正负极性伪火花开关初步研究

介绍一种正负极性工作、无需热丝供电配套的伪火花开关,其触发方式可以采用电触发、空间激光触发以及光纤传输激光能量触发。在电触发模式下开关技术指标达到工作电压±60 kV、脉冲电流16.2 kA以及抖动7 ns;空间光触发模式下,开关抖动3 ns(1 mJ/532 nm),最低触发激光能量0.15 mJ;光纤传输激光能量触发工况下(光纤入射端能量7 mJ/出射端5 mJ/532 nm),开关抖动技术指标达到3 ns。

266 nm紫外弱聚焦激光触发伪火花开关研究

当前对于光触发伪火花开关的研究主要集中在使用紫外激光触发,触发物理机制普遍认为是光电发射。然而,当紫外弱聚焦激光在低电场环境中照射光电材料(靶材)时,由光电发射产生的种子电子非常有限。为了进一步揭示紫外弱聚焦激光触发物理机制,利用266 nm紫外弱聚焦激光,搭建了开关测试实验平台和种子电子测试实验平台,研究了激光能量、开关电压、气压、靶材料、触发位置对开关触发特性的影响,分析了种子电子的来源和对触发开关的贡献。研究结果表明,在阴极背面孔边缘触发时,光电发射产生的瞬发电子不是种子电子的主要来源,与烧蚀等离子有关的超快电子才是。因此,当在阴极背面孔边缘触发时,密度和熔沸点低,易烧蚀的材料更适合作为紫外弱聚焦激光触发伪火花开关的靶材。经测试,当在阴极背面孔边缘触发,工作电压为−15 kV,气压为80 Pa(氦气)时,以镁为靶材的开关能实现稳定触发导通的最低激光能量为2 mJ,远低于铜(6 mJ)和钼(8 mJ)。此外,在上述相同条件下,激光在开关阴极孔内壁触发时,触发时延和抖动分别为36.9 ns和1.41 ns,远低于在阴极背面孔边缘触发时的时延和抖动(116.4 ns和5.39 ns)。

低抖动激光触发伪火花开关的研究

伪火花开关已经成功地应用于各种脉冲功率应用,包括欧洲大型强子对撞机、反导雷达系统、航空发动机点火等。对于这样的应用,降低开关的延迟和抖动来提升稳定性是非常重要的。设计了一种激光触发伪火花开关,使用波长532 nm的激光,在不同气压、工作电压和触发能量下,测试激光触发伪火花开关的阳极着火延迟时间和抖动两项参数。测试结果表明,增加激光能量可以降低开关的延迟和抖动,实现开关稳定性的激光能量阈值在1.5 mJ,可以使得开关的抖动小于1 ns,继续增大触发能量,开关的延迟和抖动不再明显变化;此外,增大管内的氢气压强可降低开关的延迟和抖动;当触发能量足够大时,改变阳极电压,开关的延迟和抖动不随开关电压而改变。

辉光放电触发重频伪火花开关研究

伪火花开关是工作在帕邢曲线左支的低气压开关,具有纳秒级击穿时间、百千安级脉冲电流、工作寿命长等特点。具有高重频性能的伪火花开关民用领域以及军事领域均有广泛的应用需求。基于双脉冲辉光放电触发结构,设计出一种具有重频能力的伪火花开关;在10 kV阳极电压下进行了整管测试,观察不同气压,预、主触发电压对重频性能以及触发性能的影响;结合仿真软件计算不同气压与触发电压下,触发电流的变化,最终总结了两个脉冲对触发过程的影响。测试结果表明,最低仅100 V触发电压,开关重复频率即可从沿面放电触发的100 Hz提升至400 Hz。

基于LaB_(6)阴极的伪火花开关仿真与实验研究

伪火花开关是一种具有高电压大电流的脉冲功率技术开关,高重频伪火花开关在对潜通讯、水下对抗、高能激光武器、污水处理、食品加工等领域中都得到广泛的应用。阴极材料的选择影响开关的触发导通过程,因此对重频性能具有重要影响。对触发单元进行仿真分析,将具有高发射性能的六硼化镧(LaB_(6))阴极与铜(Cu)阴极进行对比,得到电极材料对阴极发射电流以及触发单元电子密度的影响。测试了LaB_(6)、Cu两种阴极的伪火花开关,结果表明LaB_(6)阴极在重频工作状态下具有较宽工作气压范围,触发电压最低仅需100 V,具有良好的工作稳定性。

新型小体积伪火花开关研制

伪火花开关是脉冲功率领域关键器件之一,具有脉冲电流大、电压范围宽、寿命长及可靠性高等优点。针对整机系统小型化发展的需要,开展新型小体积伪火花开关研制,创新性地将触发针引入空心阴极内部,实现辉光放电电子源注入,该设计减小伪火花开关的体积,并通过制管及实验验证设计合理性。测试结果表明,该产品的阳极工作电压范围为0.5~10 kV,最大阳极脉冲电流40 kA;在36 kA脉冲电流情况下,工作2万余次并未发现性能下降;该样品已通过高温、低温、温循、振动等可靠性试验考核。

