±100 kV三电极场畸变气体火花开关

设计了一种用于直线变压器驱动源的三电极场畸变气体火花开关。开关采用SF6气体绝缘,开关尺寸和电感较小,实测开关电感约为67 nH。在工作电压80 kV、工作系数为70%时,开关触发时延为40.0 ns,抖动约2.8 ns。对比研究了钨铜合金和黄铜两种电极材料对开关静态和触发击穿特性的影响,研究结果表明:铜钨合金电极开关的自击穿电压分散性、触发时延及抖动、自放电概率和电极表面烧蚀均小于黄铜电极,更适宜作为三电极场畸变开关的电极材料。     

200kV小型低电感气体开关

为减小脉冲功率源装置的体积,对场畸变三电极轨道气体开关和两电极轨道气体开关结构进行了小型化低电感设计,采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化,对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同气压(0~0.3MPa)和不同气体介质(N2,SF6,以及二者混合)条件下的击穿电压及导通电感等进行了研究。研究表明:小型触发开关和自击穿开关在0~0.3MPa气压范围内自击穿电压随气压具有较好的线性关系;相同气压下SF6气体的自击穿电压约为N2气体的两倍;N2与SF6压力按3∶2混合的自击穿电压约为纯SF6气体的0.8~0.9倍;内部充入0.25MPa气压的SF6气体时,触发开关和自击穿开关均可在190kV左右正常工作。根据实验中出现的开关沿面击穿现象,对开关的沿面绝缘能力进行了优化设计,并得到了实验验证。另外通过短路放电测试,得到触发开关电感约22nH,自击穿开关电感约20nH,开关导通电流大于20kA,多次放电后电极烧蚀痕迹分布均匀。     

小型场畸变气体开关的击穿抖动特性

基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求,研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关,并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系,计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数,分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明:气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大;填充气体中SF₆和N₂体积比1∶1时,混合气体的综合性能较好;工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。     

小型方波脉冲磁场装置的研制

完成了小型方波脉冲磁场装置的双线圈负载设计,在一定区域内获得了近似匀强磁场。采用阻抗2 的6级脉冲形成网络作为初级储能和脉冲形成单元,对匹配电阻放电产生了方波脉冲电流波形。研制了一种场畸变气体火花间隙作为主放电开关,有效减小了装置的动作时延和分散性。实验结果表明:负载中心峰值磁感应强度达到0.04 T,方波磁场平顶时间约3 s,平顶度小于5％,上升前沿（磁感应强度峰值10％～90％）小于0.5s,装置的动作时延抖动小于10 ns（标准偏差）。     

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。     

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。     

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。     

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。     

200kV／100kA低抖动环轨式场畸变开关性能

对充气场畸变开关导通过程的分析表明低抖动高压强流开关的触发时延及其抖动与流注形成和传播途径的平均电场强度存在密切关系，开关结构设计中应使触发脉冲峰到达时流注形成和传播途径上具有较高的平均电场强度。同时，为了提高开关的电流承载能力，有效地结合了匀场火花隙和轨道开关的设计概念，研制了环形轨道式场畸变开关。     

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。     

激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性

 研究了激光触发多级多通道开关的触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验参量的依赖关系，建立了零维数值模拟模型对实验现象进行了理论解释。实验结果表明：触发延迟时间及其抖动随激光脉冲能量、工作电压、气压上升呈下降趋势；随SF₆-N₂混合气中SF₆体积百分含量上升呈上升趋势。欠压比大于等于90%时200kV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟时间抖动小于1ns。     

Some parameters of a spark channel with preionization of the gas

Spark discharges in a preionized gas gap were studied. Preionization was produced by breaking down the spark gap directly before the main discharge, which was used to ignite fuel gas mixtures. The resulting experimental and computed data are compared with theoretical data and with results obtained in an investigation of spark discharge parameters.It is shown that, as in the case of self-breakdown, the volume energy density in discharges in a preionized gas remains constant in order of magnitude (10¹⁹ eV/cm³).The studies were carried out in order to obtain certain spark characteristics for the purpose of increasing the thermal efficiency of discharges in igniting fuel mixtures.The authors are grateful to Doctor of Engineering Sciences Professor I. V. poroikov for his advice.     

