圆柱电极激光触发开关击穿前的模拟计算

在加入SF6气体与电子的碰撞反应截面后,利用基于PIC-MCC方法的XOOPIC程序,对天光Ⅰ号激光装置预放大器上的圆柱电极激光触发开关进行击穿前流柱形成过程的模拟计算。详述了模拟条件的选择及激光触发条件的等效,并给出了模拟结果。模拟结果表明,在弧道初始半径约为250 μm的条件下,经过0.15 ns后正离子到达阴极,开关导通。因此验证了通过PIC-MCC方法模拟,可以为开关弧道的电阻的动态变化的电路模拟给出初始条件,使之能够更为准确的预测开关的导通行为,为开关设计提供了一个新的工具。     

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。     

电极结构对触发管型开关击穿特性的影响

基于600 kV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-600 kV/400 ns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。     

强光一号激光触发开关的触发系统

介绍了基于强光一号实验平台的2 MV级激光触发开关（LTGS）实验中触发系统的设计与应用情况。系统中使用了一台266 nm 四倍频Nd：YAG激光器,单次触发输出参数为80 mJ,7 ns,0.5 mrad的激光脉冲,用于触发LTGS。激光器的触发源为两台DG535脉冲发生器,联合强光一号触发信号发生装置使用,保证了激光脉冲与开关电压峰值的同步性。触发系统在自击穿电压波峰前200 ns将激光脉冲馈入开关,在充气0.2～0.3 MPa条件下均能成功触发,得到了充气0.3 MPa时触发抖动3.86 ns的结果。     

强光一号激光触发开关的触发系统

介绍了基于强光一号实验平台的2 MV级激光触发开关（LTGS）实验中触发系统的设计与应用情况。系统中使用了一台266 nm 四倍频Nd:YAG激光器,单次触发输出参数为80 mJ,7 ns,0.5 mrad的激光脉冲,用于触发LTGS。激光器的触发源为两台DG535脉冲发生器,联合强光一号触发信号发生装置使用,保证了激光脉冲与开关电压峰值的同步性。触发系统在自击穿电压波峰前200 ns将激光脉冲馈入开关,在充气0.2～0.3 MPa条件下均能成功触发,得到了充气0.3 MPa时触发抖动3.86 ns的结果。     

XeCl激光触发气体开关的实验研究

通过实验研究了在自流工作状态下,XeCl准分子激光(λ=308nm,FWHM=21ns)对N_2和SF_6两种气体开关的触发特性。实验结果表明:(1)在p=0.1MPa,开关工作电压90％V_(SB)(V_(SB)为开关的自击穿电压)时,XeCl激光对N_2和SF_6两种气体开关的触发阈值约为10~8W/cm~2。(2)开关的触发延时和抖动随着激光能量和开关欠压比的增大而减小,当激光能量为33.8mJ,开关工作电压90％V_(SB)(V(SB)=36.5kV)时,充N_2开关的延时和抖动分别为85.5ns和400ps。相同欠压比下,SF_6气体开关(V_(SB)=52kV)的最小抖动度为2ns。(3)SF_6气体开关的触发延时与用T.H.Martin公式计算的结果一致。     

激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性

研究了激光触发多级多通道开关的触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验参量的依赖关系,建立了零维数值模拟模型对实验现象进行了理论解释。实验结果表明：触发延迟时间及其抖动随激光脉冲能量、工作电压、气压上升呈下降趋势;随SF6-N2混合气中SF6体积百分含量上升呈上升趋势。欠压比大于等于90%时200kV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟时间抖动小于1ns。     

激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性

 研究了激光触发多级多通道开关的触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验参量的依赖关系，建立了零维数值模拟模型对实验现象进行了理论解释。实验结果表明：触发延迟时间及其抖动随激光脉冲能量、工作电压、气压上升呈下降趋势；随SF₆-N₂混合气中SF₆体积百分含量上升呈上升趋势。欠压比大于等于90%时200kV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟时间抖动小于1ns。     

2 MV激光触发多级气体开关结构设计

高功率开关是脉冲功率装置中的重要部件。介绍了2 MV激光触发多级气体开关的设计思路,给出了开关在强光一号装置上的的静态实验和触发实验结果。实验结果表明：开关的性能基本达到设计的要求;开关在低阻抗传输线中进行实验,面临传输电荷量大的问题,传输电荷越大,将导致更多的放电产物,从而使绝缘能力下降,直接影响开关的使用寿命。     

