4MV激光触发多级多通道开关特性

激光触发多级多通道开关是多路并联高功率脉冲装置的首选同步开关，对系统中各路脉冲功率系统的运行时序进行精确控制，以实现脉冲功率的有效叠加。由24个模块组成的10MAz—pinch实验装置（PTS）采用4MV激光触发多级多通道开关作为其系统中的主同步开关。该开关由～级激光触发间隙和21级自击穿间隙组成，采用匀场结构设计（即其所有间隙均为轴对称均匀场分布间隙），触发间隙电极设计为不锈钢Bruce电极；过压自击穿间隙电极设计为不锈钢冰壶型电极。采用场调整环强制调整开关区内的空间电场分布。     

4 MV激光触发多级多通道开关特性

报道了4 MV激光触发多级多通道开关的结构设计和初步的实验结果及分析。该开关采用轴向聚焦触发方式，设计为匀场结构，采用场调整环与匀压环调整开关间隙电场分布，电极-绝缘子序列采用堆栈结构替代榫接结构，独立定位、紧固。实验结果表明:4 MV激光触发多级多通道开关的自击穿电压偏差小于5%，自击穿电压与工作气压呈良好的线性关系；触发延迟时间约25 ns，极差小于±2.5 ns，抖动1.5 ns；等工作电压-气压比条件下，随着气压和工作电压的上升触发延迟时间及其抖动趋向下降。     

4 MV激光触发多级多通道开关特性

 报道了4 MV激光触发多级多通道开关的结构设计和初步的实验结果及分析。该开关采用轴向聚焦触发方式，设计为匀场结构，采用场调整环与匀压环调整开关间隙电场分布，电极-绝缘子序列采用堆栈结构替代榫接结构，独立定位、紧固。实验结果表明：4 MV激光触发多级多通道开关的自击穿电压偏差小于5%，自击穿电压与工作气压呈良好的线性关系；触发延迟时间约25 ns，极差小于±2.5 ns，抖动1.5 ns；等工作电压-气压比条件下，随着气压和工作电压的上升触发延迟时间及其抖动趋向下降。     

小型场畸变气体开关的击穿抖动特性

基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求,研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关,并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系,计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数,分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明:气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大;填充气体中SF₆和N₂体积比1∶1时,混合气体的综合性能较好;工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。     

电极结构对触发管型开关击穿特性的影响

基于600kV触发管型SF6气体开关,设计了三种具有典型电场分布的电极结构,计算分析了各个场分布特点,在-600kV/400ns脉冲电压下对不同电极结构进行了击穿特性实验,分析了场分布对开关击穿特性的影响。实验结果表明:三种结构中平头形电极触发击穿模式与其欠压比相关,触发抖动较小;球头形电极自击穿电压抖动最小,能够稳定工作于长时间触发击穿模式;锥头形电极击穿模式较不稳定,可能与其两个间隙击穿特性较相近有关。     

100 kV重频气体开关初步研究及应用

为了减小脉冲功率源装置的体积, 对三电极气体开关和两电极气体开关的结构进行了小型化设计。采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化, 对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同SF6气压（0～0.2 MPa）、不同开关间隙条件下的击穿电压及触发工作电压等进行了实验研究。结果表明:设计的触发开关和自击穿开关在0～0.2 MPa气压范围内, 自击穿电压随气压具有很好的线性关系; 自击穿开关间隙为8 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现自击穿电压90～125 kV可调; 触发开关主间隙为7 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现触发工作电压40～95 kV 可调; 初步估算, 触发开关和自击穿开关的工作电感均约20 nH。利用重频脉冲电源, 测试了开关的重频工作能力, 在工作电压80 kV、导通电流约20 kA的条件下, 重复工作频率在20 Hz以上。此外, 利用研制的开关构建了八级紧凑型Marx发生器, 实现了5和10 Hz重频多脉冲输出。     

