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。     

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。     

间隙长度对气体火花开关静态性能的影响

针对快放电直线脉冲变压器驱动源初级储能开关,调节开关气压,进行相同自击穿电压下不同间隙长度的开关自击穿实验。通过监测自击穿电压分布规律变化,研究开关间隙长度对开关自击穿特性的影响。结果表明,当开关间隙长度较大时,电极表面粗糙度较小,表明电极烧蚀程度较低。开关间隙长度为6 mm时,开关自击穿电压分散性达到最小,自击穿电压分布符合高斯函数,间隙长度大于6 mm时自击穿电压分布符合极限函数。适当增加开关间隙长度使自击穿电压分布失去对称性,有利于开关在低欠压比下获得更好的静态性能。针对电极结构,选择开关间隙长度为6~9 mm时能够获得最佳的静态性能。初步分析,引起开关自击穿电压分布发生改变的原因是电场强度的改变对阴极电子发射产生了影响。     

间隙长度对气体火花开关静态性能的影响

针对快放电直线脉冲变压器驱动源初级储能开关,调节开关气压,进行相同自击穿电压下不同间隙长度的开关自击穿实验。通过监测自击穿电压分布规律变化,研究开关间隙长度对开关自击穿特性的影响。结果表明,当开关间隙长度较大时,电极表面粗糙度较小,表明电极烧蚀程度较低。开关间隙长度为6 mm时,开关自击穿电压分散性达到最小,自击穿电压分布符合高斯函数,间隙长度大于6 mm时自击穿电压分布符合极限函数。适当增加开关间隙长度使自击穿电压分布失去对称性,有利于开关在低欠压比下获得更好的静态性能。针对电极结构,选择开关间隙长度为6~9 mm时能够获得最佳的静态性能。初步分析,引起开关自击穿电压分布发生改变的原因是电场强度的改变对阴极电子发射产生了影响。     

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台,运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关,对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究,结果表明：重复频率小于50 Hz时,火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于5%,不需要吹气;在给定吹气速度下,火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率;火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度,且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系,并可由实验确定;在优化吹气速度条件下,当气压处于0.7~1.5 MPa范围时,该火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于3%;在2.0 MPa的压强范围内,该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300 Hz,击穿电压400 kV。     

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

 基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台,运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关,对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究,结果表明：重复频率小于50 Hz时,火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于5%,不需要吹气;在给定吹气速度下,火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率;火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度,且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系,并可由实验确定;在优化吹气速度条件下,当气压处于0.7~1.5 MPa范围时,该火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于3%;在2.0 MPa的压强范围内,该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300 Hz,击穿电压400 kV。     

可调间隙亚纳秒气体开关的研制

 设计了一种高工作电压、高重复频率的亚纳秒气体开关,该开关由Peaking间隙和Chopping间隙组成,可以将纳秒信号转化为亚纳秒脉冲。开关腔外有两组调节旋钮,分别用来调节Peaking间隙和Chopping间隙,使输入脉冲的前后沿能同时得到锐化。对设计的开关进行的实验研究结果表明：在系统重频5 Hz运行时,开关能稳定输出电压278 kV、脉宽620 ps的脉冲;在系统重频100 Hz运行时,开关能稳定输出电压270 kV、脉宽700 ps的脉冲。     

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。     

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。     

可调间隙亚纳秒气体开关的优化设计

 对用于UWB-1系统的可调间隙亚纳秒气体开关进行了结构优化设计,并采用Ansoft软件分别对开关绝缘子和电极处的静电场进行了模拟。优化后的调节旋钮在实验调试中使用方便,能准确地测量开关间隙的大小。绝缘子结构优化后,局部场强集中点的最大场强降低为126.6 kV·mm^-1,低于理论击穿场强,满足了绝缘要求。对优化后的亚纳秒气体开关进行了高压实验,结果表明：绝缘子处没有击穿现象发生,开关工作稳定,输出脉冲的前后沿变快且脉宽变窄。系统重复频率5 Hz运行时,优化后的脉冲前后沿和脉宽分别比优化前减小了130,120和100 ps。系统重复频率100 Hz运行时,优化后的脉宽比优化前减小了150 ps,比重复频率5 Hz运行时只增加了30 ps。     

高压火花隙开关中气体冷却的数值模拟

 高温气体的冷却对火花隙开关的重复运行具有重要的影响。利用流体方程、热传导方程和理想气体状态方程构建的方程组,对火花隙开关中高温气体冷却的过程进行了数值模拟。分析了气体导热系数、粘性系数、对流及气体压强等要素对气体冷却速度的影响,得到了气体冷却的基本规律：火花隙开关内气体的冷却以传导为主;若不采用其他手段,气体在十几ms内冷却较困难;对流的作用经数十ms后才显著;气体的粘性系数对气体冷却的影响可以忽略。可以通过选用导热系数高的气体,优化电极结构或采用吹气方法提高气体冷却速度的办法。     

