辉光放电触发赝火花开关实验研究

设计了一种辉光放电触发赝火花开关,进行了He气介质下的放电实验研究。测得了耐受电压和气压关系,结果表明:随着气压的升高,开关耐受电压减小;开关电极孔径为3mm、电极间距为4mm时的耐受电压约是电极孔径和电极间距均为3mm时的85%。在电极孔径和电极间距均为3mm时,研究了辉光放电电流、气压、触发电压等参数对开关时延、抖动的影响。结果显示:当辉光放电电流大于0.45mA、气压为7～30Pa、触发电压达到一定值,开关就能比较稳定地触发,时延短、抖动小。在辉光放电触发下,实现了开关耐受30.5kV、时延223.2ns的输出,并实现了开关抖动小于1ns的稳定输出。     

辉光放电触发赝火花开关的时延及抖动特性

 设计了一种辉光放电触发赝火花开关,对其时延和抖动特性进行系统研究。研究了开关时延、抖动与辉光放电电流、气压、触发电压及阳极电压的关系。当辉光放电电流小于0.30 mA时,开关无法触发导通;当电流为0.35~0.60 mA时,随辉光放电电流的增大,开关时延、抖动减小;当辉光放电电流为0.60 mA时,开关时延、抖动基本不变,出现饱和。当氦气气压低于6 Pa,开关难以触通,与理论计算值6.95 Pa吻合;当氦气气压为6~12 Pa时,开关的时延、抖动随气压的升高而减小;气压为12~30 Pa时,开关工作在比较稳定的状态。当触发电压小于3 kV,开关难以触通;随着触发电压的增大,开关时延、抖动减小;当触发电压大于5.3 kV,开关时延、抖动基本保持不变。开关在稳定工作条件下,阳极电压在8~25 kV范围内变化时;开关时延基本不变。     

辉光放电触发重频伪火花开关研究

伪火花开关是工作在帕邢曲线左支的低气压开关,具有纳秒级击穿时间、百千安级脉冲电流、工作寿命长等特点。具有高重频性能的伪火花开关民用领域以及军事领域均有广泛的应用需求。基于双脉冲辉光放电触发结构,设计出一种具有重频能力的伪火花开关;在10 kV阳极电压下进行了整管测试,观察不同气压,预、主触发电压对重频性能以及触发性能的影响;结合仿真软件计算不同气压与触发电压下,触发电流的变化,最终总结了两个脉冲对触发过程的影响。测试结果表明,最低仅100 V触发电压,开关重复频率即可从沿面放电触发的100 Hz提升至400 Hz。     

赝火花开关辉光放电腔的粒子模拟与实验研究

 给出了赝火花开关所需辉光放电腔的具体要求,对赝火开关辉光放电腔进行了优化设计,并对优化后的放电腔进行了粒子模拟和实验研究。粒子模拟结果表明：此放电腔为辉光放电腔,辉光放电建立时间约18.5 ns;辉光放电时,此放电腔阴极位降占整个电位降的主要部分,且阴极位降区净离子密度为一常数。实验结果显示：此放电腔为辉光放电腔,其工作在Paschen曲线最低点左侧,放电电压随气压的升高而降低;当辉光放电电流为0.14～3.60 mA时,放电模式为正常辉光放电。     

伪火花放电开关的陶瓷表面放电触发研究

 设计了伪火花开关的陶瓷材料表面放电触发器，该触发器体积小，结构简单，可焙烧。经大量实验表明，较传统的表面放电触发器可靠性提高，寿命延长，用它触发的伪火花开关（放电电压30~2kV）具有稳定的放电时延（50~340ns）和时延抖动（15~40ns）。由于触发电流大，因此可在极低的开关电压下触发开关，对耐受电压30kV的伪火花开关，其最低可触发开关电压可至600V。     

触发电压对±100 kV多级多通道开关性能的影响

研制了一种用于快脉冲直线型脉冲变压器的±100 kV多级多通道火花开关,研究了触发电压极性、幅值对多级多通道火花开关触发性能的影响,分析了不同触发电压下开关各部分延时及抖动。研究结果表明:触发电压的极性对双极性多级多通道火花开关触发性能影响较小;开关的触发放电延时和抖动随着触发电压的增大而减小。进一步分析了多级多通道火花开关的触发击穿模式以及影响开关击穿延时和抖动的主要因素,提出了减小开关触发击穿延时及抖动的技术途径。     

赝火花开关放电的蒙特卡罗粒子模拟

采用粒子模拟和蒙特卡罗相结合的方法,应用静电求解模型,对赝火花开关初始放电过程进行了模拟。赝火花开关初始放电过程主要由汤森放电过程、等离子体形成、空心阴极效应和场致发射引发主放电组成;等离子体形成和空心阴极效应对赝火花开关的发展导通具有至关重要的作用。改变赝火花开关工作参数,如气压、电极孔径、阳极电压和阴极腔中初始粒子密度,研究其对赝火花开关电子峰值电流形成时间的影响。结果表明:随着气压、电极孔径、阳极电压和初始粒子密度的增大,赝火花开关电子峰值电流形成时间减小。     

