长脉冲强流二极管径向绝缘研究

介绍了一种应用于长脉冲强流二极管的径向绝缘结构。简介了真空表面闪络机理,径向绝缘结构的设计思路。采用锥形绝缘结构,使用计算机模拟静电场分布优化设计了几何结构参数,在脉宽为200ns的脉冲源上进行了实验研究。二极管最高输出电压为750kV,平均绝缘子表面耐电场强度约50kV/cm,达到了设计要求。     

一种陶瓷径向绝缘强流二极管耐压结构设计

 对外径230 mm的陶瓷绝缘板,依据强流真空二极管径向绝缘的设计思想,设计加工了“锥-柱”型阳极外壳,并在传输线内筒和阴极杆末端位置增加了均压罩和屏蔽环结构。利用静电场有限元程序计算了陶瓷-真空界面电场分布,通过对外壳细节结构以及均压罩、屏蔽环形状和位置的调整,使得真空界面上沿面场强和三结合点处场强均得到了有效控制。在单线长脉冲加速器上进行了实验研究,结果显示,二极管能够耐受400 kV、脉宽大于200 ns的脉冲电压,运行稳定,达到了理论设计要求。     

一种陶瓷径向绝缘强流二极管耐压结构设计

对外径230 mm的陶瓷绝缘板,依据强流真空二极管径向绝缘的设计思想,设计加工了“锥-柱”型阳极外壳,并在传输线内筒和阴极杆末端位置增加了均压罩和屏蔽环结构。利用静电场有限元程序计算了陶瓷-真空界面电场分布,通过对外壳细节结构以及均压罩、屏蔽环形状和位置的调整,使得真空界面上沿面场强和三结合点处场强均得到了有效控制。在单线长脉冲加速器上进行了实验研究,结果显示,二极管能够耐受400 kV、脉宽大于200 ns的脉冲电压,运行稳定,达到了理论设计要求。     

高能闪光X射线二极管设计与模拟

为了研制出便携式的具有较高性能的高能闪光X射线系统,需要发展新型紧凑型的高能闪光X射线二极管,要求其体积小,能工作在较高电压下。简要介绍了冷阴极X射线二极管的结构和工作原理;阐述了二极管绝缘结构设计原则,设计了一种新型的紧凑型轴向绝缘结构的X射线二极管;在高压端和地电极之间采用绝缘环和金属均压环交替叠加进行轴向绝缘,有利于减小二次电子发射几率,降低绝缘体表面爬电几率,缩短轴向绝缘距离。二极管工作电压为1 MV,轴向绝缘距离约260 mm,结合ANSYS数值模拟软件进行了静电场数值计算。二极管轴向绝缘区最大工作场强为95 kV/cm,各阳极三相点最大场强为26 kV/cm。计算结果表明：二极管的工作场强低于真空闪络场强;所有三相点的工作场强均满足绝缘要求。     

高能闪光X射线二极管设计与模拟

 为了研制出便携式的具有较高性能的高能闪光X射线系统,需要发展新型紧凑型的高能闪光X射线二极管,要求其体积小,能工作在较高电压下。简要介绍了冷阴极X射线二极管的结构和工作原理;阐述了二极管绝缘结构设计原则,设计了一种新型的紧凑型轴向绝缘结构的X射线二极管;在高压端和地电极之间采用绝缘环和金属均压环交替叠加进行轴向绝缘,有利于减小二次电子发射几率,降低绝缘体表面爬电几率,缩短轴向绝缘距离。二极管工作电压为1 MV,轴向绝缘距离约260 mm,结合ANSYS数值模拟软件进行了静电场数值计算。二极管轴向绝缘区最大工作场强为95 kV/cm,各阳极三相点最大场强为26 kV/cm。计算结果表明：二极管的工作场强低于真空闪络场强;所有三相点的工作场强均满足绝缘要求。     

高压径向均压绝缘堆设计

以形成线储能结合脉冲压缩方式产生数MV高压输出,是脉冲功率系统中常见的技术途径,其中绝缘堆是该类装置工程成败的关键。分析了几种径向均压绝缘堆的均压机制,基于静电场分析程序对径向均压绝缘堆结构进行了优化设计,给出了径向电阻的设计方法。研究表明：采用均压环且均压环与径向电阻电气接触的绝缘堆结构可以获得较均匀的径向电场分布,而径向电阻是绝缘堆设计的关键。在有效作用时间100 ns的4.5 MV加载电压下,优化设计的绝缘堆阴极三相点电场控制在25 kV/cm,Martin电场约120 kV/cm,低于理论击穿值。     

一种在真空中测量脉冲高电压的电阻分压器

为测量快脉冲直线变压器驱动源（LTD）二极管负载的脉冲高电压,设计了在真空环境中使用的电阻分压器。分压器使用绝缘堆结构,采用静电场模拟分析了分压器的电场分布。建立了包含分布参数的等效电路,并进行了频率响应仿真,可得分压器的频响上限为200 MHz。使用标准高压探头对分压器进行在线标定,分压比标定结果为5 400∶1,与设计值相符合。在LTD调试实验中,模块充电85 kV时二极管电压为1.08 MV,与理论估算结果一致。     