多通道伪火花开关及其触发技术

总结了多通道伪火花开关的优点 ,对直线、同轴和径向型多通道伪火花开关的结构和特点作了综述。采用多通道结构后 ,伪火花开关的触发问题较单通道时更为复杂 ,分析了多通道开关对其触发电路的特别要求 ,并介绍了国外的研究成果。

环槽电极结构的伪火花开关耐压特性

设计了一种具有环槽电极结构的新型伪火花开关，进行了空气介质下的耐压特性实验，并与传统的同轴多通道结构的伪火花开关耐压特性进行了对比。给出了伪火花开关工作的气压范围（1～100Pa）和两种伪火花开关的最大耐压。实验结果显示，新型环槽结构伪火花开关最大耐压达到41V，而传统同轴多通道开关的最大高耐压只有28．4kV，新设计开关的最大耐压和耐压稳定性都明显高于同轴多通道开关。

伪火花开关自放电电压特性与电压跌落过程实验研究

设计了典型参数下的伪火花放电开关,进行了空气介质下的电压特性实验,详细研究了气体压力,电极间隙距离,电极孔径和电极材料对伪火花开关耐受电压的影响;给出了伪火花开关放电电压与气压变化的关系曲线;测量了产生伪火花放电的气压范围和单间隙伪火花开关耐受电压的最大值,测得了伪火花放电与辉光放电的转折点气压,并对实验结果进行了理论分析。研究了伪火花开关电压跌落时间与放电电压的关系,首次将开关电压跌落过程分为暂态阶段和稳态阶段,讨论了放电电路参数,气体压力,开关结构和放电电压对电压跌落时间的影响。实验表明,在气压和开关结构不变的条件下,暂态过程时间由放电电压决定,电压越高,则所需时间就越短;稳态过程时间由放电电路参数决定,而与放电电压无关。最后讨论了真空洁净程度和开关加工与装配工艺对伪火花开关耐受电压的影响。

伪火花开关的发展与应用

伪火花开关是八十年代初才研制成功的用于脉冲功率技术的高重复频率闭合开关，其性能既优于氢气闸流管，又优于高气压的火花开关。本文对伪火花放电的特点、伪火花开关的基本结构与触发方式以及进一步的研究工作进行了评述。

一种新型大电流脉冲调制器件——伪火花开关

介绍了一种新型大电流脉冲调制器件——伪火花开关,它利用介电材料沿面放电进行触发,单间隙导通脉冲大电流。目前这种开关已完成产品化,可以用来调制不低于30kV、50kA的脉冲,电流上升速率高达5×1010 A/s,在负触发电压脉冲作用下,开关的时间跳动小于7ns,寿命高达5×104 C,可直接用于替换氢闸流管以及高气压火花隙。

伪火花开关的设计与实验研究

阐述了伪火花放电的基本原理,设计了一种具有典型参数的伪火花开关,并通过实验研究了该开关的特性。实验表明,该开关的耐受电压高(37kV),导通电流大(93kA),电流上升陡度达7.8×10^(10)A/s。

伪火花开关大电容脉冲放电的测试与研究

本文采用所研制的B\C型伪火花开关,针对10μF与100μF两组不同的脉冲电容器组,分别进行了阻性负载、混合负载及纯短路放电测试。该型号开关可耐受阳极电压48kV,脉冲功率峰值可达3.09GW,单次电荷转移量约5.5C,电流上升速率可达0.99×10^(11) A/s,开关内阻小于0.001Ω,自感约为0.041μH;解决了低电压放电时反向电流截止的问题,具有优秀的短路放电与抗反向电流轰击的能力,对于各种类型负载均能很好的适配与稳定的工作,是一种较理想的高功率短路转换开关器件。

双间隙伪火花开关沿面放电触发材料的测试与研究

本文介绍了一种新型大电流脉冲调制器件——双间隙伪火花开关,它利用介电材料沿面放电进行触发,双间隙导通脉冲大电流,可以用来调制不低于50kV、50kA的脉冲,并能直接用于替换氢闸流管以及高气压火花隙。本文就双间隙伪火花开关沿面放电的三种触发材料进行了相关研究,确定了氮化铝-碳化硅材料具有优良的触发性能与机械性能,解决了触发单元成品率较低的问题,实现了双间隙伪火花开关的产品化。

面向脉冲功率技术需求的伪火花开关技术

伪火花开关是脉冲功率技术领域的关键器件之一,兼具高功率、长寿命、高重频、低抖动等优点,被认为是可以取代高气压火花开关与闸流管的理想开关器件。本文针对大型原子能试验辐射模拟装置与Z箍缩驱动聚变能源装置的应用需求,对伪火花开关的器件性能和技术发展进行分析和述评。

