强光一号2.4 MV环一板型水介质开关光学诊断

利用ns级时间分辨可见光分幅相机和光纤传感器对"强光一号"环.板型水介质开关进行光学测量,得到了电流通道发展图像以及整个放电过程的光强变化信号.实验结果表明:环-板型水介质开关开始击穿时的平均场强约为190 kV/cm,同时存在多个放电通道,流注呈树枝状分布,发展速度为几十cm/μs.     

强光一号2.4 MV 环-板型水介质开关光学诊断

 利用ns级时间分辨可见光分幅相机和光纤传感器对“强光一号”环-板型水介质开关进行光学测量,得到了电流通道发展图像以及整个放电过程的光强变化信号。实验结果表明:环-板型水介质开关开始击穿时的平均场强约为190 kV/cm,同时存在多个放电通道,流注呈树枝状分布,发展速度为几十cm/ms。     

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。     

脉冲电压下的自击穿水介质开关击穿特性和电路参数实验研究

 介绍了“强光一号”加速器中两种结构的自击穿水开关,建立了简化的开关电路模型,并通过估算和Pspice模拟确定了开关的电路参数,包括电极间杂散电容、火花通道电感和火花电阻。研究表明开关导通过程中的流注电容效应可以忽略,放电通道火花电感与电阻选取流注导通时刻的值,且在主放电电流传递过程中保持不变。根据实验结果,阐述了两种开关击穿的不同特点：对于局部电场增强型的球-板电极结构的主开关,可以采用J. C. Martin稍不均匀场水击穿经验公式估算临界场强;而棒-板电极结构的多针开关,适合用J. C. Martin针-板击穿模型的水击穿经验公式估算临界场强,且并联工作的9个多针开关可以同时形成独立的放电通道。     

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）。     

200kV/100kA低抖动环轨式多通道场畸变开关

 研制了一种200kV/100kA环轨式场畸变开关。对该开关以Ar，N₂，SF₆及SF₆/N₂，SF₆/Ar 混合气为工作介质的耐压及触发性能研究结果表明：该开关耐压最大偏差小于自击穿电击的4%；欠压比大于等于自击穿电击80%时，抖动极差小于2ns，标准方差抖动小于等于1ns；实现了多通道导通，通道数大于等于3；开关工作范围极大，在欠压比大于等于自击穿电击20%时抖动极差小于2.85ns。     

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。     

4MV同轴-三平板型水介质自击穿开关的电路模拟与实验

在PTS单路样机上进行了4 MV水介质同轴-三平板型水介质自击穿开关实验研究,开关由3个线性排列的球-板结构的电极间隙构成。根据PTS单路样机部件组成及其结构,建立了单路样机Pspice全电路模型及开关等效电路。给出了开关在自击穿电压3.3 MV和2.9 MV状态下的电路模拟与实验对比,模拟结果与实验结果一致。实验及模拟结果表明,装置和开关模型与参数选取及设置合理,水介质自击穿开关的参数与实际值相近。     

“聚龙一号”装置同步性实验研究北大核心CSCD

分析了"聚龙一号"装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响,Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率,主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键,即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通,12台激光器可以独立调整精确的出光时间,用下方的主开关比上方的提前20ns导通的方式来修正传输线长度上的差异,将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明,Marx发生器同步性抖动为11ns,主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4ns和10ns,"聚龙一号"装置的同步性抖动为6ns。在同一负载参数下,磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。     

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。     

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。     

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。     

自触发紫外预电离开关脉冲击穿时延抖动影响因素及改进方法

研究了一种自触发紫外预电离开关击穿时延抖动特性的影响因素,结果表明:触发间隙电容放电阶段起预电离作用时,预电离注入时刻开关电场是开关时延抖动的决定性因素,提高工作系数和采用逸出功更低的电极材料对降低开关在脉冲峰值附近击穿时的时延抖动效果有限。提出的改进方法为:减小开关均压电阻阻值,显著延长触发间隙的有效燃弧时间,消除预电离注入时间及抖动的影响。采用改进方法时可以使开关在工作电压300～800 kV、前沿100 ns、180 ns的脉冲峰值附近击穿时的时延抖动分别小于1.3 ns、2.8 ns。     

较高场畸变系数的大电流三电极气体开关

气体开关作为脉冲功率装置的关键部件,其自击穿概率以及触发放电延时抖动对整个脉冲功率系统具有至关重要的影响。降低开关工作系数有利于提高开关稳定性,但延时抖动会随之增大。针对用于磁驱动实验的10 MA级大电流装置应用需求,设计了一种具有较高场畸变系数、能在较低工作系数条件下稳定工作的三电极气体开关,并开展了该开关的性能研究。模拟与实验结果表明：在触发电压与充电电压相当的条件下,开关的场畸变系数接近4,开关工作系数高于60%时,开关具有较低的延时抖动,抖动均方根小于3 ns。结合该开关设计了一个两级Marx储能模块,充电电压±50 kV条件下短路放电,模块回路放电电流峰值达到150 kA、周期2μs。上千次放电实验后,开关电极表面未发生明显烧蚀,工作正常。工作系数68.5%时,共计4 000发实验中未出现自放电现象,自击穿概率低于2.5×10-4。上述结果表明该开关可满足300～400只开关同时工作的大电流装置需求。     

2 MV激光触发气体开关实验研究

介绍了2 MV激光触发多级气体开关在强光一号加速器上的实验研究工作。给出了实验方案,激光触发信号采用轴向引入的方法,激光光路穿过二极管,沿水线轴向引入开关;分析了开关自击穿实验和触发实验的实验结果,总结了实验中出现的问题并对其原因进行了分析,提出了改进措施。 结果表明,开关最大工作电压2 MV,最大电流大于600 kA,当欠压比88.3%时,激光触发开关的平均延时34.2 ns,抖动小于3.86 ns。     

氮气介质高气压开关特性

从理论分析、软件模拟、实验研究等方面研究了氮气介质高气压开关的工作特性。根据强度理论计算所设计并加工的开关的理论压强可达10 MPa。对氮气介质高气压开关进行实验,得到在气压范围2,4,6 MPa、电极间隙0.1,0.5,1.0 mm时,气隙的击穿延时小于14 ns,抖动小于1 ns;在气压2 MPa、电极间隙0.1 mm时50%击穿电压约为34 kV。与常压空气开关相比较,该开关具有很好的稳定性和绝缘特性。     

同轴场畸变气体开关运行特性

 开关静态工作特性通常会随放电次数的增加而发生某些变化。针对“强光一号”加速器工作初期、工作中后期和不稳定工作期的120只气体开关,在随机抽样的基础上进行静态实验,给出了三个不同阶段直流自击穿电压与气压的关系。根据0.08 MPa下工作中、后期开关连续80次的直流自放电电压,同时利用Gauss和Weibull概率统计模型,分别计算了不同电压下单只开关和系统的自放电概率。结果均表明,对于工作中、后期的开关,当气压为0.19 MPa时,在42 kV运行电压下,加速器上120只气体开关不发生自放电的概率大于90％,与实际运行情况相符,此时开关的动态放电时延为170 ns,抖动小于20 ns。     

电晕均压多间隙串联气体开关特性实验

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关,分析了电晕放电在开关工作过程中的作用,开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明:老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%,电晕均压效果明显;随着放电次数增加,电晕针尖逐渐钝化,触发性能变化不大;开关电晕放电电流随耐受电压升高增大,增长趋势逐渐变快;开关充400 kPa干燥空气,100 kV工作电压下开关放电50 000次以上,触发性能稳定,触发击穿时延抖动约4.3 ns,自放电概率低于110-4。