气体火花开关重复频率特性的实验研究

气体火花开关在重复频率脉冲功率技术中具有广泛的应用,影响气体火花开关绝缘恢复与重复频率工作性能的因素众多。实验研究了气体火花开关的能量沉积和气压对开关重复频率指标的影响,给出了气体火花开关绝缘恢复时间与气压及开关导通功率的关系式,初步分析了气体开关击穿通道在自然散热(不吹气)条件下,重复频率稳定工作的最高功率与重复频率指标、气压的关系。     

基于火花隙开关实现的固体热容激光器实验

 在对储能网络的快速恒流充电和氙灯的预燃状态下，通过控制火花隙触发开关上的电压和重复频率，实现“热容”模式下运行的氙灯泵浦钕玻璃激光器的激光输出。初步实验指标达到：重复频率4 Hz，40 J/脉冲，出光25 s，输出能量4 kJ，工作间隙10 min，每次工作出光可将1.5 cm厚的铝板打穿。该激光器的功率输出可定标放大到kW量级以上,适合进行一些固体热容激光器特点的相关实验。     

亚纳秒气体开关工作特性

 设计了3种结构的同轴Peaking-Chopping组合型亚纳秒气体开关,以半导体开路开关脉冲源为实验平台,分别对它们的击穿特性进行了实验研究。结果表明：亚纳秒气体开关采用环形组合电极Ⅱ时,可以在1～500 Hz稳定工作,输出前沿400 ps、后沿320 ps、脉冲宽度460 ps和电压129.2 kV的脉冲。开关输出脉冲的前后沿、脉冲宽度和电压幅度与开关间隙、气压和重复频率等因素有关,亚纳秒气体开关在小间隙（1～2 mm）、高气压（约10 MPa）时具有良好的重频特性。在开关气压和输入脉冲幅度不变时,输入脉冲上升沿越快,开关的击穿时延越小,击穿电压越高。     

调制器型加速器的波形整形

提出用火花隙开关法对调制器型加速器的输出波形前后沿进行锐化的方案,给出了锐化电路中的电容器电容值的确定和火花隙开关的设计.在已研制的脉冲调制器型加速器上进行了实验研究,实验中得到输出电压500kV、脉宽900ns、前沿时间80ns、后沿时间100ns的近似矩形的脉冲波形,并进行了1Hz重复运行实验.     

氮气介质高气压开关特性

从理论分析、软件模拟、实验研究等方面研究了氮气介质高气压开关的工作特性。根据强度理论计算所设计并加工的开关的理论压强可达10 MPa。对氮气介质高气压开关进行实验,得到在气压范围2,4,6 MPa、电极间隙0.1,0.5,1.0 mm时,气隙的击穿延时小于14 ns,抖动小于1 ns;在气压2 MPa、电极间隙0.1 mm时50%击穿电压约为34 kV。与常压空气开关相比较,该开关具有很好的稳定性和绝缘特性。     

重复频率电容器寿命测试平台

研制了一种主要用于测试电容器在不同电压下短路放电寿命的测试平台,采用谐振充电、脉冲变压器升压和可控火花开关相结合的技术路线,可在2.5nF负载电容器上得到超过100kV的高压,短路放电采用可控火花开关,最大放电电流约7kA,最高重复频率为50Hz,输出电压和重复频率都可调节,可测试在不同电压、不同重复频率和不同工作时间下电容器的失效机制。通过计算机控制平台的运行,可自动记录工作次数,方便统计电容器寿命。     

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。     

兆伏级重复频率三电极气体开关工作特性研究

 以“CHP01”加速器为实验平台，对自行研制的重复频率三电极气体开关的工作特性开展了实验研究，并对实验结果进行了分析。研究结果表明：开关在自击穿工作下的工作稳定性远小于触发工作时，开关工作范围与触发针位置和气压等因素有关；开关电压选择在自击穿电压的大约80％时，开关抖动小、误触发率低，具有较好的工作特性。     

100 kV重频气体开关初步研究及应用

为了减小脉冲功率源装置的体积, 对三电极气体开关和两电极气体开关的结构进行了小型化设计。采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化, 对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同SF6气压（0～0.2 MPa）、不同开关间隙条件下的击穿电压及触发工作电压等进行了实验研究。结果表明:设计的触发开关和自击穿开关在0～0.2 MPa气压范围内, 自击穿电压随气压具有很好的线性关系; 自击穿开关间隙为8 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现自击穿电压90～125 kV可调; 触发开关主间隙为7 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现触发工作电压40～95 kV 可调; 初步估算, 触发开关和自击穿开关的工作电感均约20 nH。利用重频脉冲电源, 测试了开关的重频工作能力, 在工作电压80 kV、导通电流约20 kA的条件下, 重复工作频率在20 Hz以上。此外, 利用研制的开关构建了八级紧凑型Marx发生器, 实现了5和10 Hz重频多脉冲输出。     

极不均匀电场下重复频率纳秒脉冲气体击穿实验研究

 实验研究了尖-板电极中，不同重复频率（10,100,500,1 000 Hz）、不同间隙(0.5,1 cm),不同气压（0.1～0.4 MPa）等条件下空气的绝缘特性。得到了击穿时延、重复频率耐受时间、施加脉冲个数等与施加电压、重复频率的关系。研究发现：在该实验条件下击穿时延随着场强与气压的比值减小而增加，但重频耐受时间和脉冲击穿个数并没有明显变化；随着重复频率的提高，击穿时延和重频耐受时间会减小，但脉冲击穿个数可能会增加；且重复频率条件下击穿的极性效应不明显；重复施加的脉冲产生大量的亚稳态粒子和残余电荷影响放电的发展过程；负离子的脱负或正离子碰撞阴极的过程，及亚稳态粒子的去激励作用给击穿提供了有效初始电子。     

