纳秒级Trigatron开关触发特性

设计了一种Trigatron开关,以Tesla型GW级纳秒脉冲源为实验平台,实验研究了不同电压极性组合、触发电压、触发间隙、触发极直径和触发脉冲宽度对开关触发特性的影响。实验研究结果表明:开关电压极性组合、触发电压、触发间隙对开关触发特性影响较大,在各欠压比条件下差异均十分明显,触发极直径和触发脉冲宽度对开关的触发特性影响较小。根据实验结果优化了开关结构和工作参数,获得的开关抖动最低可达0.1 ns。

触发管型气体开关导通时延的分析及估算

触发管型三电极气体开关导通时延的分析估算对于开关工程设计具有重要意义。结合近年来国内外对触发管型气体开关放电物理机制的研究进展,利用电子崩–流注理论分析解释了触发管气体开关主间隙的击穿过程,由Raether击穿判据推导了以空气为绝缘介质的触发管型气体开关导通时延的数值计算模型,并制作了一个触发管型气体开关及其触发装置进行验证性实验。仿真和实验结果的比较表明:Raether判据可用于判定快、慢导通机制的发生;高欠压比和低欠压比下,计算模型能够正确地反映出触发管型气体开关的导通时延特性,而且符合理论研究中的慢触发和快触发机制特点;触发间隙的击穿在中等欠压比值下,对促进主间隙流注的形成有作用,导致实测导通时延减小。分析计算模型可作为触发管型气体开关设计的参考依据。

触发管型气体开关的导通机制

为优化触发型3电极开关的性能,评估其击穿时延,分析了这种开关的导通机制。触发管型开关存在快导通(FBM)与慢导通(SBM)等2种导通机制。基于气体放电理论推导了触发管型气体开关的击穿时延模型,并分析了不同导通机制下的击穿过程。基于Raether击穿判据,计算了开关进入快导通机制的工作欠压比下限。实验得到,快、慢导通机制之间的欠压比阈值为0.7。开关内的等效电场可分解为静态畸变电场与动态畸变电场,结合时延模型能合理反映导通时延受工作条件与触发能量影响的动态过程。在快导通机制下,欠压比与静态电场增强系数起着主要影响;在慢导通机制下,除欠压比之外,触发脉冲能量的影响同样重要,此外还需考虑消游离对导通的影响。得到的结果可供提高触发管型气体开关的导通性能的设计与研究借鉴。

用于激光推进的球隙火花开关放电特性的研究

在自行研制的高压球隙火花开关上,研究短间隙下(6 mm)不同工作气压、不同冷却气体速度对开关工作电压范围、延迟时间和抖动时间的影响及规律。结果表明:提高气压能扩大工作电压范围,增加开关的时延;吹气能够降低开关的时延,但增加开关的抖动时间。在本实验条件下,将开关工作气压从1×105Pa提高到2×105Pa,工作电压范围扩大了50%以上,但开关的时延增加了20 ns,抖动增加了10 ns;有气体冷却时开关的延迟时间比起无吹气时要小几十个纳秒。

兆伏级重复频率三电极气体开关工作特性研究

以“CHP01”加速器为实验平台,对自行研制的重复频率三电极气体开关的工作特性开展了实验研究,并对实验结果进行了分析。研究结果表明开关在自击穿工作下的工作稳定性远小于触发工作时,开关工作范围与触发针位置和气压等因素有关;开关电压选择在自击穿电压的大约80%时,开关抖动小、误触发率低,具有较好的工作特性。

单级长脉冲LTD模块的设计及分析

为了解直线型变压器驱动源(LTD)的工作特点,掌握LTD对百ns方波脉冲的响应情况,设计了一台可输出电压峰值>20 kV,脉冲半高宽约150 ns的单级长脉冲LTD模块。对整个装置的各个单元的设计进行了详细介绍,通过理论分析进行优化,给出了合理的参数,该LTD模块采用两路并联馈电。每路馈电脉冲由30 kV高压电缆绕制而成的脉冲形成线产生,且为减小回路杂散电感的影响,设计制作了一个低电感、较小抖动的三电极触发开关。初步的实验结果表明,初、次级间电压吻合的很好,验证了理论分析及装置设计。最后针对以上工作中的不足提出了今后的工作重点,包括对磁芯非线性磁导率和损耗的研究,提出更加符合实际的变压器模型,对LTD以及馈电装置的布局研究等,为将来优化设计并多级串联,实现更高电压输出奠定了基础。

三电极气体开关自陡化技术及应用

根据Trigatron的触发要求设计了脉冲变压器型驱动源、三电极气体开关。在多种驱动模式下对三电极开关的自陡化参数进行统计分析,选择最优的自陡化工作模式。通过研究自陡化工作模式,优化了三电极开关工作极性、工作电场、紫外辐照强度和辐照时间。试验结果表明:增加陡化环节后,Trigatron的击穿概率有了明显提高,击穿时刻延迟和抖动明显降低,扩大了Trigatron稳定工作的欠压比范围。

多原边脉冲变压器的优化设计及应用

通过对脉冲变压器原副边回路参数、绕组结构、铁心材料的优化设计,实现了小尺寸变压器对大电流三电极开关的触发。变压器空载输出可达40kV,增加中间储能环节后,在大电流触发管的触发极可产生百A数量级的触发电流,可以实现触发管在较低的欠压比下稳定触发。通过对脉冲变压器绝缘结构的优化设计,确保了脉冲变压器在与触发管配合过程中可以承受其输出电缆折返射造成的过电压与反灌电流。

脉冲HF/DF激光器的高重复频率触发管型气体火花开关

为提升大能量脉冲放电引发非链式HF/DF激光器重复频率运行的稳定性,研制了紧凑型高功率100 Hz重复频率触发管型气体火花开关。利用有限元方法理论分析了开关间隙电场强度分布,优化设计了开关的触发结构;实验研究了开关的触发特性,优选工作在快触发机制下的开关。在此基础上通过调节气压、气流速率、电压和重复频率等实验条件,研究了开关重复频率运行特性,获得了开关重复频率运行的规律。实验结果表明,增大电压和重复频率不利于开关的稳定运行,增加气压和进行吹气可提高开关运行的稳定性。当开关气压不小于0.425 MPa,气流速率约为5 m·s^(-1),电压为-30 kV,重复频率为100 Hz运转时,开关无自放电现象,运行稳定可靠。研制的触发管型三电极气体火花开关应用于放电引发非链式HF/DF激光器,可实现HF/DF激光器100 Hz重复频率连续稳定可靠运转的时间达10 s量级。

4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究

利用峰值功率可达1GW的纳秒脉冲源CKP1000开展了4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究。使用trigatron作为触发开关,通过单路开关触发特性实验研究优化了开关的结构与工作参数,单路开关抖动0.2ns,建立了实验装置,实现了4路GW级纳秒脉冲源并联同步输出。同步实验结果为:纳秒脉冲源输出电压230kV,峰值功率1GW,脉冲宽度6ns,4路输出脉冲同步偏差95%以上概率分布在1ns以内,平均同步偏差630ps。

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。