新型等离子体喷射触发气体开关

为了提高气体开关的同步性,降低自放电概率和抖动,提出并设计了一种新型等离子体喷射触发气体开关。开关整体结构与传统的三电极场畸变开关相似,最大特点是在触发电极内部嵌入一个微型激励腔,用于产生等离子体喷射。研究了触发电压和气压对等离子体的喷射特性的影响,对比场畸变和等离子体喷射两种触发方式下开关触发特性的差异,并研究触发电压对开关性能的影响。实验结果表明:等离子体喷射高度随触发电压的升高而增加,随气压的升高而降低;采用等离子体喷射触发能够显著降低过压间隙的延时和抖动;提高触发电压不但降低开关的抖动,而且还扩展开关稳定触发的工作范围;当触发电压80kV,工作系数27.4%,开关仍然能够可靠触发,延时和抖动分别为97.1ns和3.5ns。     

新型等离子体喷射触发气体开关

为了提高气体开关的同步性, 降低自放电概率和抖动, 提出并设计了一种新型等离子体喷射触发气体开关。开关整体结构与传统的三电极场畸变开关相似, 最大特点是在触发电极内部嵌入一个微型激励腔, 用于产生等离子体喷射。研究了触发电压和气压对等离子体的喷射特性的影响, 对比场畸变和等离子体喷射两种触发方式下开关触发特性的差异, 并研究触发电压对开关性能的影响。实验结果表明：等离子体喷射高度随触发电压的升高而增加, 随气压的升高而降低; 采用等离子体喷射触发能够显著降低过压间隙的延时和抖动; 提高触发电压不但降低开关的抖动, 而且还扩展开关稳定触发的工作范围; 当触发电压80 kV, 工作系数27.4%, 开关仍然能够可靠触发, 延时和抖动分别为97.1 ns和3.5 ns。     

等离子体喷射触发气体开关多通道放电特性

为了能够形成稳定的多通道放电,研制了一种等离子体喷射触发气体开关。在触发电极的内部嵌入多个微型激励腔以形成多通道等离子体喷射,从而在主间隙中诱导多通道放电。研究了触发电路连接方式、触发能量和极性对多通道等离子体喷射的影响,比较了开关在两种工作模式下各间隙放电通道数量随工作系数的变化规律。实验结果表明：采用触发电路II连接方式,触发电极的多通道放电效果更好;高触发能量、负极性和低气压条件有利于形成多通道等离子体喷射;当开关运行在工作模式Ⅱ,且在较高工作系数时,具有更好的多通道放电特性。     

等离子体源参数对长导通等离子体断路开关性能的影响

首次自行研制了导通电流可达100kA的微秒导通时间POS（等离子体断路开关），并初步开展了等离子体源参数，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。     

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。     

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。     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律：采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律:采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

多间隙气体开关触发特性

针对触发脉冲幅值、气体压强和紫外光照射3个因素对多间隙气体开关触发特性的影响规律开展实验研究。实验结果表明:触发电压由50 kV提高到70 kV时,开关触发时延的抖动降低约40%,统计时延的抖动降低约44%,形成时延的抖动变化不大。触发电压继续升高,触发抖动降低的趋势明显减缓。开关工作气压由0.16 MPa提高到0.28 MPa,开关触发时延的抖动增大约1.6倍,统计时延和形成时延的抖动均显著增大。紫外光辐照时间增长,开关触发抖动显著减小,最佳的辐照时间为80~140 ns,开关触发时延的抖动降低约39%。紫外光辐照可以有效降低开关统计时延的抖动,对形成时延影响不大。     

多间隙气体开关触发特性

针对触发脉冲幅值、气体压强和紫外光照射3个因素对多间隙气体开关触发特性的影响规律开展实验研究。实验结果表明:触发电压由50 kV提高到70 kV时,开关触发时延的抖动降低约40%,统计时延的抖动降低约44%,形成时延的抖动变化不大。触发电压继续升高,触发抖动降低的趋势明显减缓。开关工作气压由0.16 MPa提高到0.28 MPa,开关触发时延的抖动增大约1.6倍,统计时延和形成时延的抖动均显著增大。紫外光辐照时间增长,开关触发抖动显著减小,最佳的辐照时间为80~140 ns,开关触发时延的抖动降低约39%。紫外光辐照可以有效降低开关统计时延的抖动,对形成时延影响不大。     

