“聚龙一号”装置同步性实验研究

分析了聚龙一号装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响,Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率,主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键,即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通,12台激光器可以独立调整精确的出光时间,用下方的主开关比上方的提前20 ns导通的方式来修正传输线长度上的差异,将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明,Marx发生器同步性抖动为11 ns,主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4 ns和10 ns,聚龙一号装置的同步性抖动为6 ns。在同一负载参数下,磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。     

聚龙一号主开关导通时刻对负载电流的影响

利用FCM-PTS程序与负载动力学程序耦合模拟研究了聚龙一号装置中主开关导通时刻对Z箍缩实验中负载电流峰值和上升时间的影响。结果表明,虽然聚龙一号装置上下支路三平板传输线的单向传输时间相差20 ns,但是当上下支路主开关导通时刻的时间差为22 ns时,负载电流的峰值最大,上升时间最短。将上下支路主开关导通时刻的时间差设置为20 ns和22 ns时,主开关导通时刻10 ns的抖动导致负载电流峰值损失最大值分别为163 kA和136 kA,上升时间最多分别延长2.4 ns和2.9 ns。     

“聚龙一号”装置24路模块精确控制技术

介绍了Z箍缩初级实验平台“聚龙一号”装置24路模块的精确控制技术和实验结果, 通过采用24个激光触发开关来控制24路模块的精确导通, 实现了对“聚龙一号”装置输出电流波形的精确控制和调节。24个激光触发开关由12台Nd: YAG四倍频脉冲激光器来触发, 每台激光器分光后触发2路激光开关。实验结果表明: 24路激光之间的抖动小于1.0 ns, 激光开关的抖动小于1.5 ns,“聚龙一号”装置在主Marx充电电压为65 kV时, 当24路模块同步导通时,获得负载电流9.8 MA, 电流前沿上升时间(10%~90%)为75 ns;在24路模块分时放电时,实现了对电流波形的精确调节,电流前沿上升时间(10%~90%)可以拓展到600 ns, 对应的负载电流峰值为5.5 MA,电流波形的模拟值与实验测量结果基本一致,在相同负载和实验条件下,获得的电流波形具有很好的重复性。     

Z箍缩初级实验平台模块样机

 正在研制的Z箍缩实验装置（Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置）,由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。     

Z箍缩初级实验平台模块样机

正在研制的Z箍缩实验装置（Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置）,由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成,每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关,由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极,直径分别是8 cm和5 cm;无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构,输入电极为平板电极,输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV,开关的击穿电压为3 MV,放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下,有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns,没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

 设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

中能X光机触发系统

介绍了中能X光机装置触发系统研制和相关实验结果,触发系统包括主机6个支路激光开关的触发和主机放电的触发。其中6个支路的触发由6台YAG四倍频激光器完成,主机放电电触发系统由1台YAG四倍频激光器来触发。实验结果表明:每台激光器出光时间抖动σ小于等于0.3 ns,激光开关导通延迟时间约25 ns,抖动σ小于等于1.2 ns,电触发系统中激光与触发器输出电压之间的时间抖动σ为0.5 ns,匹配负载上电压大于120 kV,前沿约28 ns,脉宽150 ns。中能X光机在杆箍缩二极管负载上获得最大输出为4.2 MV/100 kA的电脉冲,电压脉冲半高宽约55 ns,输出的X射线时间抖动σ为3.4 ns。实验结果表明触发系统具备对6个支路精确调节和控制的能力,确保了中能X光机装置的高可靠性。     

激光触发沿面闪络试验中的同步研究

 建立了精确的激光触发沿面闪络试验系统,用波长1 064/532 nm,调Q开关的Nd:YAG固体激光器来触发绝缘试品的沿面闪络。分别测量了Marx发生器的触发器输入电压和输出电压、Marx发生器的触发脉冲和Marx发生器输出电压、激光器的Q开关控制信号和输出激光脉冲之间的时延和抖动。应用自制的数字脉冲发生器控制Marx发生器的触发器及激光器的氙灯信号触发,用Marx发生器输出电压控制激光器的Q开关;根据所测时延和激光器的控制时序,调整数字脉冲发生器各通道的时延。实验结果显示：Marx输出电压与激光脉冲时延516.1 ns,抖动4.5 ns,达到激光脉冲与脉冲电压的精确同步。     

