开关火花电阻对脉冲前沿的影响

 分析气体火花开关的电阻特性是研究开关能量损耗、电弧通道的热等离子过程、开关间隙绝缘恢复及输出脉冲特性的重要基础。基于气体开关的导通机理,建立了开关导通工作的电路模型,给出了与形成线、传输线联通的开关等效电路和开关电流表达式,分析了开关电感、电阻对电流增长（脉冲前沿）的影响。研究结果表明：对于大间距、高电压气体开关,火花电阻是影响开关输出脉冲前沿的主要因素。     

气体开关对多级脉冲形成线输出波形的影响

为了提高脉冲形成线的输出耐压,采用组叠的方式将多个单级脉冲形成线进行串叠,可实现脉冲功率系统的小型化设计。基于多级薄膜介质线脉冲形成叠加技术,研究了气体火花间隙开关对多级脉冲形成线输出波形的影响。介绍了开关的设计原则,分析了开关抖动、开关电感、开关电阻对多级脉冲形成线输出特性的影响,并且从实验上研究了开关的导通特性对脉冲形成线输出波形的影响。实验结果表明:开关抖动会引起脉冲输出波形平顶时间减小,并且开关触发抖动会引起绝缘介质上的过电压条件,从而影响系统的绝缘设计;开关电感会使脉冲前沿变缓,平顶宽度变窄,后沿存在扭曲变形,存在拖尾现象;开关电阻的存在会降低输出效率。     

200 kV/200 kA脉冲源的研制

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源,脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关,使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究,并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。     

Multichannel closing switch for water energy stores

This paper describes a megavolt closing spark gap switch designed to switch water energy stores in pulse power generators. A peculiarity of the closing spark gap switch is the multichannel regime of the current flow in all discharge gaps that prolongs the lifetime of the switch, decreases its inductance and resistance, and finally, reduces the losses of the stored energy transfered to a load. Institute of High Current Electronics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 12, pp. 91–99, December, 1999.     

Submicrosecond linear pulse transformer for 800 kV voltage with modular low-inductance primary power supply

A pulsed power source with voltage amplitude up to 800 kV for fast charging (350–400 ns) of the forming line of a high-current nanosecond accelerator is developed. The source includes capacitive energy storage and a linear pulse transformer. The linear transformer consists of a set of 20 inductors with circular ferromagnetic cores surrounded by primary windings inside of which a common stock adder of voltage with film-glycerol insulation is placed. The primary energy storage consists of ten modules, each of which is a low-inductance assembly of two capacitors with a capacitance of 0.35 μF and one gas switch mounted in the same frame. The total energy stored in capacitors is 5.5 kJ at the operating voltage of 40 kV. According to test results, the parameters of the equivalent circuit of the source are the following: shock capacitance = 17.5 nF, inductance = 2 μH, resistance = 3.2 Ω.     

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。     

用于等离子体焦点装置的强流装置

研制了用于稠密等离子体焦点的强流装置,该装置采用八台低电感低内阻脉冲电容器和八个低感大电流、可控触发高压开关并联组成初级储能模块,高压开关同步击穿后产生μs级强电流经平行板传输线加载到负载。脉冲电容器和高压开关采用一体化设计,结构紧凑,使脉冲电容器与高压开关间的连接电感尽可能小;平板传输线为扇形结构,一个扇形平板传输线连接一个高压开关,平行板传输线可以将电感做得较小,有利于大电流回路的传输。在脉冲电容器充电20 kV时,假负载上可以得到500 kA的电流,电流上升时间约为3.7 μs。     

两级同轴Blumlein线理论及其模拟分析

利用拉普拉斯变换求解两级同轴Blumlein线对负载的放电过程,得到了纯电阻负载上理想输出电压的解析表达式。分析了开关电感、负载电感及回路电感对负载主脉冲的影响。对PSpice模拟的结果与推测的负载电压表达式进行对比,两者符合得较好。分析结果表明:脉冲的前沿主要是由开关电感决定,而平顶幅值的变化趋势主要是由回路电感决定;开关电感越小,上升沿越小,回路电感越大;脉冲输出电压和能量传输效率越高。     

