开关区等离子体运动的二维雪耙模型，初步数值模拟结果表明，该模型对目前开展的实验有较好的预估能力。     

能量输运对柱状等离子体开关磁场穿透过程的影响

 对于高密度、导通时间为μs级的柱状等离子体开关，利用磁流体动力学理论(MHD)，对其导通阶段的磁场穿透过程进行了模拟，得到了磁场分布随时间的变化；研究了开关导通过程中能量输运导致的温度不均匀分布对磁场穿透过程的影响。模拟结果表明：对于高密度等离子体开关，磁场以远大于磁扩散速率的速度穿透到等离子体中；在磁压对等离子体产生的压缩效应和欧姆加热效应共同作用下，激波区域的等离子体温度显著升高，这进一步加速了磁场穿透；当考虑能量输运方程时，开关导通时间为0.87 μs，比等温模型的结果0.92 μs短，与实验结果0.87 μs相一致。     

不同驱动电流和电极尺寸下的等离子体断路开关性能

 开展了驱动电流为45，75和105 kA以及阴极直径分别为Φ20 mm和Φ40 mm下的等离子体断路开关性能实验研究。结果表明：随着发生器驱动电流增加，负载电流上升时间逐渐减小，最高电压倍增系数逐渐增加。与阴极直径为Φ20 mm的等离子体开关相比，阴极直径为Φ40 mm的等离子体开关导通时间和负载电流上升时间增加，开关电压和电流转换效率降低。实验获得的最高电压倍增系数和电流转换效率分别为4.9和97%，负载电流上升时间小于100 ns。     

微秒级导通时间等离子体断路开关的二维雪耙模型

 给出了适合微秒级导通时间等离子体断路开关的二维雪耙模型的具体描述，建立了二维雪耙模型的基本方程及其差分格式，对方程进行了显式求解。通过对一个模型的计算，给出了雪耙阵面的传播图像，指出了断路开关的断开位置及附近点密度随时间的变化曲线，在该位置附近出现了等离子体薄化现象。     

长导通等离子体开关断路过程的粒子模拟

 利用PIC(particle-in-cell) 粒子模拟方法对长导通等离子体断路开关的断路过程进行了模拟研究。介绍了计算模型的建立和边界的处理。模拟结果揭示了断路间隙的形成过程和机制，并据此对等离子体断路开关断路阶段的现有模型进行了定性的修正，认为断路过程中Hall融蚀和静电融蚀机制将同时存在，静电融蚀在开关最终的断路中占主导作用，且静电融蚀是由于磁场排斥引起的。     

电荷收集法测量低温等离子体密度

利用电荷收集法，在正(135 V)、负(-117 V)偏置和低真空背景(0.5 Pa)三种不同收集条件下，测量了用于等离子体断路开关的电缆等离子体枪产生的低温等离子体的密度和漂移速率，测量值分别为8.3×1014，1.2×1015,4.8×1014 cm-3；2.5,2.0 cm·μs-1。测量结果表明:三种收集条件下测得的等离子体漂移速率相近；在相同测量点处，负偏置收集条件下测得的等离子体密度大于正偏置和低真空背景收集条件下的测量值，而低真空背景收集条件下的测量值最小。     

1.2MJ能源模块中两电极气体开关开通特性

在新的强激光能源系统中,采用了一种大电荷转移量同轴结构的两电极气体开关。为了研究气体开关的开通过程,采用仿真软件ATP与PSCAD分别对该开关在开通过程中的某些特征参量对开通特性的影响进行了仿真分析和研究,提出了一种用于模拟气体开关开通过程的模型,并由此得到了触发电压与导通能量之间的关系曲线,并从中得出结论,触发能量对气体开关导通的影响不大。     

非线性光导开关快速导通特性

非线性光导半导体开关的快速导通过程总是伴有电流丝的形成，基于电流丝表成的雪崩碰撞引起的粒子束放电机制的假定，考虑到载流子寿命，光吸收深度，碰撞电离系数以及初始载流子浓度等因素的影响，从理论上分子非线性光导开关雪崩导通的物理过程的导通特性，得到了一些与实验观测结果吻合得到很好结论，提出了一些有利于改善和控制非线性光导开关的工作特性的可行手段。     

11kV大功率SiC光电导开关导通特性

采用高质量半绝缘碳化硅(SiC)单晶材料制作了超快高耐压大功率SiC光电导开关。应用氟化氪准分子脉冲激光器作为激发光源,得到了脉宽为40 ns,上升沿为9.6 ns的超快响应的电脉冲,开关的上升沿存在两个不同阶段。测试开关两端电压从1 kV到10 kV时开关导通的电压波形表明,开关的导通电阻随电压的增加不发生明显变化,开关在导通态时导通电阻在12Ω左右。采用92Ω精密电阻作为负载,计算得到开关两端外加11 kV电压时通过其电流峰值高达159 A,此时峰值功率达到1.4 MW,在此范围内未出现载流子饱和现象。     

