±100 kV三电极场畸变气体火花开关

设计了一种用于直线变压器驱动源的三电极场畸变气体火花开关。开关采用SF6气体绝缘,开关尺寸和电感较小,实测开关电感约为67nH。在工作电压±80kV、工作系数为70%时,开关触发时延为40.0ns,抖动约2.8ns。对比研究了钨铜合金和黄铜两种电极材料对开关静态和触发击穿特性的影响,研究结果表明:铜钨合金电极开关的自击穿电压分散性、触发时延及抖动、自放电概率和电极表面烧蚀均小于黄铜电极,更适宜作为三电极场畸变开关的电极材料。

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4000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。

双平行电极场畸变气体火花开关电极优化与实验研究

为适应新型低电感电容,笔者优化设计了应用于电缆绕组型直线脉冲变压器的新型双平行电极场畸变气体火花开关。对触发电极处于主放电通道和未处于主放电通道的两种电极结构进行了仿真模拟,通过模拟发现不同触发电极位置对开关电场分布无明显影响。分别对触发电极不同位置的场畸变火花开关进行实验,开展了不同电极结构的静态耐压、触发延迟实验。实验数据表明,触发电极处于主放电通道上时,开关的静态特性和触发特性较好。

半导体放电管固体场畸变三电极开关

基于半导体放电管过电压自击穿原理,探索设计了一种固体场畸变三电极开关。该开关由两组半导体放电管阵列印刷电路组成,受到触发时,一组半导体放电管阵列首先击穿,另一组阵列继而过电压自击穿,开关导通。实验测试了特定幅值触发脉冲时的负载电压,初步验证了半导体放电管固体场畸变三电极开关设计的可行性。讨论了降低开关导通电感,提高通流能力、工作电压及运行频率的方法。

基于多孔隙触发的三电极场畸变开关设计与实验研究

场畸变开关是脉冲功率系统的关键器件,其低时延和低抖动性能参数是输出高幅值、快前沿脉冲的重要保障。在Marx发生器前级所用的场畸变开关,其要求时延和抖动尽可能小,才能保证Marx发生器装置输出特性具有快前沿、低抖动的稳定性。单孔触发电极的场畸变开关由于初始有效电子产生和扩散较慢导致时延较长,多孔触发电极结构的提出在一定程度上可以降低时延,但是抖动会增大,对于多孔触发电极场畸变开关如何同时保证低时延和低抖动需要进一步研究。因此,该文通过对传统单孔触发电极结构进行优化改进,提出了改变孔径大小和孔的个数的优化组合设计用于实现低时延,同时还显著地改善了抖动。实验结果表明:5 mm十六孔触发电极结构的场畸变开关在工作系数为71.1%~85.3%时,即工作电压在20~24 kV时,时延在45.2~41.1 ns之间,抖动在6.87~5.87 ns之间,相较于传统的单孔触发电极结构,其时延和抖动分别下降了14.8%和16.1%,性能提升明显。该文所设计的场畸变开关满足工程应用需求,为研究多孔型场畸变开关的性能提供了新思路。

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。

一种大电流三电极气体火花开关的工作特性

根据强流电子加速器的需要,研制了一种大电流三电极气体火花开关。开关采用防污染设计,将开关电极与金属腔体一体化,并采用金属挡板对绝缘封盖进行防污保护,从最大程度上减小了开关工作时对绝缘支撑物的污染,提高了开关寿命,并且对开关工作特性进行了实验研究。研究结果表明:当开关工作气压为0.10、0.15、0.20和0.25MPa时,其可控工作电压范围分别为25%～94%、38%～86%、40%～88%和44%～88%,具有可控工作电压范围宽的优点;当开关工作气压为0.25MPa、工作电压为40kV、欠压比为88%时,开关时延为50ns,抖动为1.28ns且分散性<3%,该开关已成功用于强流电子加速器系统且运行稳定可靠。

