“聚龙一号”装置同步性实验研究北大核心CSCD

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20ns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11ns,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4ns和10ns,"聚龙一号"装置的同步性抖动为6ns。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。     

100kA快脉冲直线变压器驱动源模块

介绍了100 kA快脉冲直线变压器驱动源原型模块及其采用的200 kV多级多通道气体开关的设计和初步实验结果。该模块由20台100 kV/20 nF电容器按10个支路并联组成,其中每个支路包括2台电容器、1只多级多通道开关以及相应的传输线。模块直径约1.5 m,厚度仅为20 cm。采用B-dot探针诊断负载电流。当充电电压为±90 kV时,在1.1Ω负载上可得到102.2 kA的峰值电流,上升时间为53.6 ns,脉冲宽度为133 ns。实验结果表明,该快脉冲直线变压器驱动源模块具有较好的快脉冲输出能力。     

不同驱动电流和电极尺寸下的等离子体断路开关性能

 开展了驱动电流为45,75和105 kA以及阴极直径分别为Φ20 mm和Φ40 mm下的等离子体断路开关性能实验研究。结果表明：随着发生器驱动电流增加,负载电流上升时间逐渐减小,最高电压倍增系数逐渐增加。与阴极直径为Φ20 mm的等离子体开关相比,阴极直径为Φ40 mm的等离子体开关导通时间和负载电流上升时间增加,开关电压和电流转换效率降低。实验获得的最高电压倍增系数和电流转换效率分别为4.9和97%,负载电流上升时间小于100 ns。     

100 kA微秒导通时间等离子体断路开关研究

 研制了最大导通电流约为100 kA的微秒导通时间等离子体断路开关,开展了该导通电流下的等离子体断路开关性能实验,得到的负载电流上升时间为54-76 ns,最高开关电压为1.38 MV,最高电压倍增系数达到4.9。建立了导通阶段开关区等离子体运动的二维雪耙模型,初步数值模拟结果表明,该模型对目前开展的实验有较好的预估能力。     

聚龙一号装置磁驱动加载实验的全电路模拟

聚龙一号装置由24路模块并联组成, 通过调整24路模块中激光触发气体开关的导通时序可实现负载电流波形的精确调节, 以满足磁驱动加载实验所要求的负载电流波形灵活调节的需求。针对聚龙一号装置开展的磁驱动加载实验, 建立了能够描述能量从Marx发生器开始至负载整个传输过程的全电路模型, 开发了相应的电路计算程序, 并基于实验结果对计算程序进行了校验, 电路模拟结果与实验结果符合较好。电路模拟程序的计算效率比采用Pspice软件进行全电路计算的效率显著提高, 其不仅可应用于在给定激光触发气体开关导通时序的情况下对聚龙一号装置的输出特性进行预测和评估, 同时也为负载电流波形调节的方案设计提供了一种有效工具。     

微型磁探针在Z箍缩负载电流诊断中的应用

介绍了磁探针测量等离子体电流的设计原理,针对Z箍缩实验负载的实际结构特点和现场布局,制作出应用于诊断脉冲功率装置Z箍缩实验负载通过电流的微型磁探针,并通过建立相同结构尺寸的模拟负载装置的方法,实现了对其灵敏度的标定。实验结果显示:在脉冲功率装置峰值电流1.2MA、电流上升时间60ns时,由微型磁探针测得的负载电流与加速器监测电流存在12%的幅度差异,电流峰值时刻存在5ns的差异,说明微型磁探针技术测量Z箍缩负载电流的结果是可靠的。     

快脉冲直线变压器驱动源模块的原理及实验

 介绍了直线型变压器驱动源（LTD）产生快脉冲的基本原理及技术优势,阐述了快脉冲LTD模块设计的要点,设计了输出脉冲上升时间小于100 ns的快脉冲LTD模块,并进行了初步的实验研究。实验得到该LTD模块充电±16 kV时,短路放电的电流峰值为23.7 kA,电流振荡1/4周期为69.6 ns;充电±50 kV驱动0.85 Ω负载时,电流峰值为41.4 kA,上升时间为36.8 ns（10%~90%）和60.8 ns（0~100%）。     

紧凑型X箍缩脉冲功率发生器

为研究丝阵负载对X箍缩的影响,设计了一台紧凑型脉冲功率发生器。介绍了该脉冲功率发生器的设计及初步实验。根据装置的结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载内筒,构成回路测量负载电流的探头。结果表明:在对Marx电容器充电60 kV时,输出电流峰值117 kA,脉宽 60 ns,上升沿22 ns,该装置已经成功箍缩出X射线。     

超高速大电流半导体开关实验研究

 利用自行研制的固态半导体开关RSD,采用电容储能方式,研究了RSD的电压响应时间、大电流特性、电流上升率等。在测试RSD的电压响应时间时,得到了25 ns的电压下降曲线。在主电容电压为8 kV时,得到峰值为10.1 kA、脉宽为34 μs、电流上升率为2.03 kA/μs的大电流脉冲。通过调整主电路,在主电容为3 kV时,得到的电流脉冲峰值为8.5 kA、脉宽为2.5 μs、电流上升率为7.2 kA/μs。结果表明,RSD是一种开通快、通流能力强、电流上升率高的大功率半导体开关器件。     

