大口径等离子体电极普克尔盒电光开关研究

 设计建造了通光口径为240mm×240mm等离子体电极普克尔盒,在KDP的两侧用磁控阴极放电产生了覆盖全口径的等离子体电极。用仿真线成形,产生了电压幅值10kV,脉冲上升时间50ns,脉宽500ns,顶部电压波动＜±2%的矩形开关脉冲。测得电光开关的光学特性为全口径静态透过率85.8%,静态消光比132,开关效率97.6%,开关上升时间95ns。     

金属基底对石墨烯薄膜阴极气体击穿稳定性影响

利用石墨烯二维材料极好的场发射能力和发射稳定性,提出了石墨烯阴极提高气体开关击穿稳定性的技术路线。采用化学气相沉积法和基底腐蚀转移法两种方法制备金属基底石墨烯薄膜阴极。利用扫描电子显微镜和拉曼光谱表征了石墨烯薄膜阴极质量,确认了石墨烯层数和均匀性。实验研究了两种石墨烯薄膜阴极气体开关,在微秒脉冲均匀电场作用下的击穿特性,获得了击穿电压幅值和分散性的变化规律。结果表明:当气体为0.6 MPa N2、电极间距为5 mm时,铜基底石墨烯薄膜阴极平均击穿电压为85.9 kV,相对标准差为3.2%;不锈钢基底石墨烯薄膜阴极平均击穿电压仅为59.8 kV,相对标准差为2.4%。当两种阴极击穿电压均为80 kV时,相对标准差比较,不锈钢基底仅为铜基底的44%。分析认为,不锈钢基底石墨烯薄膜质量优于铜基底,石墨烯薄膜导致阴极表面微观场增强因子更高,表面分布更均匀,在电场作用下场致发射产生均匀稳定的大量初始电子流,降低了气体开关击穿电压,有效提高了击穿稳定性。     

粗糙阴极气体火花开关性能的理论研究

提出了粗糙阴极的气体火花开关击穿模型,通过粗糙层厚度和场强增强系数对阴极粗糙度进行了描述,利用概率论研究开关的击穿情况,分析了气体压强对粗糙阴极气体火花开关稳定性、击穿场强随气压的变化曲线以及开关绝缘恢复速度的影响,研究发现当阴极相对于电子平均自由程足够粗糙时,开关具有最佳的稳定性,当阴极粗糙结构尺度与电子平均自由程相当时,开关具有最佳的绝缘恢复特性。     

20mm孔径重复频率等离子体电光开关研究

等离子体普克尔盒可以采用薄晶体,是大口径平均功率激光器理想的光开关器件。采用有限元方法,分析了20mm口径重复频率等离子体电光开关的热光效应,模拟计算了在平均功率负荷下,3mm厚的DKDP晶体由于热致双折射引起的退偏损耗为0.16%。采用电容分压技术,实现了基于DKDP晶体的等离子体电光开关的单脉冲驱动,通过针对重复频率等离子体普克尔盒的优化设计,研制完成了Φ20mm口径、10Hz重复频率等离子体电光开关样机,静态透射率97.2%,开关效率99.8%,开关上升时间11ns。     

等离子体电极电光开关驱动电源系统

 介绍了通光口径为300mm×300mm的等离子体电极电光开关驱动电源系统原理。该系统能产生时序上严格关联的两路幅值3kV、脉宽为500ms预电离高压脉冲；两路电压幅值为7kV、电流峰值为2kA的阻尼大电流、低抖动主放电脉冲；一路幅值为12kV、脉宽500ns低抖动矩形高压开关脉冲。这五路高压脉冲通过3根同轴电缆加载到充有惰性气体的纵向普克尔盒两边的阴阳电极上，对激光形成等离子体电极电光开关。     

边界主动加热管理平均功率普克尔盒热效应

建立了平均功率激光辐照下,边界主动加热的电光晶体内3维各向异性热传输有限元模型及其热应力双折射模型,在此基础上分析了等离子体普克尔盒热效应。提出了边界主动加热控制电光晶体横向温度梯度热管理思想,并给出平均功率普克尔盒的光开关性能。结果表明:对于50J/10Hz、光束口径为50mm×30mm的激光系统,普克尔盒最大退偏损耗为3.58%,平均退偏损耗为0.9%,波前畸变为1.59λ。采用边界加热控制后,当加热功率密度为500W/m2时,最大退偏损耗为0.17%、平均退偏损耗为0.05%、波前畸变为0.26λ,普克尔盒热效应显著降低,满足设计要求。     

等离子体电极普克尔盒电光开关单脉冲过程数值模拟

采用流体模型对等离子体电极普克尔盒(PEPC)电光开关单脉冲过程进行了数值模拟分析.模型包括带电粒子连续性方程、动量守恒方程、电子平均能量方程及空间电位泊松方程.分别采用隐式指数差分格式，超松弛迭代法(SOR)和经典四阶龙格-库塔法(R-K)对带电粒子连续性方程，泊松方程和电子平均能量方程进行数值求解.模拟分析了PEPC单脉冲过程中的带电粒子浓度、电子温度、空间电场、PEPC的放电电流、晶体两侧电压和开关效率的时间演化特性.模型得出了PEPC中气体放电等离子体的微观物理过程与PEPC宏观参量的关系，对设计 关键词： 等离子体电极普克尔盒 电光开关 数值模拟 气体放电     

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。     

等离子体电极电光开关特性参数测量

 建造一套电光开关参数测量系统,具备时间分辨、空间分辨及全口径平均测量能力。介绍了240mm×240mm等离子体电极普克尔盒电光开关特性参数及测量光路,并给出了实验测量结果。     