快放电直线变压器型驱动源用场畸变型低电感气体火花开关

快放电直线变压器型驱动源(FLTD)是组建大型脉冲功率源的新技术,作为其中的关键器件,气体火花开关的动态工作特性对FLTD驱动的负载电流参数有重要影响。为了减小开关电感,简化开关结构,设计了一种三电极场畸变气体火花开关。根据开关内部充电过程和触发过程电场分布的数值计算结果,优化了开关结构,并对开关的静态充电特性和动态触发特性进行了实验,获得了开关电感的估算值。不同气压下开关静态击穿电压稳定,分散性小;±80kV充电电压下,开关工作稳定,触发特性良好;电压工作系数>70%情况下(充气压力<相应自击穿电压下气压的130%),触发击穿延时<40ns,抖动<2.5ns。实验结果表明,设计的低电感气体火花开关结构简单,动态触发特性能够满足FLTD对气体开关的要求;更小的开关电感有望提高FLTD感应腔的输出电流参数。

亚ns级抖动环形电极场畸变火花隙开关

研制了最高工作电压100kV的一种环形电极场畸变火花隙开关,计算和模拟了开关内部电场分布。通过实验检测了开关的耐压特性以及不同电压下的开关动作延迟时间和抖动。结果表明欠压比相同时,开关抖动随电极间距增大而增大,在间距3mm时开关工作稳定、动作时间延迟小,抖动<1ns,但开关电极间距小时,工作电压不高。

优化电极场畸变间隙开关动作特性的实验研究

对电极经过优化设计的场畸变间隙开关的可控特性和击穿时延进行了较深入的研究 .结果表明 :当触发电极距下电极的距离为主电极距离的 1/ 4和 1/ 3处时 ,最低可靠击穿电压只有自击穿电压的 5 5 .8%和74.5 % .适当下移触发电极可明显增大可控击穿电压范围 .开关击穿时延受主间隙电压影响较大 。

同轴型场畸变气体火花开关的研制

介绍了为DPF-300型脉冲电流源同步放电系统研制的同轴型场畸变火花开关。通过电场数值计算,对场畸变火花开关的设计进行了验证,对开关的自击穿特性及触发特性进行了实验研究。试验表明,所设计的同轴型三电极场畸变气体火花开关与原DPF-200型所用开关相比,具有电感小、触发特性好等优点。

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。

具有碳纤维复合材料电极的场畸变开关研究

介绍了电极用碳纤维—金属基复合材料制成的新型场畸变开关。用有限元计算软件ANSYS优化开关电极结构。探索了新电极材料的制备方法,即采用金属基体与碳纤维的真空液相复合技术和挤压锻造工艺来制备该复合材料。新型开关结构简单、体积小,用其替代TomaChan装置的多通道沿面放电间隙开关的实验结果表明:在TomaChan装置上把电极间距调到14 mm,内充1个气压SF6,电流达到峰值时的火花电感与电阻分别约为20 nH、0.1Ω。新开关不仅使二极管的电压电流脉宽变宽,而且使装置运行更稳定,大大降低了实验噪声。

三电极气体开关在LHCD高压电源中的应用研究

为在低杂波电流驱动(LHCD)系统打火等严重故障时及时保护高压电源,提出了设置三电极气体开关作为第一级快保护方案,并研制了一套能通流60 k A、5μs快速导通的三电极气体开关。通过联合LHCD高压电源与开关进行短路故障保护实验,证明了开关工作性能稳定,大大提高了LHCD高压电源运行的安全性与可靠性,在脉冲功率装置中具有较好的应用前景。

