辉光放电触发赝火花开关实验研究

设计了一种辉光放电触发赝火花开关,进行了He气介质下的放电实验研究。测得了耐受电压和气压关系,结果表明:随着气压的升高,开关耐受电压减小;开关电极孔径为3mm、电极间距为4mm时的耐受电压约是电极孔径和电极间距均为3mm时的85%。在电极孔径和电极间距均为3mm时,研究了辉光放电电流、气压、触发电压等参数对开关时延、抖动的影响。结果显示:当辉光放电电流大于0.45mA、气压为7～30Pa、触发电压达到一定值,开关就能比较稳定地触发,时延短、抖动小。在辉光放电触发下,实现了开关耐受30.5kV、时延223.2ns的输出,并实现了开关抖动小于1ns的稳定输出。     

辉光放电触发重频伪火花开关研究

伪火花开关是工作在帕邢曲线左支的低气压开关,具有纳秒级击穿时间、百千安级脉冲电流、工作寿命长等特点。具有高重频性能的伪火花开关民用领域以及军事领域均有广泛的应用需求。基于双脉冲辉光放电触发结构,设计出一种具有重频能力的伪火花开关;在10 kV阳极电压下进行了整管测试,观察不同气压,预、主触发电压对重频性能以及触发性能的影响;结合仿真软件计算不同气压与触发电压下,触发电流的变化,最终总结了两个脉冲对触发过程的影响。测试结果表明,最低仅100 V触发电压,开关重复频率即可从沿面放电触发的100 Hz提升至400 Hz。     

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。     

纳秒级Trigatron开关触发特性

设计了一种Trigatron开关,以Tesla型GW级纳秒脉冲源为实验平台,实验研究了不同电压极性组合、触发电压、触发间隙、触发极直径和触发脉冲宽度对开关触发特性的影响。实验研究结果表明:开关电压极性组合、触发电压、触发间隙对开关触发特性影响较大,在各欠压比条件下差异均十分明显,触发极直径和触发脉冲宽度对开关的触发特性影响较小。根据实验结果优化了开关结构和工作参数,获得的开关抖动最低可达0.1 ns。     

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。     

低抖动纳秒级前沿的氢闸流管高压脉冲源

 试验用功率MOSFET驱动氢闸流管，做成幅度可达15kV、前沿小于10ns、抖动低于1ns的高压纳秒级前沿脉冲源。简要介绍了脉冲源的电路结构，着重从氢闸流管储氢器加热电压、阴极加热电压、触发脉冲幅度、前沿和延迟几方面测量分析了其对脉冲源输出特性的影响。     

±100 kV气体轨道开关击穿特性

 研制了一种用于快Marx发生器的三电极场畸变结构的气体轨道开关,针对3种不同的绝缘介质N₂、干燥空气和SF₆/Ar混合气体开展了轨道开关的自击穿特性和触发特性研究。结果表明:轨道开关的自击穿电压与气压基本呈现线性关系,并且在相同实验条件下,相对于N₂和干燥空气,当绝缘介质为SF₆/Ar混合气体时,轨道开关具有工作电压范围宽、工作系数低、触发击穿延时短、抖动小的优点。采用数码相机拍摄了开关导通过程中形成的放电通道积分图像,初步研究了绝缘介质、电流大小等因素对开关形成多通道的影响。结果表明:提高触发电压、充电电压和放电电流及采用SF₆/Ar混合气体均能够有效增加放电通道数目。     

百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100 kV,峰值功率250 MW,重复频率1~100 Hz,输出脉冲宽度约4 ns,前沿约1 ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500 ns降低至150 ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。     

伪火花放电开关的陶瓷表面放电触发研究

 设计了伪火花开关的陶瓷材料表面放电触发器，该触发器体积小，结构简单，可焙烧。经大量实验表明，较传统的表面放电触发器可靠性提高，寿命延长，用它触发的伪火花开关（放电电压30~2kV）具有稳定的放电时延（50~340ns）和时延抖动（15~40ns）。由于触发电流大，因此可在极低的开关电压下触发开关，对耐受电压30kV的伪火花开关，其最低可触发开关电压可至600V。     

