长寿命同轴三电极气体火花开关设计和实验

设计了一种新型的同轴三电极结构,仿真计算结果表明开关在充电及触发时电场最大值区域均匀性良好。引入循环吹气系统能够控制放电产物的流向,减小对开关绝缘结构内壁的污染,可在提高气体绝缘恢复能力的同时延长开关绝缘外壳寿命。在重频实验条件下（40 kV/20 kA/0.1 Hz）进行了寿命考核实验,目前单个开关寿命考核实验已大于17.2万发次,开关工作稳定,自击穿电压特性和触发延时抖动特性良好。     

电极材料对气体火花开关静态性能的影响北大核心CSCD

在工作气压和火花间隙固定的条件下,针对稍不均匀场的圆饼形电极开关开展了不同电极材料下开关自击穿实验,开关间隙距离为5mm,工作气压为0.25 MPa,击穿电压平均值为40kV。分别选取了不锈钢、黄铜、钨铜合金和石墨材料作为实验对象,对比了不同电极材料下电极质量损失、电极表面形貌和开关静态特性的差异。实验结果表明,石墨电极质量损失速率略高于金属电极,但是由于石墨电极烧蚀产物多为气体,因此石墨电极绝缘子污染程度远小于金属电极。石墨电极开关在低欠压比下自击穿概率也远小于金属电极开关。三种金属电极开关,其静态特性差异不大,但钨铜电极烧蚀程度显著低于不锈钢和黄铜电极开关。     

高功率气体火花开关电极烧蚀机理

气体火花开关以其工作电压高、功率容量大、结构简单等优点，在脉冲功率技术中得到了广泛的应用。但这种开关工作在高功率重复频率状态时，由于电极的很快烧蚀，影响了开关性能，限制了其寿命。因此，抑制电极烧蚀、寻找耐烧蚀的电极材料是提高高功率重复频率气体开关工作寿命的关键，也是本文研究的内容。     

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。     

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。     

高功率重复频率三电极气体开关自击穿特性

 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自击穿特性开展了实验研究。研究了开关自击穿特性与气压、气流流速、电极形状等因素的关系,并对实验结果进行了分析。结果表明：随着气压的升高,开关自击穿电压分散性变大;适当流速的气流有助于减小开关的自击穿分散性,但气流流速过大将加大自击穿分散性;当通过改变电极形状增大极间场增强因子时,开关电极间场增强因子变大,开关分散性减小,但平均自击穿电压有所降低。     

高功率重复频率三电极气体开关自击穿特性

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自击穿特性开展了实验研究。研究了开关自击穿特性与气压、气流流速、电极形状等因素的关系,并对实验结果进行了分析。结果表明：随着气压的升高,开关自击穿电压分散性变大;适当流速的气流有助于减小开关的自击穿分散性,但气流流速过大将加大自击穿分散性;当通过改变电极形状增大极间场增强因子时,开关电极间场增强因子变大,开关分散性减小,但平均自击穿电压有所降低。     

气体火花开关初始放电等离子体演化过程北大核心CSCD

气体火花开关的初始放电过程对研究其工作状态有着非常重要的影响,通过基于网格粒子法-直接蒙特卡罗法(PIC-DSMC)耦合算法模拟了气体火花开关从放电开始到等离子体通道初步形成的完整过程,得到了电子和离子的数密度时空分布变化,分析了间隙中电场分布随时间变化规律,完整清晰地揭示了气体火花开关从放电初始到等离子体通道初步形成的物理过程,并初步开展了气体火花开关击穿过程的光学诊断实验,为进一步深入研究气体火花开关的物理机理打下了基础。     

高功率重复频率气体火花开关理论与实验

高功率重复频率开关技术是制约脉冲功率技术发展的关键技术之一，本文介绍了高功率重复频率气体火花开关的一些理论和实验研究情况。为了探寻提高开关重复频率和寿命的技术途径和方法，对制约开关重复频率和寿命的两个主要物理过程—绝缘恢复和电极烧蚀的机理进行了理论研究。这里设计了两种形式的三电极吹气式气体火花开关，并进行了高能、大电荷量重复频率实验研究。     

电极材料对气体火花开关静态性能的影响

在工作气压和火花间隙固定的条件下,针对稍不均匀场的圆饼形电极开关开展了不同电极材料下开关自击穿实验,开关间隙距离为5 mm,工作气压为0.25 MPa,击穿电压平均值为40 kV。分别选取了不锈钢、黄铜、钨铜合金和石墨材料作为实验对象,对比了不同电极材料下电极质量损失、电极表面形貌和开关静态特性的差异。实验结果表明,石墨电极质量损失速率略高于金属电极,但是由于石墨电极烧蚀产物多为气体,因此石墨电极绝缘子污染程度远小于金属电极。石墨电极开关在低欠压比下自击穿概率也远小于金属电极开关。三种金属电极开关,其静态特性差异不大,但钨铜电极烧蚀程度显著低于不锈钢和黄铜电极开关。     

