快脉冲直线变压器初级放电单元开关电容一体化设计

开关电容器组成的初级放电支路是快脉冲直线变压器(FLTD)的基本单元,在输出电流幅值和前沿不变的前提下,降低单元回路电感可有效减少放电支路及气体开关的使用数量,从而提高FLTD的整体可靠性。因此,设法降低初级支路电感是FLTD关键技术。基于开关电容一体化技术研制了一台低电感FLTD初级放电单元,采用环形高压脉冲电容器作为能量储能元件,其工作电压100 kV,电容量39.6 nF,内电感8.8 nH。实验测试了初级放电单元的工作特性,结果表明:在±50 kV工作电压下,初级放电单元的短路电流幅值40 kA,前沿50 ns,回路电感为101 nH;在±80 kV工作电压下,初级放电单元对匹配负载的输出电流幅值为30 kA,前沿66 ns。

快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关

进行了一种可用于快前沿直线脉冲变压器驱动源系统的多间隙气体开关的设计和实验,给出了开关的静态放电实验结果,获得了静态击穿电压平均值及标准偏差随气体压强的变化规律。开关充0.15 MPa干燥空气时,最高耐压可以达到200 kV。研究了开关在不同欠压比和不同触发脉冲幅值下的触发特性。开关工作电压150 kV、欠压比78.5%、触发电压70 kV时,开关的触发延迟时间34.4 ns,抖动1.6 ns。开关经过5 000余次放电,击穿点分布均匀,可以形成多通道放电。开关结构新颖,安装操作简便,装配精度大大提高,实用性强。

100kA快脉冲直线变压器驱动源模块

介绍了100 kA快脉冲直线变压器驱动源原型模块及其采用的200 kV多级多通道气体开关的设计和初步实验结果。该模块由20台100 kV/20 nF电容器按10个支路并联组成,其中每个支路包括2台电容器、1只多级多通道开关以及相应的传输线。模块直径约1.5 m,厚度仅为20 cm。采用B-dot探针诊断负载电流。当充电电压为±90 kV时,在1.1Ω负载上可得到102.2 kA的峰值电流,上升时间为53.6 ns,脉冲宽度为133 ns。实验结果表明,该快脉冲直线变压器驱动源模块具有较好的快脉冲输出能力。

快前沿直线脉冲变压器多间隙气体开关直流自击穿特性

针对一种用于快前沿直线脉冲变压器（FLTD）的堆栈式多间隙气体开关,研究了电极表面粗糙度、电场不均匀系数、放电电流、气体压强等因素对开关自击穿电压分散性的影响。电极表面粗糙度0.1-0.8μm时,击穿电压平均值没有明显变化,击穿电压分散性小于1.5%;电场不均匀系数为1.20和1.30时,电极烧蚀均匀,开关自击穿电压分散性小于2.0%;放电电流由1.1 kA增加到30.0 kA时,击穿电压的分散性增加了约2倍,电极烧蚀的作用明显增强;工作气压由0.04 MPa增加到0.30 MPa,击穿电压的分散性由1.5%增加到3.6%。初步分析了降低开关自击穿电压分散性的途径和方法。

国际快脉冲直线变压器驱动源技术研究进展

快脉冲直线变压器驱动源(LTD)技术是近年来快速发展起来的一种新型脉冲功率技术。概述了近年来国际上快脉冲LTD技术的研究现状,介绍了快脉冲LTD在Z箍缩和闪光照相两个应用领域的发展,重点介绍了具有代表性的装置的概念设计及研究进展;对快脉冲LTD技术所涉及的开关、触发系统等关键技术进行评述,并在此基础上提出了进行快脉冲LTD技术研究需关注的重点问题及研究途径。

快前沿直线脉冲变压器驱动源模块中开关同步对放电电流的影响

介绍了4支路并联快前沿直线脉冲变压器驱动源（FLTD）模块的初步实验结果,在工作电压160 kV时,次级短路放电电流幅值达到103.4 kA,电流前沿为78 ns（10%～90%）。利用微分环测量了4只开关在工作电压120 kV时的同步情况,研究分析了开关同步对放电电流幅值和波形的影响。开关同步小于15ns时,放电电流幅值变化不明显,电流幅值的标准偏差约3.62 kA,电流波形没有明显畸变;开关同步15～25ns时,放电电流幅值略有下降,电流幅值的标准偏差约8.59 kA,电流波形有一定程度畸变;开关同步大于25ns时,放电电流幅值明显降低,电流的标准偏差显著增大,电流波形发生严重畸变。