Z箍缩初级实验平台的激光触发系统

介绍了Z箍缩初级实验平台激光触发系统的设计和单路样机验证实验结果.采用12台激光器、24个激光触发主开关来实现24路电流脉冲的精确同步,由Nd:YAG四倍频脉冲激光来触发开关,采用水平分光将一台激光器的激光脉冲等分为两束激光,激光聚焦后分别触发相邻的两路主开关.单路样机验证实验获得的激光脉冲的抖动极差小于等于3 ns.主开关的抖动极差小于等于5 ns,3台激光器之间的抖动极差小于等于3 ns.实验结果表明:在主Marx充电电压小于等于75 kV时,光路管道双隔离气室具有良好的绝缘性和密封性;激光光路系统稳定可靠;能量为100 mJ、脉冲宽度为7 ns的266 nm激光经过分光后,能够满足Z箍缩初级实验平台的设计要求.     

Z箍缩初级实验平台的激光触发系统

介绍了Z箍缩初级实验平台激光触发系统的设计和单路样机验证实验结果.采用12台激光器、24个激光触发主开关来实现24路电流脉冲的精确同步,由Nd:YAG四倍频脉冲激光来触发开关,采用水平分光将一台激光器的激光脉冲等分为两束激光,激光聚焦后分别触发相邻的两路主开关.单路样机验证实验获得的激光脉冲的抖动极差小于等于3 ns.主开关的抖动极差小于等于5 ns,3台激光器之间的抖动极差小于等于3 ns.实验结果表明:在主Marx充电电压小于等于75 kV时,光路管道双隔离气室具有良好的绝缘性和密封性;激光光路系统稳定可靠;能量为100 mJ、脉冲宽度为7 ns的266 nm激光经过分光后,能够满足Z箍缩初级实验平台的设计要求.     

聚龙一号装置波形调节北大核心CSCD

在聚龙一号装置(PTS装置)上开展了系列波形调节实验,成功在负载上输出脉冲上升时间达到600ns、峰值电流大于5.0 MA的电流。聚龙一号装置在同步放电情况(短脉冲模式)下,负载电流的上升时间约90ns,峰值电流约10.0 MA。波形调节通过装置24台激光触发气体开关分时放电、脉冲输出开关短接等技术调整,实现负载上长上升时间的脉冲电流输出。波形调节根据需要实现的电流波形形状,通过全电路模拟计算,调整激光触发气体开关的触发时序和脉冲输出开关状态,在相应负载上输出接近需求的实验波形。聚龙一号装置波形调节实验研究表明,输出电流脉冲的前沿的最大值取决于24台激光触发气体开关最早触发时刻和最晚触发时刻的时间差,该时间差受制于激光触发气体开关的正常触发。激光触发气体开关能否被正常触发,除了取决于进入开关触发间隙的触发激光能量外,还取决于开关充气压力和加载于开关两端的电位差,该电位差与相关两路的渡越时间相关。通过波形调节研究,聚龙一号装置具备在不同实验负载上输出不同上升时间、不同波形形状的脉冲电流的能力。     

聚龙一号装置波形调节

在聚龙一号装置（PTS装置）上开展了系列波形调节实验, 成功在负载上输出脉冲上升时间达到600 ns、峰值电流大于5.0 MA的电流。聚龙一号装置在同步放电情况(短脉冲模式)下, 负载电流的上升时间约90 ns, 峰值电流约10.0 MA。波形调节通过装置24台激光触发气体开关分时放电、脉冲输出开关短接等技术调整, 实现负载上长上升时间的脉冲电流输出。波形调节根据需要实现的电流波形形状, 通过全电路模拟计算, 调整激光触发气体开关的触发时序和脉冲输出开关状态, 在相应负载上输出接近需求的实验波形。聚龙一号装置波形调节实验研究表明, 输出电流脉冲的前沿的最大值取决于24台激光触发气体开关最早触发时刻和最晚触发时刻的时间差, 该时间差受制于激光触发气体开关的正常触发。激光触发气体开关能否被正常触发, 除了取决于进入开关触发间隙的触发激光能量外, 还取决于开关充气压力和加载于开关两端的电位差, 该电位差与相关两路的渡越时间相关。通过波形调节研究, 聚龙一号装置具备在不同实验负载上输出不同上升时间、不同波形形状的脉冲电流的能力。     

