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。

紫外预电离放电引发的非链式脉冲DF激光器

采用紫外预电离的横向放电方式和稳定光学谐振腔,使用无毒无腐蚀性的六氟化硫(SF6)和氘气(D2)作为工作物质,研究了工作气体配比、总气压对放电引发非链式脉冲氟化氘(DF)激光器输出能量的影响。实验发现SF6与D2的最佳比例为10:1,最佳总气压为10.5 kPa。使用DF激光谱线分析仪对激光输出谱线进行了测量,得到了17条P支跃迁谱线,激光能量集中在3.876μm附近的几条谱线。利用烧蚀光斑的方法测得输出激光束水平方向、垂直方向的发散角均为1 mrad。在最佳工作条件下,充电电压为39 kV时,激光单脉冲输出能量达到最大值3.58 J,此时激光脉冲宽度为215 ns,峰值功率为16.65 MW,电光转换效率为2.08%。

利用光纤诊断紫外预电离开关的导通特性

介绍了应用光纤传感器对紫外预电离脉冲开关的预电离产生时刻进行诊断的方法。相对于传统的电磁测量方法,它更适合复杂电磁环境中的放电起始时刻测量。预电离实验表明,利用光纤传感器可以定性反映紫外预电离间隙的放电特性,得到紫外预电离产生起始时刻;预电离光信号的成分包括从紫外到可见光的宽谱范围,而预电离放电第一个峰值的紫外成分较高。开关的击穿特性实验说明,开关的击穿延时约几十纳秒,开关的击穿抖动由预电离间隙的击穿抖动决定。

3MV自耦式紫外预电离开关的设计

基于紫外预电离技术和阻容耦合电路研制了应用于高功率装置的三串联3MV自耦式紫外预电离开关。该开关由紫外预电离间隙和开关主间隙组成。根据同类开关在脉冲电压下的击穿数据推算出3MV开关的间隙距离，开关主间隙的电场不均匀系数为1．58。采用台阶屏蔽技术使开关有机玻璃筒外沿面最大电场小于50kV／cm，满足设计要求。设计紫外预电离间隙击穿电压为主脉冲电压的1％，理论模拟计算表明，在0．1～0．7MPa范围内，预电离间隙电压大于在此范围内间隙击穿电压，保证可靠预电离。

非链式HF激光器紫外预电离的数值模拟

为了明确紫外预电离对主放电的影响,对光子能量为5 eV和10 eV的紫外光预电离后的电子密度分布进行了研究。首先介绍了紫外预电离过程中发生的主要过程,然后建立了紫外预电离的简单模型,再根据模拟结果分析了上述光子能量的紫外光对气体中电子密度分布的影响。模拟结果表明:总气压为50 kPa、光强为103W/cm2时,上述紫外光的有效作用距离分别为0.15 cm和0.5 cm,即使将光强升至106W/cm2,它们的有效作用距离也仅仅分别增加至0.3 cm和0.8 cm,还无法对主放电产生明显的影响;当总气压为10 kPa时,紫外光的有效作用距离分别达到1.1 cm和2.7 cm,可以对主放电产生明显的影响。这说明:在较低的工作气压下,5 eV和10 eV的紫外光均可以产生明显的预电离效果,较低气压可以获得更大的有效预电离区域和更均匀的预电离电子密度。

紫外预电离TEACO_2激光器初始电子密度的分布

本文对紫外预电离TEACO2 激光器主电极间预电离出的电子密度进行了探讨 ,分析了产生光电离的离化机理 ,给出了电子密度的变化规律。结果表明电子密度的横向分布很不均匀 。

紫外预电离TEA CO_2激光器放电过程的数值模拟

建立了一数值模型模拟紫外预电离TEACO2 激光器的放电过程。结合放电电路分析了激光器的动态放电过程 ,综合考虑了气体放电中所发生的电离、吸附、复合等粒子反应 ,得到了电子密度、放电电流及放电电压随时间变化的波形 ,并将模拟结果与实验结果进行了对比。此外 ,还模拟并分析了放电回路中部分参量对放电特性的影响 ,获得了有利于激光器稳定放电的条件。

紫外预电离TE(A) CO_2激光器自持辉光放电的阻抗计算

提供了一个理论计算紫外预电离TE(A) CO2 激光器自持辉光放电的放电阻抗的方法 ,并以脉冲形成网络 (PFN)放电TE(A)CO2 激光器为例 ,计算了其自持辉光放电“准稳态”