高发射电流密度二极管实验研究

介绍了一种径向绝缘的高发射电流密度二极管的结构及其磁场系统,该二极管采用爆炸发射方式,阴极为高密度热解石墨,绝缘子为氧化铝陶瓷,并采用阴极屏蔽技术,阴极尖端处的最高场强达2.470 MV/cm。同时利用CHP01加速器实验平台对这种二极管的发射特性进行了实验研究。其输出电子束参数达到：电压600 kV、电流12 kA、脉冲宽度45 ns、脉冲重复频率100 Hz、阴极电子发射密度达17 kA/cm2。电压不稳定度小于3%,电流不稳定度小于5%。研究了在高发射电流密度下二极管重复频率稳定运行问题及引导磁场对二极管输出束流及特性阻抗的影响,结果表明：二极管输出束流随磁场增大而有所减小并趋于稳定;特性阻抗则随磁场的增大而增大,当磁场强度达到临界磁场以上时,特性阻抗也趋于稳定。     

一种在真空中测量脉冲高电压的电阻分压器

为测量快脉冲直线变压器驱动源（LTD）二极管负载的脉冲高电压,设计了在真空环境中使用的电阻分压器。分压器使用绝缘堆结构,采用静电场模拟分析了分压器的电场分布。建立了包含分布参数的等效电路,并进行了频率响应仿真,可得分压器的频响上限为200 MHz。使用标准高压探头对分压器进行在线标定,分压比标定结果为5 400∶1,与设计值相符合。在LTD调试实验中,模块充电85 kV时二极管电压为1.08 MV,与理论估算结果一致。     

百焦耳级KrF准分子激光装置设计与调试

首先用解析方法分析了提高激光输出能量的途径。其次用分析和反应动力学模拟计算相结合方法给出激光腔设计参数。并给出二极管、电子束传输系统以及变阻抗线预脉冲开关等设计参数。根据这些参数对百焦耳准分子激光器进行了工程设计。在安装调试时,采用单元安装、逐级调试然后总调。在调试中解决了阴极边缘电子发射和沿径向有机玻璃绝缘板表面的沿面滑闪等问题。在Marx电压1.1MV,主膜为50μmTi箔,二极管电压为620kV,电子束流为160kA,束能8kJ条件下,当腔内总气压为0.25MPa、气体混合比为F_2Kr:Ar=0.4:10:89.6,谐振腔全反镜反射率为96％,输出镜透射率为75％时,获得稳定、重复100JKrF激光输出能量。     

“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时,火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象,直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此,对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析,用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计,有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度,其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm,阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm,绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理,降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。     

强流束二极管绝缘子结构设计与实验研究

介绍了一种应用于强流束二极管的径向绝缘结构,并对其在纳秒脉冲条件下的沿面闪络放电现象进行了研究。使用计算机模拟静电场的方法,对锥形结构绝缘子表面的电场分布进行了研究,优化了几何结构参数。在脉宽为40 ns,重复频率100 Hz的脉冲功率源上对绝缘子进行了实验研究。在历时18个月及100 000次脉冲实验后,发现绝缘子表面具有明显的树枝状放电现象,树枝状放电的根部碳化严重,绝缘子深度方向被完全击穿碳化,出现孔洞。基于固-液交界面闪络特性,对树枝状放电的可能原因进行了探讨。     

强流束二极管绝缘子结构设计与实验研究

 介绍了一种应用于强流束二极管的径向绝缘结构,并对其在纳秒脉冲条件下的沿面闪络放电现象进行了研究。使用计算机模拟静电场的方法,对锥形结构绝缘子表面的电场分布进行了研究,优化了几何结构参数。在脉宽为40 ns,重复频率100 Hz的脉冲功率源上对绝缘子进行了实验研究。在历时18个月及100 000次脉冲实验后,发现绝缘子表面具有明显的树枝状放电现象,树枝状放电的根部碳化严重,绝缘子深度方向被完全击穿碳化,出现孔洞。基于固-液交界面闪络特性,对树枝状放电的可能原因进行了探讨。     

真空绝缘子脉冲表面电场在线测量系统的实现

基于Kerr电光效应,建立了用以对纳秒脉冲高电压作用下的真空绝缘子表面电场进行在线测量的实验系统。该测量系统由快脉冲高电压源、YAG激光器、同步控制系统、被测中空薄壁绝缘子及Kerr效应单元、光学相位差检测系统等部分构成。利用YAG激光器输出的激光脉冲,触发导通快脉冲高压源中的高压气体开关,使其给被测绝缘子试品上施加一个脉宽100ns的高压脉冲方波。利用同步控制,使得探测激光在试品上的脉冲方波达到幅值后,入射到Kerr腔体中对Kerr效应进行探测。从而实现了对绝缘子表面电场的在线测量,并给出了初步的测量结果。     

真空绝缘子脉冲表面电场在线测量系统的实现

基于Kerr电光效应,建立了用以对纳秒脉冲高电压作用下的真空绝缘子表面电场进行在线测量的实验系统。该测量系统由快脉冲高电压源、YAG激光器、同步控制系统、被测中空薄壁绝缘子及Kerr效应单元、光学相位差检测系统等部分构成。利用YAG激光器输出的激光脉冲,触发导通快脉冲高压源中的高压气体开关,使其给被测绝缘子试品上施加一个脉宽100 ns的高压脉冲方波。利用同步控制,使得探测激光在试品上的脉冲方波达到幅值后,入射到Kerr腔体中对Kerr效应进行探测。从而实现了对绝缘子表面电场的在线测量,并给出了初步的测量结果。     

介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为：陶瓷介质长度300 mm,宽度15 mm,厚度1 mm;银电极长度280 mm,宽度2 mm。电性能参数为：相对介电常数约23.5,特征阻抗约26 ,电长度约4.5 ns,直流耐压场强大于20 kV/mm,在s量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25 kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25 kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23 kV。