高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

 设计了一个两电极气体火花开关，开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极，以及金属外壳和绝缘支撑外壳，两电极结构取消了触发极，消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV，单脉冲能量1.2 MJ，峰值电流300 kA，单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV，开关的通流180 kA，电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠，电极烧蚀均匀。     

高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

设计了一个两电极气体火花开关,开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极,以及金属外壳和绝缘支撑外壳,两电极结构取消了触发极,消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV,单脉冲能量1.2 MJ,峰值电流300 kA,单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV,开关的通流180 kA,电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠,电极烧蚀均匀。     

2.0 MJ脉冲功率源的500 kA气体开关系统

介绍了用于2.0 MJ激光泵浦源的新型高功率闭合开关系统的主要功能部件及其设计、研制和测试过程,分析给出了该气体开关系统的关键器件设计所依据的数学原理。在2.0 MJ电容储能的模拟脉冲电源平台上的实际测试表明,该气体开关系统的峰值通流能力达到500 kA,单次放电转移电荷量不低于150 C,累积寿命超过200 kC,理论上能同时支持20对（40只）氙灯工作。开关本体的石墨电极头还可以更换,能进一步延长寿命。该气体开关系统的总体性能接近同期国外同类型产品的指标要求。     

2.0 MJ脉冲功率源的500 kA气体开关系统

介绍了用于2.0 MJ激光泵浦源的新型高功率闭合开关系统的主要功能部件及其设计、研制和测试过程,分析给出了该气体开关系统的关键器件设计所依据的数学原理。在2.0 MJ电容储能的模拟脉冲电源平台上的实际测试表明,该气体开关系统的峰值通流能力达到500 kA,单次放电转移电荷量不低于150 C,累积寿命超过200 kC,理论上能同时支持20对（40只）氙灯工作。开关本体的石墨电极头还可以更换,能进一步延长寿命。该气体开关系统的总体性能接近同期国外同类型产品的指标要求。     

高功率反向开关晶体管开关寿命特性

研制了10 kV高压反向开关晶体管（RSD）开关组件。在重复频率0.2 Hz、峰值电流约107 kA、峰值功率约1 GW、单次传输电荷约20 C、单次传输能量约100 kJ条件下,实验次数达50 000多次;主要研究了RSD开关的静态伏安特性随实验次数的变化趋势。采用数值分析的方法,统计拟合得到了长脉冲大电流条件下RSD开关的寿命模型,并依据失效判据初步预估RSD开关的寿命可达107次。     

高功率反向开关晶体管开关寿命特性

研制了10 kV高压反向开关晶体管（RSD）开关组件。在重复频率0.2 Hz、峰值电流约107 kA、峰值功率约1 GW、单次传输电荷约20 C、单次传输能量约100 kJ条件下,实验次数达50 000多次;主要研究了RSD开关的静态伏安特性随实验次数的变化趋势。采用数值分析的方法,统计拟合得到了长脉冲大电流条件下RSD开关的寿命模型,并依据失效判据初步预估RSD开关的寿命可达107次。     

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。     

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。     

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。     

纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明：一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6//Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。     

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。     

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700 kA,总转移电荷量超过200 kC,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230 kPa绝对气压、充电电压23 kV下,击穿时延平均值为7.5 s,时延抖动为0.656 s;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10 kC。     

LTD模块气体开关电极材料烧蚀性能实验

针对直线变压器驱动源(LTD)对开关的长寿命需求,基于前期研制的200kV低抖动多间隙气体开关电极几何参数以及开关通流水平,详细开展了不同电极材料(钼、黄铜、铜钨合金、高密度石墨、304和321不锈钢)的烧蚀性能实验。实验结果表明,在单次电荷转移量15.4mC,脉冲电流20kA条件下,体积烧蚀速率从大到小依次为:石墨、黄铜、铜钨合金、钼、不锈钢。电极烧蚀微观形貌分析表明,不锈钢是用于LTD开关相对较好的电极材料。根据不锈钢电极的体积烧蚀速率,可知理论上LTD开关的运行寿命可以超过1×106次,但前提是开关外壳需保持足够的绝缘强度。     