螺旋线型微秒级高压长脉冲发生器

为研究长脉冲强流电子束产生技术,设计了一台螺旋线型高压长脉冲发生器。该发生器主要由Marx发生器、充电电感、脉冲形成线、高压开关、脉冲传输线及平板二极管构成,形成线内导体为螺旋线,工作介质为去离子水,其指标为输出电压500 kV,电流40 kA,脉冲宽度1μs,单脉冲能量20 kJ。简要介绍了该长脉冲发生器的结构、给出了结构和电气参数,讨论了各部分设计应注意的问题。     

纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明:一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6/Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。     

Continuing Studies of Plasma Erosion Switches for Power Conditioning on Multiterawatt Pulsed Power Accelerators

Recent PITHON experiments with plasma erosion switches (PES) have extended the range of operation of the switches by about 50 percent, in terms of closed time and charge passing through the switch. The quantity of charge passed through the switch has been increased to as much as 35 mC. Currents as large as 1 MA and voltages as great as 1.8 MV have been switched off to be diverted to a downstream load. The impedance of the erosion switch can be described as having three stages: 1) essentially zero impedance, 2) a transitional opening phase, and 3) an impedance which is very large (greater than 5 ?) in comparson with the subohm downstream load. Current diagnostics, consisting of Rogowski coils and segmented shunts, have been successfully developed to monitor the current which propagates to the load region. These monitors have measured rise times as short as 38 ns and slew rates as great as 1014 A/s at the load. With wire array loads, the pulse conditioning of the switch has been observed to reduce the magnitude of the current losses in the feed which are present when no switch is used. Correlations have been made between the switch closed time, voltage, current, and power with the feed inductance and the generator power injected into the magnetic insulated transmission line (MITL).     

螺旋型薄膜介质平板Blumlein线实验

 为实现脉冲功率源小型化,设计了一种螺旋形薄膜介质Blumlein线,应用火花隙开关对其进行了放电实验研究,并对负载电压波形进行了分析。结果表明,开关电感会减缓脉冲前沿,电极直流阻抗使得负载输出电压效率显著降低,波形平顶趋于减小,分布电容耦合造成负载电压的预脉冲,而均压层不会影响传输特性,不会对负载电压波形造成影响。     

基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源设计与实验研究

介绍了一种基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源的设计与实验,脉冲功率源系统体积约0.5 m3,输出功率大于4 GW、脉宽约150 ns。该脉冲功率源采用模块化设计,系统主要包括充电组件、薄膜介质线模块和气体火花间隙开关组三个部分。薄膜介质线储能介质为聚酰亚胺薄膜,为抑制电磁耦合以及电晕现象,匝间距选为30 mm。优化设计的三电极场畸变开关直径150 mm、高45 mm、电感值16.2 nH。为降低系统电感,薄膜介质线模块与开关间采用传输线的布线方式,中间绝缘采用聚酰亚胺膜,在2 mm间距下实现了100 kV耐压。     

具有预脉冲屏蔽板的水介质自击穿开关的电路模拟

 介绍了具有预脉冲屏蔽板的水介质脉冲形成开关的结构和等效电路模型，给出模型中等效参数的计算方法。使用Pspice软件对该模型进行了电路模拟，着重分析预脉冲屏蔽板结构对输入、输出脉冲的影响，同时分析了开关电感和电极间隙电容对电压波形的作用。模拟结果表明，开关输入、输出端的对地电容对电压波形影响很大，开关电感和电极间隙电容的影响相对较小。对比“闪光二号”加速器上进行的水介质自击穿开关实验波形和模拟波形，说明在一定范围内等效模型是可以采用的。设计开关结构时，应先合理调整屏蔽板的位置以确定其对地电容，尽量兼顾减小开关电容和电感，屏蔽板开孔大小需选取适当。     