触发电压对±100 kV多级多通道开关性能的影响

研制了一种用于快脉冲直线型脉冲变压器的±100 kV多级多通道火花开关,研究了触发电压极性、幅值对多级多通道火花开关触发性能的影响,分析了不同触发电压下开关各部分延时及抖动。研究结果表明:触发电压的极性对双极性多级多通道火花开关触发性能影响较小;开关的触发放电延时和抖动随着触发电压的增大而减小。进一步分析了多级多通道火花开关的触发击穿模式以及影响开关击穿延时和抖动的主要因素,提出了减小开关触发击穿延时及抖动的技术途径。     

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。     

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。     

直流叠加脉冲电压下FLTD气体开关击穿特性

分析了直流叠加脉冲电压(定义为复合电压)下次级感应电压触发快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)中气体开关击穿延时过程,给出了击穿延时的估算公式。初步实验研究了FLTD用三电极气体开关在复合电压作用下的击穿特性,结果表明:在±70kV直流充电电压叠加300kV/30ns快脉冲电压的复合电压作用下,气体开关的击穿延时小于相同工作系数下常规触发方式的击穿延时,采用SF6气体绝缘时,击穿延时较常规触发方式减小了17%~30%;采用N2绝缘时,减小了约50%,开关工作系数为55%时,击穿延时抖动小于5ns;理论估算的复合电压下击穿延时与实测结果基本吻合。     

气体开关抖动对单模块快脉冲直线型变压器驱动源输出特性的影响

分析了快脉冲直线型变压器驱动源(FLTD)气体开关触发击穿延时的分布规律,利用MAT-LAB软件生成随机序列模拟开关击穿延时和抖动,在FLTD简化二阶电路的基础上,利用MATLAB分析了开关抖动对40个支路并联1 MA,100 ns FLTD模块输出电流脉冲前沿和幅值的影响。模拟计算结果表明:开关理想时,即抖动为0,输出电流峰值为996 kA,峰值时间为90 ns,10%~90%脉冲前沿为54 ns;开关自身抖动与开关之间分散性之和为10 ns时,输出电流脉冲前沿增加约14%,电流峰值下降约2%;开关自身抖动与开关之间分散性之和为20 ns时,输出电流脉冲前沿增加约38%,电流峰值下降约5%。     

Study on a New Ignition Method of the Spark Gap Based on Plasma Ejection in Air

A new ignition method of the spark gap based on plasma ejection is proposed in this paper, as the conventional trigatron spark gap performs poorly under the low working coefficient (the ratio of the charging voltage to the self‐breakdown voltage) in air. The plasma is generated by the capillary discharge, which has high pressure, high temperature and high velocity. The capillary discharge device is placed inside the low voltage electrode. As long as the triggering signal is sent to the device, a column of the plasma flow is ejected in axial direction and develops rapidly towards the high voltage electrode. Subsequently, the gap is broken down and a high resistive channel is formed, where the thermal ionization takes place and the arc across the whole gap is generated and develops into a well conductive channel. The process of the thermal ionization of the high resistive channel varies with the change of the spark gap distance. The breakdown delay and the delay jitter of the spark gap increase with the spark gap distance, as both parameters are mainly determined by the developing process of the plasma ejection. The characteristics of the plasma flow determine the possibility of the breakdown of the spark gap under the low working coefficient. The ignition method based on capillary plasma ejection has been proved by the preliminary experiments, which indicate that under the gap length of 8 cm and the working coefficient of less than 3%, the effective ignition is still achievable.     

阵列微孔阴极放电触发的纳秒脉冲开关

为了实现在大气压下低触发电压的多通道放电,以阵列微孔阴极结构作为触发装置设计了一种新型纳秒脉冲开关。以激光打孔的双面环氧板为阵列微孔阴极,研究了开关工作系数、微孔阴极放电电流、微孔阴极孔数及微孔阴极孔径对开关触发电压、延迟和抖动时间的影响。实验结果表明:更多的阵列微孔、100 m的微孔孔径能够降低开关的触发电压,同时高开关工作系数、大触发电流、多阵列微孔能够减少开关的延迟和抖动时间。因此,为了获得更高性能的纳秒脉冲开关,除了对开关结构的进一步改善,这几个影响开关性能的因素是设计开关时应主要考虑的。     

针板型触发电晕稳定开关的特性

 为了验证在空气状态下电晕稳定开关的重复频率特性,对自行研制的盘式触发三电极电晕稳定开关的工作特性进行了实验研究,并分析了实验结果。结果表明,在空气状态下,开关具有良好的触发特性,开关抖动和导通时延最小可以分别控制在4, 36 ns;同时,还可以通过减小触发间隙,进一步减小开关的导通时延和增加开关的稳定性。     

多间隙气体开关触发特性

针对触发脉冲幅值、气体压强和紫外光照射3个因素对多间隙气体开关触发特性的影响规律开展实验研究。实验结果表明:触发电压由50 kV提高到70 kV时,开关触发时延的抖动降低约40%,统计时延的抖动降低约44%,形成时延的抖动变化不大。触发电压继续升高,触发抖动降低的趋势明显减缓。开关工作气压由0.16 MPa提高到0.28 MPa,开关触发时延的抖动增大约1.6倍,统计时延和形成时延的抖动均显著增大。紫外光辐照时间增长,开关触发抖动显著减小,最佳的辐照时间为80~140 ns,开关触发时延的抖动降低约39%。紫外光辐照可以有效降低开关统计时延的抖动,对形成时延影响不大。     

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。