LTD模块气体开关电极材料烧蚀性能实验

针对直线变压器驱动源（LTD）对开关的长寿命需求,基于前期研制的200 kV低抖动多间隙气体开关电极几何参数以及开关通流水平,详细开展了不同电极材料（钼、黄铜、铜钨合金、高密度石墨、304和321不锈钢 ）的烧蚀性能实验。实验结果表明,在单次电荷转移量15.4 mC,脉冲电流20 kA条件下,体积烧蚀速率从大到小依次为：石墨、黄铜、铜钨合金、钼、不锈钢。电极烧蚀微观形貌分析表明,不锈钢是用于LTD开关相对较好的电极材料。根据不锈钢电极的体积烧蚀速率,可知理论上LTD开关的运行寿命可以超过1106次,但前提是开关外壳需保持足够的绝缘强度。     

Application of a ferroelectric plasma cathode as a high-current switch

In this paper the parameters of two types of high-current switches based on ferroelectric BaTiO₃ ignition are presented. Both types of switches showed a reliable and controllable operation with a repetition rate of several Hz. The first type is a vacuum two-electrode switch ignited by the plasma which is generated by a BaTiO₃ cathode. This type of switch was tested in the voltage range of 3-25 kV and switched current amplitude of 2-15 kA with either negative or positive polarity of the high-voltage electrode. The second type is a BaTiO₃ surface flashover strip-like switch ignited by a driving pulse which has an amplitude of several kV. It was shown that the application of the driving pulse (>10 kV) leads to the appearance of many non-complete surface discharges which transform further to a multi-channel discharge. This type of switch was tested in the voltage range of 1-25 kV and current amplitude of 0.5-15 kA. The design of the switches, their lifetime, the time jitter and the parameters of the switched current for different discharge conditions are presented. Received 5 November 2001     

Investigations about triggering of coaxial multichannel pseudosparkswitches

A fundamental problem of pseudospark switches is erosion in the borehole area. One way to reduce erosion is to distribute the current to several discharge channels. Essential for multichannel operation is a reliable ignition of all these channels. The aim of this work was to find out the requirements for a trigger for multichannel pseudospark switches and to develop a suitable trigger device. The investigations were made with a three channel pseudospark switch. The developed trigger is a pulsed hollow cathode discharge with a 3 mA dc-preionization. A trigger voltage of 4 kV results in a current of about 6 A in the hollow cathode of the trigger-section. This hollow cathode discharge causes a trigger current into the hollow cathodes of the pseudospark chambers. The trigger current which is necessary to ignite an equally distributed discharge has to be at least 3 mA into each main switch hollow cathode. A jitter of 2 ns was achieved for the coaxial multichannel pseudospark switch     

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2.5 nF负载电容器上得到超过100 kV的高压,短路放电采用可控火花开关,最大放电电流约7 kA,最高重复频率为50 Hz,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。     

纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明:一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6/Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。     

大电流两电极气体开关研究

 由于引燃管难以满足现在能源系统对放电开关承受大电流的要求,因此研制了大电荷转移量两电极气体开关。这种新型气体开关电极间距可调,无触发极,采用同轴结构,并将主电极置于金属腔体内,减少了放电对绝缘支撑的污染。主电极为铜钨合金材料,设计为平顶圆柱状,以提高烧蚀均匀度和热传导效率,减少电极材料喷溅,延长其寿命。绝缘支撑采用碗状结构,提高了机械强度,增加了沿面击穿距离。该开关工作电压达25 kV,放电电流超过100 kA（脉冲宽度600 μs）,单次脉冲电荷转移量达50 C。实验结果显示该气体开关触发性能稳定,电极表面烧蚀均匀,多次大电流实验后电极表面保持完好,可应用于强激光能源系统。     

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。