气体触发开关击穿过程的光学测量实验研究

文章首先介绍了气体触发开关的三电极结构,SFC-PR0超高速相机的主要性能参数和使用HSFC-PR0超高速相机进行气体触发开关的击穿过程的光学测量实验的实验设计,并利用ANSYS软件对触发开关三电极导通过程进行静电场模拟.初步实验结果表明,气体触发开关击穿过程可分为两个阶段,即触发极与正电极击穿后再与负电极击穿,实验结果与静电场模拟结论一致.该气体触发开关在2411s时正负电极已完全击穿导通,击穿过程迅速,并且击穿导通过程在10.5μs以上,至4.5μs时间内正负电极之间放电火花依次明显增强,而6至10.5μs内放电火花依次减弱,到10.5μs时放电火花最弱,气体触发开关击穿导通过程基本结束.实验证明,超高速相机是研究开关快速击穿放电导通过程的有效手段,本实验为进一步研究高压开关击穿导通过程并提高开关耐压性能提供了参考.     

XeCl激光触发气体开关的实验研究

通过实验研究了在自流工作状态下,XeCl准分子激光(λ=308nm,FWHM=21ns)对N_2和SF_6两种气体开关的触发特性。实验结果表明:(1)在p=0.1MPa,开关工作电压90％V_(SB)(V_(SB)为开关的自击穿电压)时,XeCl激光对N_2和SF_6两种气体开关的触发阈值约为10~8W/cm~2。(2)开关的触发延时和抖动随着激光能量和开关欠压比的增大而减小,当激光能量为33.8mJ,开关工作电压90％V_(SB)(V(SB)=36.5kV)时,充N_2开关的延时和抖动分别为85.5ns和400ps。相同欠压比下,SF_6气体开关(V_(SB)=52kV)的最小抖动度为2ns。(3)SF_6气体开关的触发延时与用T.H.Martin公式计算的结果一致。     

XeCl激光诱发SF6气体击穿及高压开关触发特性的研究

给出了ＸｅＣｌ激光诱发ＳＦ６气体击穿及高压开关触发特性的研究结果。ＳＦ６气体击穿所需要的ＸｅＣｌ激光的功率密度很强地随气体压强而变，在ＳＦ６气体压强为０．０２ＭＰａ时，击穿功率密度为４．６ＧＷ／ｃｍ＾２，当压强为０．０４８ＭＰａ时，击穿阈值达最小值为３．２ＧＷ／ｃｍ＾２，而在高气压情况（气压大０．０２ＭＰａ），其所需功率密度触发特性：对自由击穿电压Ｖａｂ≈６０ＫＶ的小型开关，在充电电压Ｖｃｈ＝０．     

KrF激光触发气体开关的实验研究

本文主要介绍一台激光触发气体开关在直流电压下其延迟及抖动时间随输入激光功率、开关欠压比的变化以及在不同的工作条件（工作气体、欠压比等）下测量开关触发阈值的实验。文章给出了实验结果以及山这些结果得出的结论，并对一些结果进行了分析讨论。     

2 MV激光触发气体开关实验研究

介绍了2 MV激光触发多级气体开关在强光一号加速器上的实验研究工作。给出了实验方案,激光触发信号采用轴向引入的方法,激光光路穿过二极管,沿水线轴向引入开关;分析了开关自击穿实验和触发实验的实验结果,总结了实验中出现的问题并对其原因进行了分析,提出了改进措施。 结果表明,开关最大工作电压2 MV,最大电流大于600 kA,当欠压比88.3%时,激光触发开关的平均延时34.2 ns,抖动小于3.86 ns。     

2 MV激光触发气体开关实验研究

介绍了2 MV激光触发多级气体开关在强光一号加速器上的实验研究工作。给出了实验方案,激光触发信号采用轴向引入的方法,激光光路穿过二极管,沿水线轴向引入开关;分析了开关自击穿实验和触发实验的实验结果,总结了实验中出现的问题并对其原因进行了分析,提出了改进措施。 结果表明,开关最大工作电压2 MV,最大电流大于600 kA,当欠压比88.3%时,激光触发开关的平均延时34.2 ns,抖动小于3.86 ns。     

多间隙气体开关触发放电过程及击穿抖动

实验研究了开关闭合抖动随欠压比和脉冲触发电压的变化关系,利用紫外光纤探测器测量不同间隙放电时延,分析了放电过程对多间隙开关闭合抖动的影响,并研究采用预电离方法降低开关触发电压。实验表明:开关抖动随脉冲触发电压与欠压比的乘积增大呈指数下降趋势;当触发电压和欠压比的乘积大于33 kV时,开关抖动小于5 ns;乘积大于45 kV时,开关抖动降到3 ns以下并趋于饱和;对六间隙气体开关抖动的贡献,触发间隙占30%~40%,其余5个间隙为60%~70%;欠压比和触发电压对触发间隙击穿抖动的影响最大,对随后放电的3个间隙影响较小,对最后2个间隙几乎无影响;当欠压比大于57%时,采用预电离措施使开关的触发电压降低了10 kV以上。     