200kV小型低电感气体开关

为减小脉冲功率源装置的体积,对场畸变三电极轨道气体开关和两电极轨道气体开关结构进行了小型化低电感设计,采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化,对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同气压(0~0.3MPa)和不同气体介质(N2,SF6,以及二者混合)条件下的击穿电压及导通电感等进行了研究。研究表明:小型触发开关和自击穿开关在0~0.3MPa气压范围内自击穿电压随气压具有较好的线性关系;相同气压下SF6气体的自击穿电压约为N2气体的两倍;N2与SF6压力按3∶2混合的自击穿电压约为纯SF6气体的0.8~0.9倍;内部充入0.25MPa气压的SF6气体时,触发开关和自击穿开关均可在190kV左右正常工作。根据实验中出现的开关沿面击穿现象,对开关的沿面绝缘能力进行了优化设计,并得到了实验验证。另外通过短路放电测试,得到触发开关电感约22nH,自击穿开关电感约20nH,开关导通电流大于20kA,多次放电后电极烧蚀痕迹分布均匀。     

3 MV多级多通道缩比开关自击穿特性

通过短接电极间隙,开展了3 MV多级多通道缩比开关不同间隙级数和单独触发间隙的自击穿特性分析,结果表明:自击穿电压随电极间隙距离不是线性增加,与Bradley经验公式存在差距。采用Ansoft软件模拟了实验开关不同级数的电场分布,得到不同级数开关电场分布的不均匀系数。结合缩比开关自击穿实验数据、Bradley经验公式和电场分布不均匀系数,在Bradley经验公式中加入开关作用时间因素和电场不均匀系数,得到一个Bradley外推公式,能较好地反应多级多通道气体开关的自击穿电压,使3 MV实际开关自击穿电压理论值与实验值误差减小到5%。     

激光触发多级多通道开关研究

研制成功了触发延迟时间抖动小于1ns的200kV原理型激光触发多级多通道开关，该开关由Bruce剖面型不锈钢电极构成的激光触发间隙和5-9级冰壶型不锈钢电极构成的等间距环形过压自击穿隙组成。采用了四倍频Nd：YAG激光器为触发源，研究了开关触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量、工作电压、气体种类及气体压强等实验参数之间的依赖关系。     

μs前沿百kV激光触发水开关的实验研究

开展了百kVμs前沿脉冲作用下激光触发水开关的研究。水开关采用球板电极结构,球头轴向开激光通孔,高压极为平板电极。开关自击穿电压133kV,抖动263ns。实验研究了激光击穿弧长占据间隙不同比例、不同触发能量和不同触发时刻等因素对触发抖动的影响。结果表明激光触发可将抖动有效减小到30ns以内。触发能量高于19mJ时触发抖动与能量大小关系不大。     

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     

3 MV自耦式紫外预电离开关的设计

 基于紫外预电离技术和阻容耦合电路研制了应用于高功率装置的三串联3 MV自耦式紫外预电离开关。该开关由紫外预电离间隙和开关主间隙组成。根据同类开关在脉冲电压下的击穿数据推算出3 MV开关的间隙距离,开关主间隙的电场不均匀系数为1.58。采用台阶屏蔽技术使开关有机玻璃筒外沿面最大电场小于50 kV/cm,满足设计要求。设计紫外预电离间隙击穿电压为主脉冲电压的1%,理论模拟计算表明,在0.1～0.7 MPa范围内,预电离间隙电压大于在此范围内间隙击穿电压,保证可靠预电离。     

脉冲功率装置的脉冲形成单元研究

 介绍了所研制的脉冲功率装置的组成、脉冲形成单元的设计以及脉冲形成单元实验研究结果。研究了包含脉冲形成线的绝缘设计校验、装置的脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关的抖动的关系。实验结果表明：在3.6 MV脉冲电压作用下，脉冲形成线的前后尼龙隔板未出现表面闪络等绝缘问题，脉冲形成线的绝缘满足设计要求。主同步开关的抖动1.6 ns，脉冲输出开关的抖动小于3.1 ns，脉冲形成单元的整体抖动小于3.0 ns，满足装置同步性能要求。     

