SUNIST低环径比托卡马克的供电系统

介绍了SUNIST低环径比托卡马克的纵向场线圈、欧姆加热场线圈和平衡场线圈的电学参数。所用电容器组储能系统采用电容换流式准恒流充电回路。测量了这三组线圈中的放电电流，并将测量结果与回路计算结果作了比较。     

高频脉冲功率源初级单元的设计

针对半导体断路开关型、数十kHz高频脉冲功率源设计了初级单元。该单元在低频电路的基础上进行了改进和优化,放电主开关采用IGBT串并联组件,解决了同步触发问题,增加了过流保护系统,设计了高频脉冲触发器。研究发现,初级单元的放电电容放电后有残余电压存在,这会降低脉冲功率源的输出稳定性。该初级电路加强了高频率脉冲功率源的稳定性和可靠性,成功应用于数十kHz高频脉冲功率源。从波形上看,初级充电电源工作电压约为1 kV,放电电流约1.5 kA,在10 kHz条件下可以稳定工作。     

基于改进ICCOS的放电电流可关断脉冲源研究

针对超导脉冲变压器的剩余能量回收电路中断路开关两端存在的高压威胁,提出了一种基于改进ICCOS逆流回路的放电电流可关断结构,分析了该电路的工作过程,研究了改进ICCOS逆流回路对断路开关的电压抑制能力,讨论了逆流电容变化对系统关键参数的影响。仿真结果表明：改进的ICCOS逆流回路有效抑制了断路开关的高电压,提高了负载电流脉冲的峰值,系统具有较高的能量传输效率。当逆流回路的电容数值选取合适时,能够实现电容预充电压的自恢复充电。     

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介绍了在SUNIST装置上进行的ECW辅助欧姆感应电流启动实验。在ECW(2.45GHz/20kW/10ms)和垂直场感应的共同作用下,先驱动起一个较小的等离子体电流(<1kA),再投入欧姆场,可以获得比常规欧姆放电更高的电流爬升速率,提高伏秒数的利用效率。这种启动方式为SUNIST欧姆放电提高了灵活性,可以在不进行硬件改动的前提下增加调节等离子体平衡的余量,拉长放电的持续时间。     

较高场畸变系数的大电流三电极气体开关

气体开关作为脉冲功率装置的关键部件,其自击穿概率以及触发放电延时抖动对整个脉冲功率系统具有至关重要的影响。降低开关工作系数有利于提高开关稳定性,但延时抖动会随之增大。针对用于磁驱动实验的10 MA级大电流装置应用需求,设计了一种具有较高场畸变系数、能在较低工作系数条件下稳定工作的三电极气体开关,并开展了该开关的性能研究。模拟与实验结果表明：在触发电压与充电电压相当的条件下,开关的场畸变系数接近4,开关工作系数高于60%时,开关具有较低的延时抖动,抖动均方根小于3 ns。结合该开关设计了一个两级Marx储能模块,充电电压±50 kV条件下短路放电,模块回路放电电流峰值达到150 kA、周期2μs。上千次放电实验后,开关电极表面未发生明显烧蚀,工作正常。工作系数68.5%时,共计4 000发实验中未出现自放电现象,自击穿概率低于2.5×10-4。上述结果表明该开关可满足300～400只开关同时工作的大电流装置需求。     

非晶合金可饱和电感及磁脉冲压缩器在高重复率脉冲激光电路中的应用

在许多高重复率脉冲激光器(例如铜蒸气激光器、准分子激光器和 TEA-CO2激光器)中,放电开关是一个关键性元件.低重复率的放电开关可以使用火花隙开关,但当重复率高时(～1kHz以上),充氢闸流管似乎是唯一的候选者.采用闸流管作放电开关的共振充电回路如图1所示.回路的工作原理是,当闸流管T不导通时,电源+HV通过充电电感Lst,二极管D和旁路电感Lb给贮能电容C充电.当闸流管被触发导通时,电容C里的能量就通过闸流管向激光放电管放电.这时的Lb对快速放电来说感抗极大,等于断路.共振充电回路的最大工作重复率为[1] 增加重复率可提高激光器的输…     