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。     

The characteristics of pulsed hollow cathode discharges used forpseudospark switch triggering

The complex interaction between the trigger discharge and the main switch discharge in high-power gas discharge switches influences both the switching characteristics, and the switch and trigger lifetime. Any attempts to improve either of these parameters has to take into account the pressure and geometry dependence of a particular trigger geometry. Yet, although not very intensely investigated in detail for this particular purpose, pulsed hollow cathode discharges are commonly used for low-pressure gas discharge triggering as in pseudospark switches. Measurements of the electron current flowing to the cathode backplane of a pseudospark switch from the pulsed hollow cathode trigger discharge show that maximum current densities are peaked around the symmetry axis of the trigger electrode, an effect which is more pronounced at low pressures. Delayed (and slowed-down) increase of the current density at larger radii leads to increasing delay and jitter, provided the trigger coupling holes in the cathode backplane are located off-axis. The electron current density increases with decreasing diameter of the trigger electrode, and with increasing pressure of the working gas. In addition, it is shown that a preionization (keep-alive) current in the trigger electrode region shows a distinct influence on the trigger current distribution, proving that there exists an optimum keep-alive current depending on the geometry and gas pressure     

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     

Triggering of radial multichannel pseudospark switches by a pulsedhollow cathode discharge

We report on a special trigger discharge for pulsed high-power pseudospark switches. The switch used is a radial three-channel pseudospark switch. For triggering, a cylindrical trigger electrode is inserted into the hollow cathode of the main gap. This electrode acts as a hollow cathode for the dc preionization, while the hollow cathode of the main gap is the anode. A negative high-voltage pulse supplied to the trigger electrode ignites the main discharge. We report the temporal evolution of the trigger discharge observed with a fast camera. This trigger method gives an excellent current distribution among the discharge channels, as can be proven by fast photography. The switch has a delay of 220 ns and a jitter of 15 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。     

Laser-triggered low timing jitter coaxial Marx generator

A coaxial Marx generator triggered with a UV laser pulse propagating coaxially through multigap switches is constructed. The Marx generator is operated at maximum voltage of 200 kV with a rise time of less than 10 ns. To trigger multigap switches in the Marx generator, the laser pulse is passed through fine metal mesh fitted in the holes formed along the central axis in electrodes of gap switches. Photoelectrons generated from the mesh part of the cathode trigger the discharge and close the switches. Timing jitter of the high voltage pulse with respect to the laser pulse is 800 ps for the case of single gap switch and 1 ns for the Marx generator with two stage gap switches. Since the spark path is always formed from the solid surface of the cathode instead of the metal mesh, the mesh part of the cathode is never damaged for a large number of shots, promising long lifetime of the electrodes     

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。     

纳秒脉冲电压下气体开关的击穿特性

 采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲,分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验,获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下,气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点,指出了气体开关在不同场合应用时的要求。     

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.     

纳秒级时间分辨光谱诊断系统及其辐射防护

强流电子束二极管是强脉冲辐射环境模拟装置和高功率微波技术中的重要研究方向,通过时间分辨光谱诊断研究阴极等离子体的特性是分析强流脉冲电子束二极管工作性能的可靠方法之一。介绍了具有纳秒级时间分辨能力的光谱诊断系统及其工作原理、系统组成和性能参数,并阐述了低抖动同步触发系统的实现方法和时序关系。同时,针对强脉冲辐射模拟装置产生的强脉冲电磁辐射和强X、γ射线辐射对光谱诊断系统造成严重干扰的情况,设计了电磁屏蔽室和铅屏蔽室对诊断系统进行保护。对黄铜阴极的等离子体进行时间分辨光谱测量,实验结果表明,随着二极管脉冲电压和电流的上升,参与形成阴极等离子体的元素和物质成分明显增多。该光谱诊断系统的时间分辨能力为10 ns,最小可达2 ns,同步触发系统的抖动小于4.0 ns,为深入研究二极管的阴极发射机理开辟了新的技术途径。