场畸变型气体开关高重复频率运行特性研究

为研究场畸变型气体开关的高重复频率运行特性,组建了一个测试用重复频率纳秒脉冲电源,由高压直流电源、脉冲形成线和待测气体开关及触发电路、匹配负载和吹气风机组成,可产生峰值为几十千伏、脉宽为80 ns的准方波脉冲。测试结果表明:输出脉冲序列中存在低幅值脉冲,开关自击穿方式工作时的最高重复频率约为260 Hz;开关触发方式工作时,重复频率随欠压比降低而升高,最高可达1.8 kHz,此时欠压比为0.6,提高重复频率后输出的低幅值脉冲消失。实验还发现,场畸变型开关在较高重复频率运行时,触发电路中的耦合电容和开关电极间的分布电容会影响开关的工作状态;采用吹气措施后,开关气体绝缘恢复特性变好,输出的低幅值脉冲基本消失,相同欠压比下可达到更高的重复频率。

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的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的20%时抖动极差小于2.85ns。

大功率能源模块中的石墨电极气体开关系统

探讨了大功率脉冲电源模块中主放电开关和预电离开关整体系统的设计、制造和试验过程。在主放电回路中选择石墨型两电极气体开关作为主开关,因为其在高峰值和快上升沿时间电流的作用下具有很长的工作寿命,并由此构建了基于脉冲变压器的主开关触发器,其中气路控制装置是该系统的辅助设备。在预电离回路中选择石墨型三电极气体开关作为放电开关,并给出了能够同时输出高电压和大电流的预电离开关触发器的设计原理。最后,电气特性测试实验表明两电极主开关峰值电流超过700kA,总转移电荷量超过200kC,此外通过更换电极,开关的寿命可以延长。预电离开关在充气230kPa绝对气压、充电电压23kV下,击穿时延平均值为7.5μs,时延抖动为0.656μs;预电离开关寿命试验的结果显示开关工作4000发次后石墨电极无需更换,开关的总转移电荷量超过10kC。

MV级重复频率三电极气体开关系统的设计及初步实验

介绍一个结构紧凑的三电极重复频率气体开关系统的设计以及初步的调试实验结果。开关系统结构上可分为3大部分：气体开关室、高压气流循环系统、触发发生器。气体开关室为气体火花开关的主体，通过可控的气体火花放电来控制电子束源能量的转换；高压气流循环系统产生高速气流以加速开关的极间绝缘恢复，实现高重复频率运行；触发发生器作用是通过空间磁耦合，将初级电容上储存的电能，转换成高压脉冲信号馈送到开关触发间隙，控制开关导通。

基于场畸变开关的Marx高压脉冲电源研制

针对脉冲电流法破碎核燃料球的研究需要,设计了基于Marx电路的高压直流脉冲电源。采用三电极场畸变开关作为触发开关,开关主电极和圆盘形触发极同轴布置,采用N2气体绝缘,仿真计算结果表明开关在充电和触发时电场最大值区域均匀,有机玻璃罩沿面场强符合绝缘要求。采用7级Marx发生器电路结构,每级由5 kΩ充电电阻,0.14"F高压脉冲电容和一个气体开关构成,触发源采用氢闸流管触发电路。进行了开关自击穿和Marx电路的触发实验,表明开关电感小,场畸变系数大,触发性能可靠。将该高压脉冲电源用于解体目标物质,可获得输出上升时间500 ns、电流峰值9.12 k A、单个脉冲持续时间3.5μs的高压脉冲,符合预期的设计指标。

FLTD气体火花开关自放电特性

快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)是目前经济、高效构建大型脉冲功率源的重要技术途径,但其多"子块"串并联的电路拓扑对开关提出极严苛的技术要求。针对多开关同步时系统自放电概率骤增的难题,开展FLTD气体火花开关自放电特性研究。选取三电极场畸变和多间隙两种典型开关结构,在±100 kV条件下研究放电电流和开关结构参数对自放电概率的影响规律。研究结果表明,29 kA脉冲电流多次作用下,三电极场畸变开关和六间隙开关自放电电压均服从Weibull分布,三电极开关放电分散性约4%,而六间隙开关放电分散性超过15%,两类开关均出现较明显的提前放电现象。分析认为开关放电分散性大与中间电极悬浮导致间隙电压分布不均有关,采用电阻强制均压的方式,三电极场畸变和六间隙多通道开关放电分散性明显减小,分别减小至2%和5%。