100GW快脉冲直线型变压器功率源

基于已经研制完成的100kV/100kA快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)原型模块,设计研制了输出电压/电流分别为1MV/100kA(功率为100GW)的快脉冲LTD装置。装置由10级100kV/100kA快脉冲LTD模块串联而成,总储能为20kJ,装置直径约1.5m,长度约2.2m。最终在±85kV充电电压下,二极管负载上获得的电流约为116kA,电压约为1.1MV,电压上升时间53ns,电压脉宽146ns,二极管阻抗约为9.4Ω。

中物院快脉冲直线型变压器驱动源技术研究进展

快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)是一种可以直接获得小于100 ns脉冲上升时间的新型脉冲功率技术,在Z箍缩、闪光照相和高功率微波等领域具有重要应用。为此,介绍了近年来以流体物理研究所为代表的中国工程物理研究院在快脉冲LTD模块关键单元技术(如多间隙气体开关、触发系统和磁芯等)、单LTD模块以及多级LTD模块串联装置等方面的研究进展。研究结果表明,LTD具有结构紧凑、参数调整灵活、能量效率高等优点,是未来强流脉冲驱动器设计的优选技术路线。

快前沿直线脉冲变压器单级模块开关触发时延分散性实验研究

针对12支路并联的快前沿直线脉冲变压器单级模块,给出了模块的电路结构和关键器件参数,实验获得了12只多间隙气体开关的自击穿特性和触发特性。同时,还给出了快前沿直线脉冲变压器模块输出电流的初步实验结果,工作电压150kV时,次级短路放电电流幅值为235kA,电流前沿88.2ns(10%～90%)。次级带0.58Ω负载情况下,输出电流幅值114.5kA,电流前沿88.9ns(10%～90%)。利用微分环测量了12只开关的触发时延分散性,结果表明100次实验开关触发时延分散性近似符合正态分布,开关触发时延分散性对输出电流的影响不大,电流幅值和前沿的标准偏差分别小于2.0%,4.0%,电流波形的畸变主要以平顶为主。

1MV/100kA快脉冲直线型变压器驱动源装置设计

快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)技术是一种可以直接获得<100ns脉冲上升时间的新型脉冲功率技术,在Z箍缩、闪光照相和高功率微波等领域具有重要的应用前景。为了掌握LTD装置设计技术,基于已经研制完成的100kV/100kA快脉冲LTD原型模块,设计了输出电压/电流分别为1 MV/100kA的快脉冲LTD装置。装置由10级LTD模块串联而成,系统总储能为20kJ,次级采用真空磁绝缘传输线结构。装置直径约1.5m,长度约2.2m。根据10级LTD模块串联装置系统电路分析和数值模拟,结果表明在10Ω负载上的输出电压约为1.08MV,上升时间约51ns,脉宽为168ns。同时还针对磁绝缘传输线锥形和直筒形阴极结构建立了简化模型,采用PIC粒子模拟编码对其进行粒子模拟,结果表明,2种结构在负载端的输出电压均约为1MV,输出阻抗接近10Ω,同轴传输线间隙的电子流能够实现磁绝缘。

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%。

快前沿直线脉冲变压器平台单丝电爆炸实验研究

基于前沿约100ns、电流约100kA的快前沿直线脉冲变压器(FLTD)平台,开展了单丝电爆炸相关实验研究。围绕FLTD平台搭建了激光探针和可见光分幅相机等离子体图像诊断系统,采用可见光PIN和XRD分别测量了单丝电爆炸的辐射特性。实验获得了不同时刻对应的W丝(15μm)和镀膜W丝(15μm W+2μm聚胺亚胺)电爆炸的物理图像,呈现了两种情况下金属丝融蚀过程以及等离子体不稳定性发展的过程。实验结果表明,镀膜能够增加电流初始阶段的能量馈入,进而改善金属丝的电爆炸特性。