基于伪火花开关控制的脉冲氙灯电源研究

为满足爆轰试验高速摄影测试技术中脉冲氙灯照明系统的需求,设计了一种充电电压0～15 kV、储能电容100μF、可分别驱动规格为φ20 mm×500 mm×620 mm和φ50 mm×720 mm×1 080 mm两种脉冲氤灯的电源。采用在光触发信号作用下,一是将高压触发源输出15 kV的脉冲信号,通过绕丝方式对脉冲氙灯进行启辉使其瞬间导通;二是利用伪火花开关（PSS）导通机理将存储在电容上的能量,经电感后迅速转移到脉冲氤灯上对其放电即点亮氙灯。最终在两种脉冲氙灯上分别得到电压约5 kV,15 kV,电流3 kA,8 kA、发光持续时间分别为200μs和100μs的脉冲信号。通过实验结果验证所采用的设计原理及方法的可行性,并给出实验结果。

激光触发伪火花开关的研究

通过等离子体建模仿真及物理实验结合的方式验证了激光触发伪火花开关的可行性。分别使用波长266 nm和532 nm的激光,对激光触发伪火花开关的最低激光触发能量、阳极着火延迟时间和时间跳动三项参数进行测试。在非聚焦模式下,仅调整激光能量,测得开关在波长266 nm激光触发下,最低触发能量为15 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为340 ns,时间跳动约为40 ns;在波长532 nm激光触发下,最低触发能量为83 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为420 ns,时间跳动约为60 ns。在维持实验平台不变的情况下,仅对入射激光进行聚焦,测得波长266 nm激光触发下,最低触发能量为4 mJ,当触发能量8 mJ时,阳极着火延迟时间190 ns,开关时间跳动小于1 ns;波长532 nm激光触发下,最低触发能量为6 mJ,当激光触发能量为8 mJ时,阳极着火延迟时间240 ns,开关时间跳动小于1 ns。

封闭式双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支的低气压脉冲放电开关,具备耐受电压高、通流能力大、工作范围宽、寿命长、抖动低等优点,在脉冲功率装置中具有非常大的应用前景。为此研制了一款封闭式的双间隙伪火花开关,采用陶瓷–金属焊接密封方式,由改进型雪崩三极管纳秒脉冲电源和高介Ba TiO3陶瓷触发单元构成沿面放电式触发系统,触发稳定性极高。围绕伪火花开关的放电特性,主要研究了触发能量、阳极电压和工作气压对开关触发时延、抖动以及电压下降速率的影响规律。试验结果表明,触发系统极高的触发稳定性为伪火花开关触发时延抖动的降低提供了保障,最终可在间隙距离2.5mm的开关中将触发抖动降低至1ns以下;伪火花开关的电压下降速率受超密集辉光放电阶段发展过程的影响,而与空心阴极内部的过程无关,因此只受到阳极电压和工作气压的影响。此外,还分析了伪火花开关导通过程中电流过零点后发生淬灭的原因可能是开关阳极附近电子的产生速率低于消耗速率,使得反向放电通道的建立过程受阻,并采取了相应措施进行改善。

双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、主放电通道呈现弥散特征的低气压脉冲放电开关,具有导通电流大、重复频率高、工作范围宽、寿命长、抖动低和烧蚀小等优点,在重复频率脉冲功率中具有非常大的应用潜力。文中研制了一款双间隙多通道伪火花开关,采用陶瓷金属半密封结构,工作气体为氦气,触发单元为基于高介钛酸钡薄片的电荷注入式结构。研究了不同触发脉冲作用下触发单元的放电特征和工作模式,以及气压、阳极电压和脉冲参数对触发单元电荷注入特性、开关导通时延与抖动及阳极电压跌落速率等的影响规律。此外,根据电极烧蚀形貌分析了开关的多通道同步触发特性,根据放电波形讨论了实验中遇到的电流淬灭现象。实验结果表明:触发单元放电存在脉冲电晕和沿面闪络两种工作模式;高气压和大能量的触发脉冲有利于降低开关时延、抖动和阳极电压跌落时间;快前沿的触发脉冲有利于降低开关抖动;阳极电压对触发时延和抖动的影响不大;开关能够实现多通道的同步触发和导通,且在小电流条件下存在两种淬灭形式。

伪火花开关管放电过程的测试分析

伪火花开关管是一种新型的冷阴极脉冲功率开关,具有放电电流大、工作电路简单的特点,由于其无需预热,因而使用寿命长。本文给出了伪火花开关管工作的完整放电波形,研究了伪火花开关管放电理论的相关阶段;并通过实验、测试对其触发性能和放电性能的相关参数进行了测试分析。