用于电磁驱动实验装置CQ-7的多间隙气体开关

基于电磁驱动实验装置CQ-7研制需求,设计了一套6间隙气体开关,开关高131 mm,直径108 mm,总间隙36 mm,开关电感约40 nH。采用模拟软件Ansoft Maxwell计算分析开关电场强度分布,电场分布较均匀,不均匀系数为1.14。开展了开关放电特性研究,充电100 kV条件下,开关放电电流峰值可达70 kA,放电延时约35 ns,抖动3 ns。根据开关自击穿电压值,采用正态分析开关自击穿概率,开关80%安全系数下,自放电概率小于10-4。该开关满足CQ-7实验装置研制需求。     

快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关

进行了一种可用于快前沿直线脉冲变压器驱动源系统的多间隙气体开关的设计和实验,给出了开关的静态放电实验结果,获得了静态击穿电压平均值及标准偏差随气体压强的变化规律。开关充0.15 MPa干燥空气时,最高耐压可以达到200 kV。研究了开关在不同欠压比和不同触发脉冲幅值下的触发特性。开关工作电压150 kV、欠压比78.5%、触发电压70 kV时,开关的触发延迟时间34.4 ns,抖动1.6 ns。开关经过5 000余次放电,击穿点分布均匀,可以形成多通道放电。开关结构新颖,安装操作简便,装配精度大大提高,实用性强。     

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。     

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。     

电晕均压多间隙串联气体开关特性实验

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关,分析了电晕放电在开关工作过程中的作用,开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明:老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%,电晕均压效果明显;随着放电次数增加,电晕针尖逐渐钝化,触发性能变化不大;开关电晕放电电流随耐受电压升高增大,增长趋势逐渐变快;开关充400 kPa干燥空气,100 kV工作电压下开关放电50 000次以上,触发性能稳定,触发击穿时延抖动约4.3 ns,自放电概率低于110-4。     

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。     

±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。     

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。     

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。     

强光一号水开关击穿性能

采用光学诊断和电磁测量相结合的方法对"强光一号"不同结构的水开关的放电特性进行研究,其中包括环-板结构、球-板结构及局部场增强球-板结构。通过理论模拟开关电场分布及"强光一号"加速器水开关击穿电压的实际测量可以分析不同结构的开关工作稳定性,结果表明:环-板结构的水开关具有最稳定的击穿特性,15发放电的时间抖动只有30 ns;局部场增强球-板结构水开关抖动60 ns;球-板结构水开关稳定性最差,抖动达到140 ns。利用纳秒时间分辨可见光分幅相机和光纤传感器对环-板型及局部场增强球-板结构水介质开关进行光学测量,得到了电流通道发展图像以及整个放电过程的光强变化信号。实验结果表明:环-板型水介质开关开始击穿时的平均场强约为190 kV/cm,同时存在多个放电通道,流注呈树枝状分布,其发展速度为几十cm/s。     

用于LTD模块的多间隙气体开关

针对800 kA,0.1 Hz重复频率LTD模块设计新的多间隙气体开关,要求在较高工作电压(高于80 kV)和较低工作系数(低于70%)下抖动优于2 ns。通过电场仿真分析,优化了气体开关电极形状。串联间隙从4个增加为6个,总间隙长度为36 mm,充电100 kV、触发100 kV时触发间隙场畸变系数为3.98。实验表明,新气体开关静态自击穿性能稳定,动态触发性能可靠。充电90 kV、工作系数60%时击穿延时40.1 ns,抖动1.3 ns。     

基于大功率激光二极管的光导开关导通特性

研究了应用于介质壁加速器的小间隙光导开关在大功率激光二极管驱动下的导通特性。激光二极管产生的激光脉冲中心波长为905nm,脉冲宽度(FWHM)约20ns,前沿约3.1ns,抖动小于200ps,峰值功率约90W。所用光导开关为异面电极结构的砷化镓(GaAs)光导开关,电极间隙5mm,偏置电压为15~22kV脉冲高压,工作在非线性(高增益)模式。测得光导开关最小导通电阻4.1Ω,抖动小于1ns,偏置电压在18kV时平均使用寿命约200次。     

一种同轴低电感低抖动多级多通道气体开关

 研制了一种触发电极位于放电通道之外、间隙电极为环状不锈钢弹簧的同轴多级多通道气体开关。该开关通过分布电容耦合实现触发，利用多间隙串联减小抖动，利用弹簧不同匝之间电感隔离形成多通道放电。实验表明：该开关触发可靠、电感低（～20nH）、抖动小（～3ns）、触发特性稳定。     

轨道式多间隙气体开关设计与性能测试

针对直线脉冲变压器对低电感、低抖动气体开关的研制需要,采用垂直布放的平板轨道电极,组成具有通视结构的水平间隙,设计了一种多间隙轨道式气体开关。利用Meek击穿判据计算了单间隙自击穿电压,实测了4个单间隙的自击穿电压及其相对标准偏差,并根据单间隙自击穿电压,利用概率分析方法预测了多间隙开关自击穿电压,计算值与实测结果一致。研究表明:开关电感最大约109 nH,自击穿电压相对标准偏差为1.5%,在60 kV触发电压和48%~74%欠压比下,开关抖动0.9~2.6 ns。与圆环形电极的多间隙气体开关相比,多间隙轨道式气体开关自击穿电压更稳定,也更容易触发。     

光纤探针诊断100 kA-LTD模块开关的同步性

设计了一套用于同轴多间隙气体开关导通起始时间诊断的光纤探针阵列测试系统,其由光纤阵列与多通道快响应光电转换仪两部分组成,系统同步时间小于1 ns。使用该套系统同时对100 kA-LTD模块所有并联支路的10只开关的放电过程进行了测试,获得了开关导通起始时间及模块的输出电流波形。实验结果表明:开关工作欠压比为85%时,时间抖动不超过6.9 ns,负载波形重复一致性较好;开关工作欠压比降至53%时,时间抖动急剧增加至117.7 ns,负载波形重复一致性显著恶化。同时将光纤测试系统获得的各个开关导通起始时间带入PSpice电路模型进行模拟反演,结果表明,模拟结果与实验得到的模块输出电流波形吻合较好,证明了测试系统的准确性。     

用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关

为了提高多间隙气体开关壳体的寿命、绝缘可靠性和装配的一致性,基于堆栈式多间隙气体开关开展了陶瓷封装多间隙气体开关工艺及击穿特性的研究。对比分析了不同封接工艺对陶瓷金属界面场分布的影响,优选了合理的封接结构。研制了用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关并对其自击穿特性和触发特性开展了测试,结果表明:开关充干燥空气气压0.3 MPa、耐压±100 kV、峰值电流约30 kA条件下,5 000次放电的触发平均时延36.4 ns,抖动2.8 ns。该结果展示了陶瓷封装气体开关在产品化和免维护方面的优势,在FLTD模块中具有广阔应用前景。     

强光一号激光触发开关的触发系统

介绍了基于强光一号实验平台的2 MV级激光触发开关（LTGS）实验中触发系统的设计与应用情况。系统中使用了一台266 nm 四倍频Nd:YAG激光器,单次触发输出参数为80 mJ,7 ns,0.5 mrad的激光脉冲,用于触发LTGS。激光器的触发源为两台DG535脉冲发生器,联合强光一号触发信号发生装置使用,保证了激光脉冲与开关电压峰值的同步性。触发系统在自击穿电压波峰前200 ns将激光脉冲馈入开关,在充气0.2～0.3 MPa条件下均能成功触发,得到了充气0.3 MPa时触发抖动3.86 ns的结果。