激光触发开关的电参数测量

 为进行PTS装置单路样机激光触发开关的调试,设计安装了相应的电压电流探头。通过对比分析了探头测量结果,解释了开关出口D-dot电压探头波形畸变的原因,并运算得到了正确的波形。B-dot探头得到了与模拟结果符合的电流微分信号和电流信号。实验结果表明： D-dot探头适合MV量级的高电压脉冲测量,但当该探头工作在开关区时,设计中需要对比探头与被测电极以及其它电极的结构电容,只有满足结构电容远大于与其它高压电极的电容时,才能获得较真实的信号。如果结构设计中难以满足该要求,可以采用软件处理方法得到正确的波形。使用B-dot探头输出的电流微分信号可以较为准确地得到开关导通延迟时间,测量误差小于0.7 ns。     

紧凑型MV级强流加速器输出开关

 介绍了一种水介质脉冲形成线强流电子束加速器的输出开关的设计和实验结果。水介质脉冲形成线为单同轴螺旋结构,阻抗约9 Ω,充电电压为1.2 MV,匹配负载输出电压600 kV,脉冲宽度100 ns,形成线长度1.1 m,最大外径35 cm。输出开关采用简单的自击穿火花开关形式,主要采用了以下设计原则：（1）电极间隙的场增强因子小于1.4,使SF6的击穿电压 压强曲线尽可能线性;（2）电极间平均场强300 kV/cm,大于材料沿面界面场强的3倍以上,避免发生沿面闪络;（3）控制各结合点的场强,使其小于30 kV/cm;（4）减少开关室的体积,以保证最大的机械强度。该开关结构紧凑,总长度为12 cm,电感小于100 nH、击穿电压和气压的线性关系好,可在0.3~1.2 MV的较宽范围内调节。实验中开关运行稳定可靠,达到了设计要求。     

开关触发延迟时间和抖动测量的不确定度分析

为明确脉冲功率装置开关触发延迟时间和抖动测量的可信度,进行了不确定度评定。使用拟合的线性关系式结合示波器水平分辨力导致的不确定度建立开关延迟时间不确定度的数学模型;根据抖动的定义建立抖动的测量不确定度数学模型。两者均按B类不确定度评定。以相关实验数据为基础计算了各个不确定度分量、合成标准不确定度以及扩展不确定度。按工程测量要求置信概率为95%,取包含因子为2,可得初级实验平台(PTS)单路样机激光触发开关触发延迟时间测量的扩展不确定度为0.38 ns;抖动测量的扩展不确定度为0.13 ns。延迟时间和抖动测量结果的不确定度满足实验分析的要求。     

自耦式紫外预电离开关特性

 研究了300 kV脉冲电压作用下自耦式紫外预电离开关的工作原理。为了在脉冲电压下实现开关的自耦合预电离,设计了适当的分压电路及预电离结构。模拟计算表明,分压电路参数合适时,可以实现预电离间隙与开关主间隙的击穿配合。实验结果表明：在脉冲电压作用下,调节电路参数可以有效调节紫外预电离产生时刻;在适当的时刻产生紫外预电离可以有效减小开关击穿抖动;该开关在240 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于3 ns,在36 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于2 ns。     

Terahertz wave switch based on photonic crystal ring resonators

In this paper, we have presented a compact and integrated terahertz wave switch design based on photonic crystal ring resonators. The photonic crystal structure with square lattice is investigated and applied for design of ring resonators. The switching mechanism of this novel switch is based on the variation of the resonant frequency of the ring resonator inserted between two parallel waveguides. The refractive index of the holes of the structure filled with polyaniline electrorheological fluids are varied by applied external electric field, the result of which is the variation of the ring resonant frequency. The proposed device is analyzed by using finite difference time domain method. Numerical simulation results show that this switch has high extinction ratio, small size, low voltage and advantages of selectivity of coupling THz wave to different output ports.