快脉冲直线型变压器驱动源同步触发系统

提出了一种基于单传输线脉冲成形技术的模块化快脉冲直线型变压器驱动源的同步触发系统的概念设计,主要由级数较少的Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线及触发引出电缆等组成。利用等效电路模型,研究了Marx发生器与脉冲形成线的配合关系,当发生器同时驱动多路形成线时,可以有效增加触发脉冲的数量,并能提高能量利用效率,但触发脉冲的幅值会降低。研究了水介质线阻抗与引出电缆数量对触发脉冲的影响,结果表明:随着电缆序号的增加,触发脉冲的幅值逐渐降低,并且水介质线的阻抗越高,幅值降低的速度越快。触发脉冲也可同时引出,驱动单路形成线输出60路时,触发脉冲的峰值约为293kV,前沿约11ns;当驱动5路形成线输出300路时,触发脉冲的峰值约为151kV,前沿约11ns。

支路开关自放电对大型多路并联FLTD脉冲源可靠性的影响

快脉冲直线型变压器驱动源(fast linear transformer driver,FLTD)是建设下一代大型Z箍缩装置最有前景的技术路线之一。大型FLTD脉冲源中数以万计气体开关的可靠运行是提高Z箍缩装置可靠性的重要因素。该文基于15 MAZ箍缩科学实验装置的FLTD脉冲源设计,采用Monte-Carlo方法建立考虑支路开关自放电及其载荷共享效应的FLTD脉冲源可靠性计算模型,分析开关故障模式及其触发策略对脉冲源可靠性的影响。结果表明,主支路开关自放电产生的故障电压会引起开关级联自放电,降低装置可靠性。若主支路开关工作系数设定在0.5~0.7范围内,FLTD脉冲源故障率可低于1×10^(-4)。此外,触发器及触发支路开关的高可靠性对于提升脉冲源可靠性至关重要,增加触发器脉冲数量、降低触发器自放电故障率能够有效提升脉冲源可靠性,当触发器脉冲数量提升至4倍后,FLTD脉冲源故障率有望降低至1×10^(-5)以下。研究结果为大型FLTD脉冲源的开关工作系数及触发策略的选取提供参考,具有重要的工程应用价值。

1MA直线型变压器驱动源模块设计

介绍了输出电流幅值为1MA，电流上升时间为100ns的快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）模块的设计。模块由48个子块并联组成，每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发，每路高压脉冲（100kV／50ns）触发6个开关。电路模拟显示，在充电90kV条件下，输出电流幅值为1．04MA，电流上升时间为84．5ns（0-100％）和52ns（10％～90％）。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础，开关的工作条件与已研制成功的100kA—LTD模块中的开关工作条件近似，模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全，能够保证模块达到设计要求。

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＆#177;70 kV直流充电电压叠加300 kV/30 ns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5 ns;理论估算的复合电压下击穿延时与实测结果基本吻合.

国际高能脉冲X射线闪光照相加速器的发展综述

高能脉冲X射线闪光照相加速器在高性能爆轰流体动力学实验研究中具有重要应用,是牵引高功率脉冲技术发展的重大需求之一。综述了射频直线加速器、电子感应加速器、基于高压脉冲源和高功率二极管的强流脉冲功率加速器3大类、5种闪光照相加速器技术路线的主要特点、代表性装置,对比了几种技术路线的特点,展望了未来发展趋势:一是大力发展共轴多脉冲X射线分幅照相技术;二是采用全固态脉冲功率组件实现加速器紧凑化、小型化和可移动。

±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。

电晕均压多间隙串联气体开关特性实验

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关,分析了电晕放电在开关工作过程中的作用,开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明:老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%,电晕均压效果明显;随着放电次数增加,电晕针尖逐渐钝化,触发性能变化不大;开关电晕放电电流随耐受电压升高增大,增长趋势逐渐变快;开关充400kPa干燥空气,±100kV工作电压下开关放电50 000次以上,触发性能稳定,触发击穿时延抖动约4.3ns,自放电概率低于1×10^(-4)。

多间隙气体开关绝缘子寿命

针对设计的一种堆栈式结构多间隙气体开关,分析了绝缘子污染对开关寿命的影响机理。对绝缘子表面电场分布进行了模拟计算,实验研究了绝缘子污染对开关自击穿电压的影响,得到了开关自击穿电压和绝缘子表面绝缘电阻的变化规律,开关在放电电流32kA实验条件下工作13 000次后,自击穿电压平均值由171.5kV降低至130.8kV,绝缘子表面绝缘电阻由200GΩ下降至22.6GΩ,绝缘子已无法正常使用。同时提出了提高绝缘子抗污染能力、延长绝缘子寿命的措施和方法。