高电压长寿命型气体火花开关的设计及初步研究

 根据强流电子加速器的需要,研制了一种高电压长寿命两电极气体开关。该开关采用防污染设计,将开关电极与金属腔体进行一体化设计,并采用金属挡板对绝缘封盖进行防污保护,从最大程度上减小了开关工作时电极材料喷射对绝缘支撑物的污染,提高了开关寿命。运用ANSYS软件优化设计了电极结构。该开关在0.1~0.2 MPa气压条件下,工作电压为32~42 kV,单次脉冲电荷转换量0.38~0.48 C,工作稳定。     

微型平面式气体火花开关的设计和制作

基于表面微加工技术,设计并制作了一种微型平面式气体火花开关,其尺寸仅为1.5 cm0.5 cm,对制作的微型火花开关进行电路测试,得到其输出电流峰值约为3 450 A,上升时间164 ns。结合实验结果,对开关器件进行电路系统仿真并提取参数,得到系统电感为26.5 nH,电阻为0.066 ,与传统机械结构的立体式火花开关相比,器件参数得到显著优化。     

微型平面式气体火花开关的设计和制作

基于表面微加工技术,设计并制作了一种微型平面式气体火花开关,其尺寸仅为1.5 cm0.5 cm,对制作的微型火花开关进行电路测试,得到其输出电流峰值约为3 450 A,上升时间164 ns。结合实验结果,对开关器件进行电路系统仿真并提取参数,得到系统电感为26.5 nH,电阻为0.066 ,与传统机械结构的立体式火花开关相比,器件参数得到显著优化。     

气体火花开关电阻特性

利用二极管输出电压约1 MV、脉宽约40 ns的重复频率Tesla型脉冲功率驱动源,对大间隙、高气压的重复频率氮气火花开关进行了实验研究。通过将开关等效为RLC电路,利用测量得到的形成线电压与锥形段电压来计算氮气火花开关电阻。电阻的变化情况是放电开始时刻比较大,随着放电通道的形成,电阻迅速变小,最终达到级的阻值。通过计算值与理论公式推算值比较,检验Barannik,Rompe-Weizel,Demenik,Toeple,Vlastos公式适用性,并尝试对Rompe-Weizel公式常数项进行了修正。     

气体火花开关电阻特性

利用二极管输出电压约1 MV、脉宽约40 ns的重复频率Tesla型脉冲功率驱动源,对大间隙、高气压的重复频率氮气火花开关进行了实验研究。通过将开关等效为RLC电路,利用测量得到的形成线电压与锥形段电压来计算氮气火花开关电阻。电阻的变化情况是放电开始时刻比较大,随着放电通道的形成,电阻迅速变小,最终达到级的阻值。通过计算值与理论公式推算值比较,检验Barannik,Rompe-Weizel,Demenik,Toeple,Vlastos公式适用性,并尝试对Rompe-Weizel公式常数项进行了修正。     

两电极气体火花开关触发系统

 两电极开关取消了触发电极,需要靠过压触发,要求触发电压的幅值高,上升前沿快。为了满足两电极大电流气体开关对触发电压的特殊要求,介绍了一种用Marx作触发器的触发系统。该系统由8级Marx发生器构成,由电源开关、隔离变压器、L-C充电电路、采样控制电路、光纤控制电路和触发电路组成。Marx发生器采用了低电感电容器和同轴结构布局,减小了电感,触发电压达到120 kV,上升沿小于30 ns。对触发系统建立了PSpice电路模拟,仿真波形与实测波形基本一致。将该触发装置用于200 kA大电流气体开关试验,试验结果表明该触发装置能稳定触发气体开关,操作安全可靠。     

两电极气体火花开关触发系统

两电极开关取消了触发电极,需要靠过压触发,要求触发电压的幅值高,上升前沿快。为了满足两电极大电流气体开关对触发电压的特殊要求,介绍了一种用Marx作触发器的触发系统。该系统由8级Marx发生器构成,由电源开关、隔离变压器、L-C充电电路、采样控制电路、光纤控制电路和触发电路组成。Marx发生器采用了低电感电容器和同轴结构布局,减小了电感,触发电压达到120 kV,上升沿小于30 ns。对触发系统建立了PSpice电路模拟,仿真波形与实测波形基本一致。将该触发装置用于200 kA大电流气体开关试验,试验结果表明该触发装置能稳定触发气体开关,操作安全可靠。     

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。