焦耳级放电激励紫外预电离HF激光器

研制了一台采用紫外火花预电离和横向放电结构的非链式电激励脉冲HF激光装置,采用氢闸流管结合一级磁脉冲压缩开关的高功率电激励系统。实验研究了激光工作介质SF6,H2不同压强比和总工作气压对激光输出能量的影响,得出了最佳气体组分,确定了最佳工作气压。总气压在8.8kPa,气体组分H2与SF6气压比为1:9时,获得最佳的激光输出,输出能量达到1.3J,激光器的光电转换效率达到2.4%。

紫外预电离TEA CO2激光器的实验研究

介绍了采用火花针紫外预电离高重复频率TEA CO2激光器系统的结构及其实验研究结果。该激光器的脉冲放电行为由旋转火花开关和高压脉冲触发器进行控制,并通过自动翻转电路实现对称张氏电极之间的均匀辉光放电。通过改变激光器工作气体气压、充气配比及注入能量,测量单脉冲输出能量。实验结果表明,激光器的输出能量及电光转换效率随CO2或N2充气压改变存在最佳点,最佳点与注入能量有关。输出能量及电光转换效率与总充气压呈线性关系。该激光器在单脉冲放电条件下比在高重复频率时能够注入更多的能量和充入更高的气压,脉冲能量最大输出可达53 J以上,经过进一步地参数优化,该激光器最高的电光转换效率达到17%以上。

宽工作系数大容量四电极紫外预电离气体开关

针对兆安级放电电流、微秒级放电脉宽脉冲功率装置对气体开关的需求,设计了四电极紫外预电离气体开关,对其结构进行优化并开展研究。试验结果表明:紫外预电离和高幅值触发电压是实现开关宽工作系数短时延、低抖动的决定性因素。在峰值为140 kV、前沿<30 ns(10%~90%峰值电压时间)的触发电压、工作系数(开关工作电压与自击穿电压的百分比)在40%~70%范围时,实现了2台预电离气体开关的同步导通。不同工作系数之间,开关导通时延分散性(极差)<20 ns。开关具备峰值电流≥230 kA,通流能力≥18 C/次、150次试验后开关自击穿电压降低<2%,触发特性无明显劣化。所设计的气体开关解决了开关大容量以及宽工作系数短时延、低抖动的难题,满足工程应用需求,对于进一步实现并联大容量气体开关的同步导通具有重要意义。

横向电容自耦式紫外预电离开关

对紫外预电离技术在气体开关方面的影响进行原理研究,分析并实验验证电容并联的横向辅助电极对主开关进行紫外预电离的可行性。辅助电极击穿释放紫外光,通过光电效应在主开关表面产生初始电子,以减小主开关的击穿电压离散度。预电离效果与辅助电极击穿导通电流的峰值强度、辅助电极两端的电压以及预电离储能电容有关,优化这些参数可以提高光照强度来增强预电离效果。实验结果表明:当主开关内部充满氮气、分压电容为pF量级时,距离主电极15 cm远的横向辅助电极可以产生预电离效应。在此基础上,提出一种新型的横向型电容自耦式紫外预电离开关的设计。

预电离间隙击穿特性及其对中储开关击穿稳定性的影响

紫外预电离中储开关是大型强电磁脉冲模拟装置的关键器件,中储开关预电离间隙击穿特性是影响开关性能的一个重要因素。在N_(2)气压为0.1~0.7 MPa的工作环境中,开展了预电离间隙的击穿特性及其对中储开关击穿稳定性影响的实验研究。预电离间隙的击穿特性实验结果表明,随着气压的增加,预电离间隙击穿电压呈现出不同的变化趋势:间隙距离较短时,击穿发生在预电离间隙钨针和铜电极之间的气体介质中,击穿电压呈现出渐进饱和的趋势;间隙距离较长时,低气压下的击穿发生在预电离间隙中,高气压条件下击穿发生在预电离电极的陶瓷套管表面气体介质中,此时击穿电压几乎不随气压发生变化。在电磁脉冲模拟装置中开展了预电离间隙击穿特性对紫外预电离中储开关击穿特性影响的实验,结果表明,当中储开关内部气压很高时,开关击穿分散性大于低气压区域。该结果可能与预电离间隙在高气压区域时击穿发生在陶瓷套管上有关,该现象导致预电离间隙击穿过早,使得预电离间隙击穿时刻与主间隙波形波峰时刻之间的时间差大于主间隙击穿的形成时延,从而增大了主间隙击穿电压的分散性。