多间隙气体开关触发放电过程及击穿抖动

实验研究了开关闭合抖动随欠压比和脉冲触发电压的变化关系,利用紫外光纤探测器测量不同间隙放电时延,分析了放电过程对多间隙开关闭合抖动的影响,并研究采用预电离方法降低开关触发电压。实验表明：开关抖动随脉冲触发电压与欠压比的乘积增大呈指数下降趋势;当触发电压和欠压比的乘积大于33 kV时,开关抖动小于5 ns;乘积大于45 kV时,开关抖动降到3 ns以下并趋于饱和;对六间隙气体开关抖动的贡献,触发间隙占30%~40%,其余5个间隙为60%~70%;欠压比和触发电压对触发间隙击穿抖动的影响最大,对随后放电的3个间隙影响较小,对最后2个间隙几乎无影响;当欠压比大于57%时,采用预电离措施使开关的触发电压降低了10 kV以上。     

铁电体触发开关实验

目前超宽带中的高压开关技术正向着高气压、高重复频率、低抖动、快前沿方向发展。铁电体作为触发极具有触发电压低、抖动小的特点。用铁电体作为触发极开关在国际上已经受到人们越来越多的重视。为掌握铁电体作为触发极的工作性能，在充气和真空条件下开展了实验研究。     

圆柱电极激光触发开关击穿前的模拟计算

在加入SF6气体与电子的碰撞反应截面后,利用基于PIC-MCC方法的XOOPIC程序,对天光Ⅰ号激光装置预放大器上的圆柱电极激光触发开关进行击穿前流柱形成过程的模拟计算。详述了模拟条件的选择及激光触发条件的等效,并给出了模拟结果。模拟结果表明,在弧道初始半径约为250μm的条件下,经过0.15 ns后正离子到达阴极,开关导通。因此验证了通过PIC-MCC方法模拟,可以为开关弧道的电阻的动态变化的电路模拟给出初始条件,使之能够更为准确的预测开关的导通行为,为开关设计提供了一个新的工具。     

火花通道长度对激光触发开关特性的影响

利用超高速相机,在曝光时间100 ns时,对不同能量下激光在氮气气体开关中形成的火花通道进行拍照,得到了不同焦距下激光波长266 nm时激光火花通道长度与激光能量的关系。开展了激光触发气体火花开关的实验研究,激光触发开关延时、抖动随激光能量的增加而减小。将火花通道长度与激光触发开关的特性进行了分析,气体开关的抖动随着激光火花通道长度的增加而减小,当火花通道沿电极间轴向长度达到开关电极间距40%时,开关的抖动为亚ns量级。     

火花通道长度对激光触发开关特性的影响

利用超高速相机,在曝光时间100 ns时,对不同能量下激光在氮气气体开关中形成的火花通道进行拍照,得到了不同焦距下激光波长266 nm时激光火花通道长度与激光能量的关系。开展了激光触发气体火花开关的实验研究,激光触发开关延时、抖动随激光能量的增加而减小。将火花通道长度与激光触发开关的特性进行了分析,气体开关的抖动随着激光火花通道长度的增加而减小,当火花通道沿电极间轴向长度达到开关电极间距40%时,开关的抖动为亚ns量级。     

水中高压放电气泡的实验研究

采用高速摄影方法对通过金属丝的水中高压放电所产生的气泡脉动现象进行了实验研究，发 现气泡脉动有以下基本规律：脉动参数主要取决于初始总电能大小，而与电容和充电电压的 具体取值关系不大；实验段脉动参数受池壁的边界效应影响很小. 气泡的脉动机械能占据了 放电总能量的20%—40%，第二次脉动与第一次脉动的能量比也与此接近； 喷射现象是造成 脉动能量减小的主要原因. 关键词： 高压放电 气泡 高速摄影     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律：采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律:采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

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3 mm、电极间距为4 mm时的耐受电压约是电极孔径和电极间距均为3 mm时的85%。在电极孔径和电极间距均为3 mm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0.45 mA、气压为7～30 Pa、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30.5 kV、时延223.2 ns的输出,并实现了开关抖动小于1 ns的稳定输出。     

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。     

1.2 MJ能源模块中两电极气体开关开通特性

在新的强激光能源系统中,采用了一种大电荷转移量同轴结构的两电极气体开关。为了研究气体开关的开通过程,采用仿真软件ATP与PSCAD分别对该开关在开通过程中的某些特征参量对开通特性的影响进行了仿真分析和研究,提出了一种用于模拟气体开关开通过程的模型,并由此得到了触发电压与导通能量之间的关系曲线,并从中得出结论,触发能量对气体开关导通的影响不大。     

1.2MJ能源模块中两电极气体开关开通特性

在新的强激光能源系统中,采用了一种大电荷转移量同轴结构的两电极气体开关。为了研究气体开关的开通过程,采用仿真软件ATP与PSCAD分别对该开关在开通过程中的某些特征参量对开通特性的影响进行了仿真分析和研究,提出了一种用于模拟气体开关开通过程的模型,并由此得到了触发电压与导通能量之间的关系曲线,并从中得出结论,触发能量对气体开关导通的影响不大。