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。     

一种紧凑型宽谱辐射源

 采用快前沿Marx发生器直接驱动辐射天线,设计了一种紧凑型宽谱辐射源。Marx发生器采用3 300 pF低电感陶瓷电容器作为储能电容,采用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。系统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。辐射系统包括振荡器及辐射天线两部分,系统辐射场中心频率为206 MHz,辐射因子40 kV,可重复频率10 Hz运行。     

An Electron-Beam Triggered Spark Gap

The triggering of a high-voltage gas-insulated spark gap by an electron (e) beam has been investigated. Rise times of approximately 2.5 ns with subnanosecond jitter (~0.2 ns) have been obtained for 3-cm gaps charged at voltages as low as 50 percent of the self-breakdown voltage (varied up to 0.5 MV). The switch delay (including the e-beam diode) was 52 ns. The triggering e-beam pulse has a duration of 15 ns and a 0-50 percent rise time of 1.5 ns. The e-beam current is 0.5 kA, and the electron energy can be varied in the range from 80 to 145 keV. The working media were N2, mixtures of N2 and A, and N2 and SF6 at pressures of 1-3 atm. Voltage, current, and jitter measurements have been made for a wide range of gap conditions and e-beam parameters. Variations in the character of the discharge have been inferred using streak and open shutter photography. The photographs show that the discharge has a broad cross section and that its character varies for differing polarites and voltages. The effects of varying the e-beam width and the beam energy are discussed.     

Study of RPC gas composition using Daya Bay RPCs

This study uses Daya Bay RPCs operating in streamer mode to investigate gas mixtures of at least 50% argon,at most 6% isobutane,and with small amounts of SF6.Isobutane is reduced to 2% without degradation of performance,and SF6 reduces the noise rate and current,as well as the signal size.This study provides quantitative relationships between basic RPC operating parameters and various gas compositions.     

Laser Interferometric Measurements of a Laser-Preionization-Triggered Spark Column

A KrF laser (248 nm) is used to volume preionization trigger a 40-100-kV, > 10-kA, 100-ns spark gap switch. This method of triggering creates reproducible and axisymmetric spark columns having low temporal and spatial jitter. A short pulse (< 5 ns) tunable dye laser and a Mach-Zehnder interferometer are used to obtain spatial and temporal measurements of the spark column. The spatial resolution of the interferograms is better than 5 ?m. The fringe shifts of the interferograms are used to calculate the electron and heavy particle density distributions within the spark column as a function of time during the spark. Results are presented for sparks in 5-percent SF6/ 20-percent N2/75-percent He and 1-percent Xe/99-percent H2 gas mixtures. Dc and pulsed self-breakdown voltages are also measured in order to provide a reference for the laser-triggered results. Data on laser-triggering reliability and spark breakdown delay time are also presented.     

同轴场畸变气体火花开关的多通道放电特性

设计了一种同轴场畸变气体火花开关,在开关仅受触发脉冲作用和开关内外电极分别连接正负充电电容两种条件下,实验研究了触发脉冲峰值对开关间隙在氮气中的放电通道数的影响,比较了两种条件下的放电通道数。开关仅受触发脉冲作用时,放电通道承载电流较小;开关内外电极分别连接充电电容,触发脉冲施加于开关触发极时,放电通道承载电流较大。实验结果表明:仅受触发脉冲作用时,开关内间隙的平均通道数随着触发脉冲峰值增加而显著增加;开关电极连接电容的情况下,随着触发脉冲峰值增加,开关内间隙的平均通道数增加,外间隙的平均通道数减小;相近的过电压倍数下,开关电极连接电容情况下的平均通道数明显小于开关仅受触发脉冲作用情况下的平均通道数。