等离子体断路开关装置上的多丝Z箍缩初步实验

 开展了基于等离子体断路开关的脉冲功率源驱动多丝Z箍缩负载初步实验，实验中采用了2根或4根钨丝组成的环形阵列，其中钨丝的直径分别为7 mm和20 mm。利用高速扫描摄影获取钨丝电爆炸和箍缩过程中等离子体自发光的物理图像。实验结果表明：导通电流为105 kA的等离子体断路开关将67%~78%的电流转换至金属丝阵负载上，负载电流上升沿为84~110 ns。高速扫描相机观察到了钨丝电爆炸形成晕等离子体及其向轴线箍缩和后期向外膨胀的物理过程。     

强光一号POS等离子体源性能参数测量

以强光一号等离子体源（电缆枪）为研究对象,采用电荷收集器（法拉第杯）对强光一号等离子体源性能参数进行测量。实验结果表明:等离子体发射密度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离正相关,而发射速度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离负相关;增大电缆枪驱动电压时,等离子体发射密度增速远小于驱动电流增速。重复性研究表明,对由数十支电缆枪组成的等离子体源而言,单支电缆枪放电分散性对其输出等离子体整体分布均匀性影响不大。不确定度分析表明,通过多次重复实验求平均值,可以有效减小实验结果的不确定度,发射密度测量结果的合成标准不确定度在10%以内。     

等离子体微带开关特性

 提出一种基于微放电等离子体的微带开关。它是以“时变等离子体”取代微带线射频微机电开关的“金属悬臂”,利用等离子体的导体或介质特性使电磁波沿其表面进行传输或截止,从而实现微带线上电磁波传输的动态控制。等离子体微带开关的基本结构包括用以隔断电磁波的微带间隙和产生片状等离子体的放电装置。放电产生时,电磁波因等离子体导体性通过开关,形成“开”状态;放电停止后,电磁波被微带间隙反射,形成“关”状态。利用CST软件仿真研究了等离子体开关特性,结果表明：这种开关的带宽由等离子体密度决定,隔离度由间隙决定,而工作插损与等离子体密度和电子碰撞频率有关。等离子体位形（宽度、厚度等）对于开关性能也非常重要。     

等离子体微带开关特性

提出一种基于微放电等离子体的微带开关。它是以“时变等离子体”取代微带线射频微机电开关的“金属悬臂”,利用等离子体的导体或介质特性使电磁波沿其表面进行传输或截止,从而实现微带线上电磁波传输的动态控制。等离子体微带开关的基本结构包括用以隔断电磁波的微带间隙和产生片状等离子体的放电装置。放电产生时,电磁波因等离子体导体性通过开关,形成“开”状态;放电停止后,电磁波被微带间隙反射,形成“关”状态。利用CST软件仿真研究了等离子体开关特性,结果表明:这种开关的带宽由等离子体密度决定,隔离度由间隙决定,而工作插损与等离子体密度和电子碰撞频率有关。等离子体位形（宽度、厚度等）对于开关性能也非常重要。     

等离子体电极电光开关实验研究

设计建造了以辉光放电形成的等离子体作电极，通光口径为８０ｍｍ×８０ｍｍ的普克尔盒实验，实验检测了它的开关性能。阐述了普克尔盒的结构，辉光放电等离子体电极的形成，开关驱动脉冲的产生及输出特性，电光开关的开关效率和开关速度的检测方法，给出了典型的实验结果。     

V掺杂6H-SiC光导开关制备与性能研究

采用V掺杂半绝缘6H-SiC单晶衬底材料制备了平面电极型大功率SiC光导开关,用强度为150μJ/mm2、波长为355nm的脉冲激光对开关进行触发,在1~14kV的外加电压范围内对光导开关的耐压特性、导通电阻等性能进行了研究。结果表明:随着开关外加电压的升高,开关的电流峰值呈现不断增大的趋势,当开关外加电压为14kV时,电流峰值达185A,对应的光导开关峰值功率为2.59MW,开关的导通电阻约为22Ω。     

层叠Blumlein线多开关导通时间分散性

高介电常数陶瓷储能脉冲形成线需要用到多开关触发的层叠Blumlein线结构。从形成线波过程理论出发，分析了多开关导通时间分散性对层叠Blumlein线及其输出波形的影响。主要包括两方面影响:其一是造成输出方波脉冲的前沿和后沿均出现阶梯形畸变；其二是使得各延迟导通的平行平板Blumlein线承受过电压，容易引起陶瓷储能介质的电击穿。在不单独考虑开关电感的理想情况下，利用PSpice电路程序模拟了开关导通时间分散性对四级层叠Blumlein线的影响，模拟结果与波过程理论分析一致。为减弱这些影响，提出了可行的解决方案。