基于Pulser/Sustainer技术的高重复频率长脉冲紫外预电离TE CO_2激光器

详细研究了一台增益体积为1.17 L,采用pulser/sustainer技术激励的高重复频率长脉冲紫外预电离TE CO2激光器的运转特性。激光器最高脉冲重复频率100 Hz,输出激光脉冲半峰全宽(FWHM)约23.0μs。实验记录了稳定辉光放电与有起弧的辉光放电时激光器的放电电压/电流波形;测量得到当sustainer充电电压从12 kV到30 kV时,激光器输出脉冲能量从约0.40 J变化上升至约4.0 J,观察到在同一sustainer充电电压下,激光器输出平均功率随脉冲重复频率线性变化;监测到激光器以sustainer充电电压22 kV,重复频率100Hz连续工作10 min时,输出平均功率仅从最大257 W下降至247 W。实验数据表明,与采用低感快脉冲放电激励相比,这种新型的长脉冲TE CO2激光器具有增益开关效应小、输出动态范围大、"起弧适应性"好、输出平均功率下降慢等特点。

紫外预电离TEA CO_2激光器放电特性研究

结合电路分析了TEACO2激光器的动态放电过程,综合考虑了气体放电中发生的电离、吸附及复合等碰撞过程,建立详细的参数模型,得到了电子密度、放电电流及放电电压随时间变化的波形,并将模拟结果与实验结果进行了对比;模拟并分析了放电回路中部分参量对放电特性的影响,获得了有利于激光器稳定放电的条件。

长脉冲紫外预电离TE CO_2激光器

研制了一台增益体积为1.17 L的长脉冲紫外预电离TE CO2激光器。基于Pulser/sustainer技术,设计了独立可控的双高压开关抽运电路。在激光混合气体比CO2∶N2∶He=1∶2.5∶13,总气压30 kPa时,以6 nF的Pulser电容控制100 nF的Sustainer电容,获得稳定的辉光放电,激光比注入能量达1.607 J/(kPa.L),其中,Pulser能量不到全部注入能量的5%。另外,在保持Sustainer总电容100 nF不变的情况下,设计了两种脉冲宽度略有不同的Sustainer电路,均获得了稳定的辉光放电,实验测量了放电电压、放电电流与输出激光脉冲波形,并分析了Sustainer放电的阻抗特点。激光器采用“Z”形折叠腔结构,输出激光脉冲宽度达20μs,电光转换效率超过12.0%,最大脉冲能量为6.5 J。

介质阻挡放电中的紫外线预电离

为解决大气体下尤其是空气辉光放电产生等离子体的困难,通过采用脉冲火花放电产生的紫外线对介质 阻挡放电预电离试验研究了紫外线预电离对降低空气击穿场强、“点燃”主放电的作用和气压与主放电频率对预电 离的影响;探讨了与气体流动等条件相结合,用预电离方法实现大气压下空气中辉光放电的可能性。

多间隙气体开关紫外光预电离结构

针对一种用于快前沿直线脉冲变压器驱动源的多间隙气体开关,设计了针式和孔式两种预电离触发结构,获得了两种预电离结构下开关的自击穿特性和触发特性。实验结果表明:增加预电离针后,开关静态特性没有明显变化,开关自击穿电压平均值变化幅度小于3%;开关触发特性明显改善,开关工作电压150kV、触发电压60kV时,触发抖动减小约20%,触发阈值降低5～10kV。对于针式预电离结构,实验研究了不同触发电压、工作气压、电离间隙距离时紫外光强度的变化规律,结果表明在电离间隙距离1.5～3.0mm时,开关触发抖动小于2.0ns,预电离效果明显。

紫外光预电离TEACO2激光器的研究

我们研制了一台紫外光预电离的TEACO2激光器。主放电电极采用两个实心Rogowski型剖面电极。谐振腔由一凹面镀金镜和一锗平面镜组成。采用金属丝电晕放电紫外光预电离方式。

高气压预电离短脉冲XeCl准分子激光产生研究

研究了在高气压、大体积、泵浦功率1.3959MW·cm-3抽运下,产生的XeCl准分子激光光谱,波段307.7～308.5nm,结果显示有两个谱线峰值307.98和308.19nm,谱线最强的跃迁是B—X跃迁,脉冲宽度11.13ns。在气体配比HCl∶Xe∶He=0.1%∶1%∶98.9%下,采用预电离初始电子,产生稳定辉光放电过程,获得了0.5～5Hz,单脉冲能量450mJ,束散角3mrad,短脉冲的准分子激光。