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。     

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。     

低预脉冲水介质多通道自击穿开关实验研究

 在“闪光Ⅱ”上进行了水介质多针自击穿开关实验研究。开关由2个或4个开关间隙、预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。介绍了开关结构及其集中参数等效电路模型，并给出了部分参数计算方法。开关间隙在约60 ns时间内被近似线性地充电至约1 MV，开关的放电电流、输入和输出电压分别用罗果夫斯基线圈和硫酸铜水电阻分压器测试。进行了2个间隙结构和4个间隙结构开关实验，开关的放电电流200～550 kA，平均击穿场强600～900 kV/cm。开关间隙抖动小于4 ns，开关间隙的击穿迟滞时间约为60 ns，2个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于3 ns，4个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于5 ns。预脉冲被有效地压缩，输出电压的预脉冲幅值约为输入电压预脉冲幅值的50%，从180 kV压缩至约90 kV，作用时间由600 ns压缩至60 ns。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

 在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上，设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关，设计的最高运行电压为4 MV，放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流，用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析，结果发现二者差别较大，3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

多通道自击穿水开关测试方法研究

 在西北核技术研究所的“闪光-Ⅱ”装置上进行了水介质多针自击穿开关实验研究,该开关由2个或4个开关间隙、1个预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。给出了实验研究所使用的测试方法及波形分析方法(两个判据)。开关输入预脉冲较大时,可以认为开关输出波形的预脉冲作用时间就是开关的击穿延迟时间,故可以利用波形的预脉冲确定开关的自击穿延迟时间和开关间隙的击穿分散性以及间隙之间的击穿同步分散性;在实验测试分析过程中,可以利用间隙自击穿放电电流的dI/dt信号判断开关间隙的自击穿状态。分析表明,这两个判据可有效地确定开关的特性参数和击穿状态。     

PTS装置脉冲输出开关

出于开关性能参数和结构要求考虑,PTS装置脉冲输出开关设计为3对自击穿电极间隙的水介质开关,间隙结构采用板-球间隙的同轴-三平板结构。选择水介质自击穿开关作为研究对象,进行了1.5 MV同轴结构开关研究,并在此基础上开展了4 MV同轴-三平板结构开关研究。开关实验达到的技术指标为:自击穿电压3.5 MV,导通电流500 kA,电感65 nH,自击穿时间分散性极差4.0 ns（1.3 ns均方根值）。     

电容参数对超导储能重复频率脉冲电源性能影响

介绍了单级超导电感储能重复频率脉冲电源电路,对放电过程及转换电路中电容器的作用进行了分析,建立了单级脉冲电源的基础试验平台和电路仿真模型,利用仿真分析了不同电容参数对脉冲电源性能的影响。仿真波形与实际试验波形具有较好的一致性,能够很好地反映超导电感储能重复频率脉冲电源的输出性能,证明了电路仿真模型是可行的。仿真结果表明:电容参数对电容电压和最大电容储能比例影响较大,对输出脉冲峰值和负载的实际能量利用效率影响相对较小,选择较大的电容参数,可以降低电容电压,从而降低脉冲电源对断路开关的耐压要求,但是同样会降低输出脉冲峰值和增大最大电容储能比例。在未来大功率系统中,应在满足断路开关耐压的条件下,选择较小的电容参数。     

加速器中内置式预脉冲抑制电感的研制

 介绍了预脉冲抑制电感值的选取、大体积电感值的计算、电感在传输线内筒中的绝缘设计和主脉冲在电感上的传输时间以及等效阻抗。根据对电感值与传输线、输出线电压和二极管电流之间关系的数值模拟,预脉冲抑制电感应取值5 μH,并通过实验给出了屏蔽筒中大型电感的计算方法。根据对电感管与传输线内筒之间以及电感匝间电场强度的分析和数值模拟,确定了电感长度630 mm、外径1 160 mm和管径102 mm。通过对电感与传输线内筒之间构成的带绕螺旋传输线等效PSpcie的模拟计算,得到了电感传输线支路上的单次传输时间为349 ns,大于主脉冲的宽度;在主脉冲期间,带绕传输线的阻抗大于25 Ω,也远大于传输线的阻抗。通过内置式预脉冲抑制电感已向水介质同轴线中的气体开关引入了触发高压和工作气体。     

陡化前沿Marx发生器的设计与初步实验

 设计了10级同轴结构的陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。该系统采用3 nF低电感电容器作为储能电容,采用固体电阻作为充电电阻,通过各级短间隙气体火花开关迅速放电及级间紫外光耦合在50 Ω负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。在考虑开关电极分散电容、等效传输线效应及回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。根据数值模拟结果设计加工了10级陡化前沿的Marx发生器实验装置,在较低充电电压下（7 kV与11 kV）,得到了初步实验结果,输出电压波形大致为方波,相对于传统Marx发生器输出前沿缓慢的三角波有较大改善,半高宽为40~50 ns,前沿时间为十几ns,幅值约为41 kV和57.5 kV,实验结果与模拟结果基本一致。     

紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究北大核心CSCD

设计一种紧凑型重复频率快前沿Marx发生器,采用3.3nF陶瓷电容器作为储能电容,螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。将电容器、气体开关、充电及隔离电感设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。在考虑开关电极分散电容、回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。在理论分析的基础上,通过优化电路结构,完成了12级Marx发生器的设计与研制。在50Ω电阻负载上获得了电压150kV、脉宽30ns、上升时间10ns的脉冲波形,Marx发生器可60Hz重复频率运行,与模拟结果基本一致。     

240 kJ模块化能库型脉冲放电电源研制北大核心CSCD

空间等离子体环境模拟与研究装置用于在地面模拟空间磁场和等离子体环境,需要在3.5μH电感、0.8 mΩ电阻的环向场线圈负载上产生前沿130μs、降流时间不大于1600μs、峰值260 kA的脉冲电流,因此设计了一套模块化的电容器型放电电源。针对相对较小电感的负载,根据设计要求的放电波形和开关组件通流能力,考虑负载短路故障的情形,给出了保护电感、优化的模块数量等回路参数计算方法。进一步采用传输电缆作为能量传输,同时将电缆寄生电感作为保护电感的方案,研制了一套由4个模块组成的放电电源。研究结果表明,本文给出的电路理论计算结果与设计要求一致,放电试验进一步证明电源设计满足设计放电波形要求。     

High Power Density Water Dielectric Switching

Pulse forming networks for high current particle beam fusion accelerators must produce fast rise time, low jitter, low prepulse, and high voltage power pulses. Conventional water dielectric switching can provide the required rise time and jitter, but has limitations on prepulse and output voltage. A high power density, low prepulse, pulse forming line (PFL) configuration with self-breakdown water dielectric switches is presented. The design parameters and the results of switching experiments are described.     

“强光一号”预脉冲气体开关特性研究

 对“强光一号”加速器预脉冲气体开关特性进行了初步研究，估算开关固有电容等电气参数，给出了开关的直流自击穿特性。在此基础上，针对“强光一号”加速器预脉冲的特点，选取加速器中的预脉冲开关的工作间距及工作气压，在开关间距为24mm，气压为6.0×10⁵Pa时，成功的抑制了预脉冲。     

感应电压叠加器中水介质开关脉冲自击穿特性

 设计了应用于感应电压叠加器中的水介质主开关与峰化开关,主开关的电极结构为“平板 环型”,峰化开关的电极结构为“环型”。研究了开关在300 ns脉冲电压下的自击穿特性,给出了不同工作电压下开关的间隙距离。实验结果表明,主开关与峰化开关的结构合理、击穿特性稳定、相互配合良好,峰化开关可以有效地峰化主脉冲,降低预脉冲的幅值。主开关的实验结果同时验证了Martin经验公式的适用性。     

开关振荡器特性阻抗选取对输出波形影响

开关振荡器是宽带高功率电磁脉冲的重要产生方式之一,以开关激励同轴振荡器为例,采用理论计算和电磁仿真为主要手段,从传输线特性阻抗与开关振荡器储能、传输线特性阻抗与天线阻抗关系及传输线特性阻抗和开关导通阻抗关系三个方面进行了研究。研究结果表明:传输线阻抗越小,振荡器储能越高;天线阻抗与传输线阻抗比值越大,输出信号品质因数越大,频谱上能量越集中,带宽越小,能量效率随比值增大呈现先增大后减小趋势;传输线特性阻抗很小时,开关阻抗对输出振荡信号影响增大,此时随特性阻抗减小,输出信号中心频率降低,品质因数减小,频谱上能量分散,带宽较宽。     

A fault analysis and design consideration of pulsed-power supply for high-power laser

According to the requirements of driving flashlamps, the design of a pulsed-power supply (PPS), based on capacitors as energy storage elements, is presented. Special consideration is given to some possible faults such as capacitor internal short-circuit, bus bar breakdown to ground, flashlamp sudden short or break (open circuit), and closing switch restrike in the preionization branch. These faults were analyzed in detail, and both fault current and voltage waveforms are shown through circuit simulation. Based on the analysis and computation undertaken, the pulsed-power system design and protection requirements are proposed. The preliminary experiments undertaken after circuit simulation demonstrated that the design of the PPS met the project requirements.