可饱和脉冲变压器及其在脉冲调制器中的应用

提出了采用多路绕组分组并联结构和同轴结构的两种新型可饱和脉冲变压器(SPT),用来取代寿命较短的气体开关,作为脉冲电容器或几百kV级脉冲调制器的充电变压器兼主开关。采用磁芯自动复位机制的新型SPT,初步解决了普通SPT难以兼具高升压倍数和绕组低饱和电感的问题,实现独立脉冲变压器和磁开关的集成紧凑化。采用初次级绕组间反向互感压制的物理机制,实现SPT次级绕组饱和电感降低到其固有饱和结构电感以下水平的重要特性,为实现低饱和电感磁开关探索了一条新技术路线。新型SPT已在螺旋Blumlein脉冲形成线(HBPFL)型高功率脉冲调制器中获得了应用:其作为变压器实现HBPFL充电200kV的目标;其作为HBPFL主开关形成了幅度为180kV、脉宽135ns、前沿时间60ns的准方波电压脉冲。此外,提出并验证了新型SPT应用于百kV级集成紧凑化Marx发生器及多路高电压脉冲ns同步等领域的新技术路线。     

螺旋脉冲形成线实验研究

 设计了一种用于长脉冲功率源研究的Blumlein型螺旋脉冲形成线。该形成线主要是将铜带绕在绝缘衬筒上形成螺旋形结构，以蓖麻油为介质，匝数为3.5匝每m，充电时间为1 μs，负载为电子束二极管。给出了形成线参数的理论计算公式以及实验研究结果。在300 kV脉冲功率源上得到的脉冲延迟为200 ns，特征阻抗约100 Ω，形成的脉冲半高宽为180 ns，前沿15 ns，平顶宽度150 ns。实验证明该螺旋脉冲形成线结构能够有效地延长形成脉冲的宽度。最后分析了开关电感、充电时间以及螺旋形结构对形成线输出脉冲前沿及平顶畸变的影响。结果表明：较小的主开关电感是形成较陡的脉冲前沿的关键，获得好的脉冲波形应选择适当的充电周期，螺旋形结构容易导致色散产生，需要选取适当的螺旋角。     

微型平面式气体火花开关的设计和制作

基于表面微加工技术,设计并制作了一种微型平面式气体火花开关,其尺寸仅为1.5 cm0.5 cm,对制作的微型火花开关进行电路测试,得到其输出电流峰值约为3 450 A,上升时间164 ns。结合实验结果,对开关器件进行电路系统仿真并提取参数,得到系统电感为26.5 nH,电阻为0.066 ,与传统机械结构的立体式火花开关相比,器件参数得到显著优化。     

激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性

 研究了激光触发多级多通道开关的触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验参量的依赖关系，建立了零维数值模拟模型对实验现象进行了理论解释。实验结果表明：触发延迟时间及其抖动随激光脉冲能量、工作电压、气压上升呈下降趋势；随SF₆-N₂混合气中SF₆体积百分含量上升呈上升趋势。欠压比大于等于90%时200kV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟时间抖动小于1ns。     

Studies and performance of decreased rail gap switch inductance byenhancing multichanneling via gas mixture

In pulsed power technology, a pressurized gap switch has been mainly utilized to produce a high power pulse. A multichannel rail gap switch has been widely utilized not only to obtain extremely low inductance, low resistance switching but also to reduce the damage of the electrode. A self-elected multichannel rail gap switch was developed. The switch was operated with pure SF₆ and the mixture of SF₆ with N₂, channel numbers of 20 and 100 were obtained with low switching inductance's of 15 nH and 9 nH, respectively     

紧凑Tesla变压器型纳秒脉冲源

采用带有开路磁芯的Tesla变压器与单筒脉冲形成线一体化结构,研制了一台基于Tesla变压器的紧凑GW级纳秒脉冲源,该源包括一个40Ω脉冲形成线、内置Tesla变压器、初级电路及高压吹气主开关等,具有变比高、结构紧凑、能量传输效率高、便于重复频率运行等特点。给出了脉冲形成线、Tesla变压器和主开关等的工作原理、设计方法和模拟计算。实验结果表明,该脉冲源输出电压大于200kV,脉冲宽度约8ns,可以在重复频率100Hz、平均输出功率1GW情况下稳定运行,实验结果与理论设计相符。