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。     

电极熔蚀导致的气体开关绝缘子性能劣化

气体开关导通时,电极材料熔融或汽化并从电极表面移出,导致开关绝缘子被染污,并可能诱发开关内绝缘闪络事故,直接影响气体开关寿命和脉冲功率系统稳定性。在开关内嵌入有机玻璃圆环,收集黄铜电极熔蚀产物,并研究其对开关绝缘子表面形貌和沿面绝缘强度的影响。实验结果表明,电极熔蚀会产生大量金属蒸汽和溅射液滴,且熔蚀产物具有明显的轴向分布特性,其中,金属蒸汽冷凝并附着在绝缘子表面,形成细微的金属粉末;溅射液滴轰击绝缘子表面,在局部区域形成密集的表面裂纹和金属颗粒嵌入物。在两种电极熔蚀产物的共同作用下,开关绝缘子表面绝缘电阻下降,闪络场强降低;同时,绝缘子表面轴向不同区域的绝缘电阻差别很大,引起绝缘子表面电压分布不均和局部电场增强,最终导致开关绝缘子闪络电压降低,闪络概率增大。     

气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响

快脉冲直线变压器型驱动源（FLTD）是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术,多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能,但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响,确定了电晕针电极的尺寸,之后研究了N₂,CO₂,SF₆/N₂混合气体、C₄F₇N/N₂混合气体中的电晕放电特性,研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明,N₂中电晕电流较大且不稳定,空气中电晕电流比N₂中低,且电晕放电较为稳定,微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N₂作绝缘介质时,气体开关击穿电压随气压升高线性增加,但存在低值击穿,微量强电负性气体混合N₂可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF₆/99%N₂混合气体在0.18 MPa时,击穿电压约为197.33 kV,标准偏差占击穿电压比例为1.50%,1% C₄F₇N /99%N₂混合气体在0.15 MPa时,击穿电压约为190.42 kV,标准偏差为0.55%。这表明,微量环保替代气体C₄F₇N与N₂的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。     

电极熔蚀导致的气体开关绝缘子性能劣化

气体开关导通时,电极材料熔融或汽化并从电极表面移出,导致开关绝缘子被染污,并可能诱发开关内绝缘闪络事故,直接影响气体开关寿命和脉冲功率系统稳定性。在开关内嵌入有机玻璃圆环,收集黄铜电极熔蚀产物,并研究其对开关绝缘子表面形貌和沿面绝缘强度的影响。实验结果表明,电极熔蚀会产生大量金属蒸汽和溅射液滴,且熔蚀产物具有明显的轴向分布特性,其中,金属蒸汽冷凝并附着在绝缘子表面,形成细微的金属粉末;溅射液滴轰击绝缘子表面,在局部区域形成密集的表面裂纹和金属颗粒嵌入物。在两种电极熔蚀产物的共同作用下,开关绝缘子表面绝缘电阻下降,闪络场强降低;同时,绝缘子表面轴向不同区域的绝缘电阻差别很大,引起绝缘子表面电压分布不均和局部电场增强,最终导致开关绝缘子闪络电压降低,闪络概率增大。     

电晕均压多间隙串联气体开关特性实验

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关,分析了电晕放电在开关工作过程中的作用,开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明：老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%,电晕均压效果明显;随着放电次数增加,电晕针尖逐渐钝化,触发性能变化不大;开关电晕放电电流随耐受电压升高增大,增长趋势逐渐变快;开关充400 kPa干燥空气,100 kV工作电压下开关放电50 000次以上,触发性能稳定,触发击穿时延抖动约4.3 ns,自放电概率低于110-4。     

预电离触发管气体开关特性

利用脉冲火花预电离方式,设计了一种脉冲火花预电离触发的触发管气体开关。开关工作电压等级为100 kV,工作介质采用干燥空气,开关主间隙10 mm,电极材料采用304不锈钢,触发结构设计成盘环嵌套结构。实验结果表明：预电离能够显著减小低工作系数下触发管气体开关的触发时延和抖动。对于ns级快脉冲触发,预电离时刻越早,开关击穿时延和抖动越低。在30 kV/8 ns触发脉冲作用下,脉冲预电离触发的触发管开关在80%工作系数时,平均时延约为40 ns,抖动小于1 ns。     

圆柱电极激光触发开关击穿前的模拟计算

在加入SF6气体与电子的碰撞反应截面后,利用基于PIC-MCC方法的XOOPIC程序,对天光Ⅰ号激光装置预放大器上的圆柱电极激光触发开关进行击穿前流柱形成过程的模拟计算。详述了模拟条件的选择及激光触发条件的等效,并给出了模拟结果。模拟结果表明,在弧道初始半径约为250 μm的条件下,经过0.15 ns后正离子到达阴极,开关导通。因此验证了通过PIC-MCC方法模拟,可以为开关弧道的电阻的动态变化的电路模拟给出初始条件,使之能够更为准确的预测开关的导通行为,为开关设计提供了一个新的工具。