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。     

MOSFET调制器的实验研究

 介绍了MOSFET调制器的基本原理,并对其并联分流和感应叠加两种开关结构进行了实验研究。基于可编辑逻辑器件设计了其触发电路,驱动电路采用高速MOSFET对管组成的推挽输出形式,加快了MOSFET的开关速度。利用Pspice软件对开关上有无剩余电流电路(RCD)两种情况进行仿真,结果表明,加装RCD电路可以有效吸收MOSFET在关断瞬间产生的反峰电压。实验中,电流波形用Pearson线圈测量,用3个MOSFET并联作开关,当电容充电电压为450 V,负载为30 Ω时,脉冲电流13 A,前沿20 ns,平顶约80 ns;用3个单元调制器感应叠加,当电容充电电压为450 A,负载为30 Ω时,脉冲电流强度为40 A,前沿25 ns,平顶约70 ns。     

气体开关抖动对单模块快脉冲直线型变压器驱动源输出特性的影响

分析了快脉冲直线型变压器驱动源(FLTD)气体开关触发击穿延时的分布规律,利用MAT-LAB软件生成随机序列模拟开关击穿延时和抖动,在FLTD简化二阶电路的基础上,利用MATLAB分析了开关抖动对40个支路并联1 MA,100 ns FLTD模块输出电流脉冲前沿和幅值的影响。模拟计算结果表明:开关理想时,即抖动为0,输出电流峰值为996 kA,峰值时间为90 ns,10%~90%脉冲前沿为54 ns;开关自身抖动与开关之间分散性之和为10 ns时,输出电流脉冲前沿增加约14%,电流峰值下降约2%;开关自身抖动与开关之间分散性之和为20 ns时,输出电流脉冲前沿增加约38%,电流峰值下降约5%。     

直线变压器驱动源模块输出电流上升时间调节

针对磁驱动等熵压缩实验对加载电流波形的特殊需求,基于改造后的1MA直线变压器驱动源(LTD)原理性模块,开展了输出电流上升时间调节实验研究。48只开关分为4组,由4根高压电缆引入触发脉冲分别触发,共进行了三组不同电缆长度组合的触发放电实验。结果表明:在±32kV充电电压下,输出电流上升时间(0~100%)可由301.2ns增加至436.0ns,相应的输出电流幅度由294.0kA下降至210.2kA。实验还采用光纤探针阵列测试系统同时对其中40只多间隙气体开关的放电发光过程进行了诊断,获得了相应开关的闭合导通起始时间。基于实验参数,利用PSpice电路模型进行了校验,并对早期触发的支路组对后续触发支路组的影响进行了分析。实验初步验证了LTD模块内部子块通过分时放电实现输出波形调节的能力。     

Firing characteristics of a low-jitter miniature laser-triggeredvacuum switch

A miniature laser-triggered high-voltage vacuum switch with a fused KCl and Ni cathode is discussed. The switch uses metal-ceramic construction with a sapphire window in the anode to allow the laser beam to strike the cathode surface. Reliable triggering is achieved with only 20 μJ of laser energy. The switch was operated with a gap voltage ranging from 500 V to 3 kV, with switching currents up to a 5 kA peak. Switch life greater than 1000 shots without performance degradation has been observed on 50 prototype devices. The function time of the switch varies from 10±1 ns at 3 kV to 100±50 ns at 500 V     

快脉冲高电压大电流测量探头标定方法

基于脉冲形成原理提出了一种快脉冲高电压大电流测量探头的在线标定方法。利用闪光二号加速器输出线和二极管作为脉冲形成线,结合研制的低电感开关和负载,产生一个前沿小于3 ns、脉宽20 ns的准方波,对二极管电压测量探头微分型电容分压器和电流测量探头微分环进行了在线标定,得到测量探头在实际使用环境中的时间响应小于4 ns。该方法消除了非在线标定环境和实际环境无法统一对标定结果的影响,可推广应用于传输线型脉冲功率装置的探头标定。     

等离子体断路开关装置上的多丝Z箍缩初步实验

 开展了基于等离子体断路开关的脉冲功率源驱动多丝Z箍缩负载初步实验,实验中采用了2根或4根钨丝组成的环形阵列,其中钨丝的直径分别为7 mm和20 mm。利用高速扫描摄影获取钨丝电爆炸和箍缩过程中等离子体自发光的物理图像。实验结果表明：导通电流为105 kA的等离子体断路开关将67%~78%的电流转换至金属丝阵负载上,负载电流上升沿为84~110 ns。高速扫描相机观察到了钨丝电爆炸形成晕等离子体及其向轴线箍缩和后期向外膨胀的物理过程。     

Intense XUV emission generated by a capillary discharge based apparatus

We present the characterization of an apparatus generating XUV radiation by a high peak value (20–40) kA and short rise time (≈ 20 ns) current pulse in a capillary discharge channel (up to 20 cm in length) filled by argon gas. The apparatus has been developed with the purpose of production of an intensive spontaneous emission in the spectral region of (2–50) nm and study of the z-pinch conditions for obtaining the laser generation in the Nelike Ar at 46.9 nm. The current pulses are generated by the direct discharge of a 7 nF water dielectric capacitor resonantly charged up to 400 kV by a six-stages Marx generator. The XUV radiation emitted during the radial compression of the plasma column is measured using calibrated PIN diodes, filters and multilayer mirrors in order to test the z-pinch plasma collapse and to measure the conversion efficiency of the electrical energy into the XUV radiation. This work is supported by the Italian National Institute of Nuclear Physics and in part by the Italian National Institute of Matter Physics.