Factors affecting and methods of improving the pulse repetitionfrequency of pulse-charged and DC-charged high-pressure gasswitches

The results of this paper describe some of the factors which affect the repetitive operation of high-pressure gas switches (spark gaps) for both pulse-charged and DC-charged operation. Also discussed are methods which may be employed to improve the pulse repetition frequency (PRF) of spark gaps operating under such conditions. Under pulse-charged conditions, the voltage recovery process of the spark gap has been shown to be restricted following partial density recovery by the residual ion population. This restriction may be minimized by applying a suitable bias voltage across the gap to remove the ion influence. It is also possible to manipulate the voltage-pressure (V-p) breakdown characteristic of a spark gap in order to improve the rate of rise of recovery voltage by reducing the recovery voltage dependence upon gas pressure. The combination of these effects has been shown to reduce the voltage recovery time of pulse-charged spark gaps from several hundred milliseconds to several milliseconds. Under DC-charged conditions, where no “dead time” is available for voltage recovery, it is possible to employ corona discharge effects, which occur in highly nonuniform fields, to stabilize and control the breakdown process. The use of corona stabilization has enabled the operation of a self-closing spark gap at a PRF of more than 5 kHz, without employing gas flow techniques. A triggered version of a corona-stabilized spark gap has also been developed which has demonstrated single run capabilities of 10⁷ (4 h continuous operation at 700 pps) and a lifetime of ~10 shots (maintenance free, sealed switch). The triggered corona switch has also demonstrated controlled switching up to a PRF of 1.2 kHz     

高压火花隙开关中气体冷却的数值模拟

 高温气体的冷却对火花隙开关的重复运行具有重要的影响。利用流体方程、热传导方程和理想气体状态方程构建的方程组，对火花隙开关中高温气体冷却的过程进行了数值模拟。分析了气体导热系数、粘性系数、对流及气体压强等要素对气体冷却速度的影响，得到了气体冷却的基本规律：火花隙开关内气体的冷却以传导为主；若不采用其他手段，气体在十几ms内冷却较困难；对流的作用经数十ms后才显著；气体的粘性系数对气体冷却的影响可以忽略。可以通过选用导热系数高的气体，优化电极结构或采用吹气方法提高气体冷却速度的办法。     

气流对微秒脉冲滑动放电特性的影响

脉冲电源驱动的滑动放电能够在大气压下产生高能量、高功率密度的低温等离子体. 为了研究微秒脉冲电源在针-针电极结构中产生滑动放电的特征, 本文采用电压幅值为0–30 kV, 脉冲宽度约8 μs, 脉冲重复频率为1–3000 Hz的微秒脉冲电源, 通过测量电压、电流波形和拍摄放电图像, 研究了微秒脉冲滑动放电的电特性. 实验结果表明, 随着施加电压的增加微秒脉冲滑动放电存在三种典型的放电模式: 电晕放电、弥散放电和类滑动放电. 不同放电模式的电压、电流波形和放电图像之间差异显著. 脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电特性有影响, 表现为当气体流量较小(2 L/min)时, 类滑动放电的放电通道随着脉冲重复频率的增大逐渐集中, 而当气体流量较大(16 L/min)时, 类滑动放电的放电通道随着脉冲重复频率的增大逐渐分散. 不同气流下重复频率对滑动放电特性的影响与放电中粒子的记忆效应和气流的状态有关.     

高功率大电荷量重复频率气体开关实验研究

 在自行研制的纵吹式场畸变型气体开关上，开展了大电流、大电荷传递量重复频率实验研究，已实现的开关最大工作参数为：电压100kV，电流85kA，电荷传递量0.6C/脉冲,重复频率10Hz，单脉冲能量5kJ。结果表明，气流流速、电极烧蚀及绝缘筒污染对开关重复频率和工作寿命有较大影响。     

Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6kΩ的负载电阻上输出幅值100kV、上升沿约为30ns、最高频率可达500Hz的高压纳秒脉冲。     

High Repetition Rate Miniature Triggered Spark Switch

A miniature triggered spark switch designed to operate at high repetition rates has been constructed. The device, along with associated triggered circuitry, has been incorporated into a simple LC generator which produces an oscillatory discharge at a frequency of 150 MHz. The switch is operated in the pressure range 760 torr-2.6 × 103 torr using commercial dry nitrogen as the working gas. Both brass (70/30) and aluminum (99.95 percent) electrodes were investigated for repetition frequencies as high as 20 kHz and for gas flow rates as high as 8 cm3/s. The effect of repetition rate on switch jitter and switch breakdown voltage is presented and discussed in terms of gas pressure and flow rate.     

紧凑Tesla变压器型纳秒脉冲源

采用带有开路磁芯的Tesla变压器与单筒脉冲形成线一体化结构,研制了一台基于Tesla变压器的紧凑GW级纳秒脉冲源,该源包括一个40Ω脉冲形成线、内置Tesla变压器、初级电路及高压吹气主开关等,具有变比高、结构紧凑、能量传输效率高、便于重复频率运行等特点。给出了脉冲形成线、Tesla变压器和主开关等的工作原理、设计方法和模拟计算。实验结果表明,该脉冲源输出电压大于200kV,脉冲宽度约8ns,可以在重复频率100Hz、平均输出功率1GW情况下稳定运行,实验结果与理论设计相符。