低阻抗紧凑型Marx直接驱动高功率微波源北大核心CSCD

研制了一套紧凑型脉冲功率源系统,用于驱动低阻抗磁绝缘线振荡器(MILO)。脉冲功率源采用Marx发生器技术路线,由10级电容和开关组成,单级电容为100nF/100kV电容,开关采用环形轨道气体火花间隙开关,通过紧凑型结构设计,降低系统回路电感,采用电阻作为级间放电的隔离元件,整个Marx发生器系统放置于变压器绝缘油中,以实现高压绝缘。Marx发生器系统充电电压为±50kV,总储能5kJ,在12Ω的水负载上可以获得600kV,50kA的脉冲输出,脉冲上升时间小于100ns。系统尺寸为1.2m×0.5m×0.6m。基于该低阻抗脉冲功率系统,直接驱动低阻抗磁绝缘线振荡器。在二极管电压约450kV,电流约40kA条件下,测得辐射微波功率约400MW,微波脉宽约60ns,微波频率1.23GHz,辐射微波模式为TM01模。     

大功率能源模块中的石墨电极气体开关系统

探讨了大功率脉冲电源模块中主放电开关和预电离开关整体系统的设计、制造和试验过程。在主放电回路中选择石墨型两电极气体开关作为主开关,因为其在高峰值和快上升沿时间电流的作用下具有很长的工作寿命,并由此构建了基于脉冲变压器的主开关触发器,其中气路控制装置是该系统的辅助设备。在预电离回路中选择石墨型三电极气体开关作为放电开关,并给出了能够同时输出高电压和大电流的预电离开关触发器的设计原理。最后,电气特性测试实验表明两电极主开关峰值电流超过700kA,总转移电荷量超过200kC,此外通过更换电极,开关的寿命可以延长。预电离开关在充气230kPa绝对气压、充电电压23kV下,击穿时延平均值为7.5μs,时延抖动为0.656μs;预电离开关寿命试验的结果显示开关工作4000发次后石墨电极无需更换,开关的总转移电荷量超过10kC。     

脉冲功率系统中能量回收电路的改进

串联型能量回收电路从电路结构上保证了异常条件下脉冲功率系统中充电电源的安全,但恒流充电电源经回收电感向储能电容充电时会引起回收电路的振荡,不仅会造成充电电源输出过压和回收电感损耗增加,还会导致充电电压一致性明显变差等问题。在分析了回收电路振荡特性的基础上,提出了在回收电感两端并接旁路开关和双路充电输入的电路结构以及相应的充电控制方法,不仅可以抑制回路振荡从而提高充电一致性,还可以消除回收电感和旁路开关的不必要损耗且控制方法也简单通用。对包含有串接型回收电路的600 V/400 A充电系统进行了电路仿真和实验验证,实验结果表明:在600 V重频条件下,回收电路的改进方案可将储能电容电压的充电一致性偏差由10 V降低到2.6 V,对应的相对偏差由1.7%降低到0.5%以内。     

直线变压器驱动源模块输出电流上升时间调节

针对磁驱动等熵压缩实验对加载电流波形的特殊需求,基于改造后的1MA直线变压器驱动源(LTD)原理性模块,开展了输出电流上升时间调节实验研究。48只开关分为4组,由4根高压电缆引入触发脉冲分别触发,共进行了三组不同电缆长度组合的触发放电实验。结果表明:在±32kV充电电压下,输出电流上升时间(0~100%)可由301.2ns增加至436.0ns,相应的输出电流幅度由294.0kA下降至210.2kA。实验还采用光纤探针阵列测试系统同时对其中40只多间隙气体开关的放电发光过程进行了诊断,获得了相应开关的闭合导通起始时间。基于实验参数,利用PSpice电路模型进行了校验,并对早期触发的支路组对后续触发支路组的影响进行了分析。实验初步验证了LTD模块内部子块通过分时放电实现输出波形调节的能力。     

预试环实验

本文叙述加热场与垂直场分开供电后预试环所作的氢气击穿、平衡、杂散场测量、垂直场波形调整和放电清洗等实验。得到了重复性较好的托卡马克等离子体,其电流峰值为10kA,持续时间2.5ms。     