可调间隙亚纳秒气体开关的优化设计

对用于UWB-1系统的可调间隙亚纳秒气体开关进行了结构优化设计,并采用Ansoft软件分别对开关绝缘子和电极处的静电场进行了模拟。优化后的调节旋钮在实验调试中使用方便,能准确地测量开关间隙的大小。绝缘子结构优化后,局部场强集中点的最大场强降低为126.6 kV·mm-1,低于理论击穿场强,满足了绝缘要求。对优化后的亚纳秒气体开关进行了高压实验,结果表明：绝缘子处没有击穿现象发生,开关工作稳定,输出脉冲的前后沿变快且脉宽变窄。系统重复频率5 Hz运行时,优化后的脉冲前后沿和脉宽分别比优化前减小了130,120和100 ps。系统重复频率100 Hz运行时,优化后的脉宽比优化前减小了150 ps,比重复频率5 Hz运行时只增加了30 ps。     

高压火花隙开关中气体冷却的数值模拟

高温气体的冷却对火花隙开关的重复运行具有重要的影响。利用流体方程、热传导方程和理想气体状态方程构建的方程组,对火花隙开关中高温气体冷却的过程进行了数值模拟。分析了气体导热系数、粘性系数、对流及气体压强等要素对气体冷却速度的影响,得到了气体冷却的基本规律：火花隙开关内气体的冷却以传导为主;若不采用其他手段,气体在十几ms内冷却较困难;对流的作用经数十ms后才显著;气体的粘性系数对气体冷却的影响可以忽略。可以通过选用导热系数高的气体,优化电极结构或采用吹气方法提高气体冷却速度的办法。     

气隙式热开关传热特性研究

本文介绍了一种新型低温热开关的工作原理.考虑到热开关充人的气体在连续介质区和自由分子状态的传热以及肋片沿轴向的导热对热开关的传热特性进行了详细的理论分析.建立了该种热开关传热的理论模型.给出了肋片的厚度、长度、气隙宽度、外壳壁厚与导通热导之间的关系曲线以及气体压强、外壳厚度与关断热导之间的关系曲线.     

高功率气体火花开关电极烧蚀机理研究

 从热力学的角度，对高功率气体火花开关的电极烧蚀过程进行了理论分析，建立了该烧蚀过程的简化数学模型并进行了数值求解；研究了电极烧蚀深度与密度、定压比热容、熔点、沸点、热导率、熔解热等电极材料特性参数的关系；比较了钨、铜、铝三种常用电极材料的耐烧蚀能力，结果表明钨的耐烧蚀能力最强，铜次之。     

多间隙轨道式气体开关自击穿特性

介绍了一种多间隙轨道式气体开关的结构及其自击穿实验研究结果。通过对开关放电的理论分析,并结合实验数据,获得一个适合该开关自击穿工作特性的表达式。研究结果发现, 在高气压条件下,开关静态特性曲线与空气击穿的经验式曲线存在较大的差别,并且击穿电压随气压增加并不完全呈线性变化。经过对实验条件和数据的分析,认为在高气压、高电压条件下,电极表面形成的电晕可能是导致该开关静态特性曲线出现此现象的原因。由于开关的特殊结构,电极电晕不仅未起到均压的作用,反而减小了电极之间有效的绝缘距离,从而导致开关自击穿电压实验值与经验理论值的偏离。     

高功率气体火花开关电极烧蚀机理研究

从热力学的角度,对高功率气体火花开关的电极烧蚀过程进行了理论分析,建立了该烧蚀过程的简化数学模型并进行了数值求解;研究了电极烧蚀深度与密度、定压比热容、熔点、沸点、热导率、熔解热等电极材料特性参数的关系;比较了钨、铜、铝三种常用电极材料的耐烧蚀能力,结果表明钨的耐烧蚀能力最强,铜次之。     

平板Blumlein线多通道轨道开关

 设计制作了一个有多通道连接的类似轨道的平行电极结构的开关,给出了开关的结构,对开关内的电场分布做出分析,利用Pspice软件对安装在实验装置中的开关的电压电流进行了计算。实验测得此开关在实验系统中耐压约为500 kV,导通时通过阻值为1 kΩ的水电阻负载的电流为400 A左右。实验所得电压电流波形与模拟结果基本吻合。实验证明此开关具有体积小、更适于平板传输线的结构等优点。     

电极材料对气体火花开关静态性能的影响

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5 mm,工作气压为0.25 MPa,击穿电压平均值为40 kV。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。     

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。