2 MV激光触发多级气体开关结构设计

高功率开关是脉冲功率装置中的重要部件。介绍了2 MV激光触发多级气体开关的设计思路,给出了开关在强光一号装置上的的静态实验和触发实验结果。实验结果表明:开关的性能基本达到设计的要求;开关在低阻抗传输线中进行实验,面临传输电荷量大的问题,传输电荷越大,将导致更多的放电产物,从而使绝缘能力下降,直接影响开关的使用寿命。     

火花通道长度对激光触发开关特性的影响

利用超高速相机,在曝光时间100 ns时,对不同能量下激光在氮气气体开关中形成的火花通道进行拍照,得到了不同焦距下激光波长266 nm时激光火花通道长度与激光能量的关系。开展了激光触发气体火花开关的实验研究,激光触发开关延时、抖动随激光能量的增加而减小。将火花通道长度与激光触发开关的特性进行了分析,气体开关的抖动随着激光火花通道长度的增加而减小,当火花通道沿电极间轴向长度达到开关电极间距40%时,开关的抖动为亚ns量级。     

大电流下多棒极型真空触发开关电弧特性

提出了一种多棒极型真空触发开关（TVS）,利用3对棒形电极的特殊结构来增大主触头间的燃弧面积,从而有效地提高TVS通流能力。结合真空电弧电压实验,阐述了多棒极型TVS在不同的大电流等级下的电弧发展变化过程。电弧电压的变化表现了多棒极型TVS中多通道并联燃弧及其在各通道之间的电弧转移过程,从而使得真空电弧维持在扩散态。由此开发的TVS样品实现了225 kA的峰值电流,单次转移电荷量45 C。     

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。     

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。     

激光触发真空沿面闪络开关的初步实验研究

 介绍了沿面闪络开关的发展状况和基本原理，实验研究了真空条件下激光触发介质沿面闪络特性。实验采用固体Nd:YAG纳秒激光器作为触发源，对试样施加正直流高压，电压范围1～6 kV，试样绝缘子为直径50 mm的尼龙6。通过研究不同激光能量、波长和聚焦形状对介质闪络的影响，总结出适用于沿面闪络开关的激光触发形式。实验表明：在一定电场和真空度下闪络的时延和抖动将随着输入激光能量的提高而减小，而激光可触发的电压范围将提高；激光波长减小有助于提高触发的稳定性；激光焦斑的形状是沿面闪络触发的最大影响因素，采用具有一定能量密度、焦斑横跨两电极的带状激光来触发闪络是闪络开关的理想选择。     

SF6气体间隙开关激光触发延迟的数值模拟

建立了激光触发SF6气体间隙开关的0维数值模型,数值计算结果与国内外实验进行了比较,计算的延迟时间与实验结果符合较好。在充气压力一定时,延迟时间随激光能量、工作电压比的增加而减小,并且延迟时间-工作电压比的曲线斜率也是随激光能量和工作电压比的增加而减小的。当激光能量一定时,延迟时间随充气压力的减小和电压的增加而减小, 并且不同充气压力的延迟时间随电压变化的曲线斜率是随电压的增加而减小的。但是,等电压压力比值情况下,延迟时间是随充气压力的增加而减小的。     

一种基于吸气电极的新型真空触发开关

针对真空触发开关触发时延和抖动大、使用寿命不长的难题,设计了一种基于吸气电极的新型真空触发开关,开展工作寿命测试实验和不同触发极性、主间隙电压和触发能量下的导通特性实验。实验结果表明：与纯金属电极开关相比,吸气电极开关的触发时延和抖动更小,工作寿命更长。负极性触发时的触发时延和抖动均远低于正极性触发。正极性触发的触发时延为1.7～3 μs,抖动为300～700 ns,而负极性触发的触发时延为400～600 ns,抖动为30～70 ns。触发时延和抖动都随着触发能量的增大而减小,但当能量高于一定值后,触发能量对导通特性的影响趋于饱和。     

多棒极型触发真空开关极性效应

基于有限元分析软件ANSOFT对触发真空开关触发极附近的静电场分布进行了仿真,并对其工作在不同的极性配置方式下开展了一系列实验。主要研究触发真空开关极性配置方式与导通时延的大小及其分散性的关系,同时分析了静电场对初始等离子体扩散的影响,从而为触发真空开关的结构优化设计提供理论依据。仿真结果表明:当触发极工作在正极性配置下,可以增强触发极附近阴极表面的电场强度,从而有利于阴极斑点的形成,减小导通时延及其分散性,提高其可靠性。实验验证了触发真空开关在正极性配置下的工作可靠性高、时延小,与仿真分析结果一致。