Pulsed Power Opening Switch Research at the University of New Mexico

Opening switch research at the University of New Mexico (UNM) is directed toward moderate-current (~10 kA) devices with potential applications to high-power charged particle accelerators. Two devices with the capacity for controlling gigawatt high-voltage circuits, the grid-controlled plasma flow switch and the scanned-beam switch, are under investigation. Both switches are conceptually simple; they involve little collective physics and are within the capabilities of current technology. In the plasma flow switch, the flux of electrons into a high-voltage power gap is controlled by a low-voltage control grid. Plasma generation is external to, and independent of, the power circuit. In the closed phase, plasma fills the gap so that the switch has a low on-state impedance. Pulse repetition rates in the megahertz range should be feasible. In single-shot proof-of-principle experiments, a small area switch modulated a 3-MW circuit; a 20-ns opening time was observed. The scanned-beam switch will utilize electric field deflection to direct the power of a sheet electron beam. The beam is to be alternately scanned to two inverse diodes connected to output transmission lines. The switch is expected to generate continuous-wave pulse trains for applications such as high-frequency induction linacs. Theoretical studies indicate that 10-GW devices in the 100-MHz range with 70-percent efficiency should be technologically feasible.     

EAST超导托克马克磁体的大型供电供冷外馈线

EAST全超导托克马克聚变实验装置由16个D形环向场线圈和12个圆形极向场线圈组成,大半径1.7m,当环形场线圈励磁14.3kA时,中心场3.5T;±14.5kA极向场线圈可提供10Vs磁通量变化.连接这些超导磁体与13台独立电源和一台制冷机之间的低温和超导部件组成大型供电供冷馈线,在EAST装置外部的外馈线包括:两组超导母线;13对电流引线及其杜瓦;一个大的低温分配恒温器,内装有40多个低温控制阀,4.4K液氦槽,3.8K过冷槽,78K液氮槽和4台超临界氦循环泵;五条低温传输线.本文介绍外馈线的设计、安装和运行情况.     

模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明:此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明:电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。     

脉冲磁窗系统的电源设计

为满足脉冲磁窗技术对磁体激励电流的需求(平台期时间1~10 ms可调,最小值约24 kA),研究了一种能量利用率高、能库小的多电容器组分时放电电源。设计了脉冲电源的拓扑结构,基于仿真分析了电源参数与电流纹波、电容器组路数之间的关系,及其对放电回路参数变化的敏感性,给出了6路电容器组分时放电的优化结构,并通过实验进行了验证。实验过程中通过晶闸管串联提高了其关断的可靠性,通过二极管三串两并的方式解决了重频模式下二极管承受反向电压能力下降的问题,进一步提高了电源放电的可靠性。     

A mobile test facility based on a magnetic cumulative generator to study the stability of the power plants under impact of lightning currents

The report presents the results of the development and field testing of a mobile test facility based on a helical magnetic cumulative generator (MCGTF). The system is designed for full-scale modeling of lightning currents to study the safety of power plants of any type, including nuclear power plants. Advanced technologies of high-energy physics for solving both engineering and applied problems underlie this pilot project. The energy from the magnetic cumulative generator (MCG) is transferred to a high-impedance load with high efficiency of more than 50% using pulse transformer coupling. Modeling of the dynamics of the MEG that operates in a circuit with lumped parameters allows one to apply the law of inductance output during operation of the MCG, thus providing the required front of the current pulse in the load without using any switches. The results of field testing of the MCGTF are presented for both the ground loop and the model load. The ground loop generates a load resistance of 2–4 Ω. In the tests, the ohmic resistance of the model load is 10 Ω. It is shown that the current pulse parameters recorded in the resistive-inductive load are close to the calculated values.     

Pseudospark switches-technological aspects and application

We report results of the development of fast closing switches, so-called pseudospark switches, at Erlangen University. Two different parameter regimes are under investigation: medium power switches (32 kV anode voltage, 30 kA anode current and 0.02 C charge transfer per shot) for pulsed gas discharge lasers and high power switches (30 kV anode voltage, 400 kA anode current and 3.4 C charge transfer per shot) for high current applications. The lifetime of these switches is determined by erosion of the cathode. The total charge transfer of devices with one discharge channel is about 220 kC for the medium and 27 kC for the high power switch. At currents exceeding 45 kA a sudden increase in erosion rate was observed. Multichannel devices are suited to increase lifetime as the current per channel can be reduced. Successful experiments with radial and coaxial arrangements of the discharge channels were performed. In these systems the discharge channels move due to magnetic forces. A skilful use of this phenomena will result in a considerably increase of switch lifetime. Multigap devices enable an increase of anode voltage. A three gap switch has run reliably at an anode voltage of 70 kV