PTS装置工作模式及波形调节

为了对即将建成的PTS装置的实验能力进行分析,对装置的工作模式及波形调节能力进行了分析。装置具有三种工作模式:短脉冲模式、长脉冲模式和波形调节模式。在不同的工作模式下,装置可以进行不同负载的实验研究。在基本工作模式下,在15 nH负载上输出前沿90 ns、幅值8~10 MA脉冲电流。通过电路模拟,对装置在三种工作模式下预计的负载电流输出进行了分析,短脉冲模式下装置负载电流的上升时间约90 ns,长脉冲模式时约200 ns,波形调节模式时可以达到400 ns。模拟结果表明,通过调节激光触发气体开关的触发方式和脉冲输出开关及装置其他参数,PTS装置可以输出脉冲前沿100~400 ns、波形形状在一定范围可调的强电流脉冲。     

20 MA/300 ns Marx型直接驱动Z箍缩脉冲源

基于金属外壳1.0 F/40 nH/100 kV的电容器和100 kV/200 kA气体开关,提出了电流20 MA、前沿300 ns Marx型直接驱动Z箍缩负载的脉冲功率源概念设想,共40路并联,每路为6个Marx并联驱动一条水介质传输线, Marx为18级串联。分析了关键单元（电容器和气体开关）的技术可行性,建立了PSpice电路模型,模拟计算了Marx建立时间分散性、水介质传输线阻抗对负载电流的影响,模拟结果表明:Marx建立时间分散性从10 ns增加到60 ns时,负载电流前沿从平均282 ns增加到287 ns,峰值从21.0 MA降低到19.8 MA,脉宽几乎不变;Marx建立时间分散性对负载电流的影响随着并联数目增加变小;采用4.2 等阻抗传输线,负载电流最大。     

20 MA/300 ns Marx型直接驱动Z箍缩脉冲源

基于金属外壳1.0 F/40 nH/100 kV的电容器和100 kV/200 kA气体开关,提出了电流20 MA、前沿300 ns Marx型直接驱动Z箍缩负载的脉冲功率源概念设想,共40路并联,每路为6个Marx并联驱动一条水介质传输线, Marx为18级串联。分析了关键单元（电容器和气体开关）的技术可行性,建立了PSpice电路模型,模拟计算了Marx建立时间分散性、水介质传输线阻抗对负载电流的影响,模拟结果表明：Marx建立时间分散性从10 ns增加到60 ns时,负载电流前沿从平均282 ns增加到287 ns,峰值从21.0 MA降低到19.8 MA,脉宽几乎不变;Marx建立时间分散性对负载电流的影响随着并联数目增加变小;采用4.2 等阻抗传输线,负载电流最大。     

快脉冲直线型变压器驱动源同步触发系统

提出了一种基于单传输线脉冲成形技术的模块化快脉冲直线型变压器驱动源的同步触发系统的概念设计,主要由级数较少的Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线及触发引出电缆等组成。利用等效电路模型,研究了Marx发生器与脉冲形成线的配合关系,当发生器同时驱动多路形成线时,可以有效增加触发脉冲的数量,并能提高能量利用效率,但触发脉冲的幅值会降低。研究了水介质线阻抗与引出电缆数量对触发脉冲的影响,结果表明:随着电缆序号的增加,触发脉冲的幅值逐渐降低,并且水介质线的阻抗越高,幅值降低的速度越快。触发脉冲也可同时引出,驱动单路形成线输出60路时,触发脉冲的峰值约为293 kV,前沿约11 ns;当驱动5路形成线输出300路时,触发脉冲的峰值约为151 kV,前沿约11 ns。