平面火花隙三电极开关研制及性能测试

研制了一种适用于平行板传输连接的平面火花隙三电极开关，开关正负电极为半圆形状，触发电极为细条状。将之替代立体式（半球形电极）火花隙三电极开关并应用于爆炸箔起爆装置中，装置回路参数将得以优化。实验测试了空气间隙为4.12， 3.14和2.2 mm的平面火花隙三电极开关的性能。结果表明，在开关间隙间距一定的情况下，随着电压的升高，开关间隙的放电时延和分散时间呈指数降低，开关电感小于15 nH；对于不同范围内的应用电压，使用不同间隙间距的开关，其分散时间不大于10 ns。该开关应用于较低充电电压（小于10 kV）的脉冲功率装置中，与立体式火花隙三电极开关相比，回路电感降低了约50 nH，放电周期缩短近1/3，峰值电流增加约1/3。     

触发电压对±100 kV多级多通道开关性能的影响

 研制了一种用于快脉冲直线型脉冲变压器的±100 kV多级多通道火花开关,研究了触发电压极性、幅值对多级多通道火花开关触发性能的影响,分析了不同触发电压下开关各部分延时及抖动。研究结果表明：触发电压的极性对双极性多级多通道火花开关触发性能影响较小;开关的触发放电延时和抖动随着触发电压的增大而减小。进一步分析了多级多通道火花开关的触发击穿模式以及影响开关击穿延时和抖动的主要因素,提出了减小开关触发击穿延时及抖动的技术途径。     

0.73 J脉冲能量KrF准分子激光器的特性

研制了一台KrF大能量准分子激光器,激光器采用紧凑型Chang电极与紫外火花预电离的结合, 实现了激活区大面积的均匀辉光放电,利用LC反转倍压以及一级磁脉冲压缩技术在放电电容上实现了峰值电压40 kV、脉冲上升时间约为100 ns的高压快脉冲激励。研究了工作气体含量对激光器能量输出的影响,在总气压3.3105 Pa,F2/He, Kr, Ne体积分数比值为1.97∶3.18∶94.85,充电电压27 kV时,得到了738 mJ的单脉冲能量输出,激光近场光斑30 mm14 mm,在充电电压23 kV时,全电效率最高,达到2.0%。     

平面火花隙三电极开关研制及性能测试

 研制了一种适用于平行板传输连接的平面火花隙三电极开关，开关正负电极为半圆形状，触发电极为细条状。将之替代立体式（半球形电极）火花隙三电极开关并应用于爆炸箔起爆装置中，装置回路参数将得以优化。实验测试了空气间隙为4.12， 3.14和2.2 mm的平面火花隙三电极开关的性能。结果表明，在开关间隙间距一定的情况下，随着电压的升高，开关间隙的放电时延和分散时间呈指数降低，开关电感小于15 nH；对于不同范围内的应用电压，使用不同间隙间距的开关，其分散时间不大于10 ns。该开关应用于较低充电电压（小于10 kV）的脉冲功率装置中，与立体式火花隙三电极开关相比，回路电感降低了约50 nH，放电周期缩短近1/3，峰值电流增加约1/3。     

伪火花放电开关电压跌落过程实验研究

 设计了典型参数下的伪火花放电开关，进行了空气介质下的电压特性实验，给出了伪火花开关放电电压与气压变化的关系曲线；测量了产生伪火花放电的气压范围（1~29Pa）和单间隙伪火花放电开关耐受电压的最大值(40kV)，测得了伪火花放电与辉光放电的转折点气压(29Pa)，并对实验结果进行了理论分析。研究了伪火花放电开关电压跌落时间与放电电压的关系，首次将开关电压跌落过程分为暂态阶段和稳态阶段，讨论了放电电路参数，气体压力，开关结构和放电电压对电压跌落时间的影响。实验表明，在气压和开关结构不变的条件下，暂态过程时间由放电电压决定，电压越高，则所需时间就越短；稳态过程时间由放电电路参数决定，不受放电电压影响。     

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。     

紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究北大核心CSCD

设计一种紧凑型重复频率快前沿Marx发生器,采用3.3nF陶瓷电容器作为储能电容,螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。将电容器、气体开关、充电及隔离电感设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。在考虑开关电极分散电容、回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。在理论分析的基础上,通过优化电路结构,完成了12级Marx发生器的设计与研制。在50Ω电阻负载上获得了电压150kV、脉宽30ns、上升时间10ns的脉冲波形,Marx发生器可60Hz重复频率运行,与模拟结果基本一致。     

新型小体积伪火花开关研制

伪火花开关是脉冲功率领域关键器件之一，具有脉冲电流大、电压范围宽、寿命长及可靠性高等优点。针对整机系统小型化发展的需要，开展新型小体积伪火花开关研制，创新性地将触发针引入空心阴极内部，实现辉光放电电子源注入，该设计减小伪火花开关的体积，并通过制管及实验验证设计合理性。测试结果表明，该产品的阳极工作电压范围为0.5～10 kV，最大阳极脉冲电流40 kA；在36 kA脉冲电流情况下，工作2万余次并未发现性能下降；该样品已通过高温、低温、温循、振动等可靠性试验考核。     

多通道表面放电光泵浦源触发特性研究

 介绍了多通道表面放电光泵浦源的设计,理论分析了触发电压幅值及上升时间、绝缘基板厚度等参数对所设计光泵浦源触发特性的影响。分析表明：在触发电压作用下,通道两电极处电场出现强烈畸变,而通道中间电场基本为零。采用高速相机拍摄泵浦源的放电图像以及电流线圈测量各通道的放电电流这两种方法实验研究了泵浦源的同步性及放电均匀性。当氮氩混合气体总气压为0.1 MPa (氮氩体积比为3∶7),充电电压20 kV,触发电压30 kV,前沿约10 ns时,成功实现了10通道均匀放电,抖动约20 ns。实验结果表明：在保证放电装置绝缘良好的情况下,若充电电压和触发电压越高,触发电压上升时间越短,触发电极至通道的有效距离越短,则多通道放电的抖动就越小,放电均匀性越好。     

陡化前沿Marx发生器的设计与初步实验

 设计了10级同轴结构的陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。该系统采用3 nF低电感电容器作为储能电容,采用固体电阻作为充电电阻,通过各级短间隙气体火花开关迅速放电及级间紫外光耦合在50 Ω负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。在考虑开关电极分散电容、等效传输线效应及回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。根据数值模拟结果设计加工了10级陡化前沿的Marx发生器实验装置,在较低充电电压下（7 kV与11 kV）,得到了初步实验结果,输出电压波形大致为方波,相对于传统Marx发生器输出前沿缓慢的三角波有较大改善,半高宽为40~50 ns,前沿时间为十几ns,幅值约为41 kV和57.5 kV,实验结果与模拟结果基本一致。     

基于级间自触发Marx电路的高压阻尼振荡发生器

为了增大输出电压的同时减小高压阻尼振荡发生器的体积和降低其成本,建立了一种4×4级间自触发Marx结构的阻尼振荡发生器模型。该模型每级的主开关采用基于电容触发方式的串联IGBT模块,只需提供一路隔离信号控制一级放电开关管的导通和关断,通过级间电容实现对相邻级放电管的栅极自动充电和放电,使其导通和关断。该模型提高了Marx单级的工作电压和简化了每级的驱动电路,并且通过加入缓冲电路,解决开关管动态、静态均压问题。基于这种拓扑结构搭建了一台高压阻尼振荡发生器样机,在电感负载上输出16 kV、振荡频率1 MHz的阻尼振荡波形,波形上升时间约为75 ns,重复频率500 Hz。样机体积小巧、工作稳定,验证了该方案的可行性。     

一种100 kV Mini-Marx发生器触发源的设计

根据100kV Mini-Marx脉冲发生器对触发源的技术要求,设计了一种基于VE4141型氢闸流管气体开关器件的高压脉冲触发源。该触发源系统输出高压脉冲幅度达到0～30kV、脉冲前沿小于15ns、脉冲宽度大于500ns,不仅可以接收光、电和手动信号触发,而且还可以通过接口来控制调整100kV Mini-Marx发生器的充电电压以及电压显示。采用固态IGBT半导体开关器件产生预触发和主触发脉冲,控制气体开关氢闸流管VE4141瞬间导通放电输出高压脉冲信号,触发后级Mini-Marx脉冲发生器产生不小于100kV的高压脉冲。     

体结构GaAs光导开关实验研究

 为解决光导开关耐受场强的提高问题,研制了2种体结构光导开关,并进行了实验研究。两种开关均由半绝缘GaAs材料制成,一种尺寸为10.0 mm×10.0 mm×0.6 mm,电极位于10.0 mm×10.0 mm面上相对位置,电极直径6 mm;另一种尺寸为15.0 mm×15.0 mm×3.0 mm,8 mm直径电极位于15.0 mm×15.0 mm面上相对位置。测试了第1种开关在不同半高宽脉冲加载电压下的击穿电压,结果表明其最大耐受电压达7.6 kV,击穿电场127 kV/cm。对第2种结构测试了开关在直流加载条件下的暗态伏安特性并进行了触发实验,结果表明在15 kV工作电压下,其放电最大电流超过3.5 kA。