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。

Z箍缩动力学行为及其直接驱动型脉冲源研究进展

Z箍缩在惯性约束聚变、强脉冲辐射效应等前沿科技和国家安全领域发挥着重要作用。该文综述了Z箍缩等离子体动力学行为及其直接驱动型脉冲源关键技术方面的研究进展。首先,总结Z箍缩等离子体的实验诊断技术的发展,特别是激光汤姆逊散射流场诊断方法以及基于磁旋光效应的磁场诊断方法;其次,分析Z箍缩消融、内爆等过程中磁场演化图像及其作用机理的研究进展;再次,面向提升内爆品质的需求,总结预脉冲电流调控质量分布、外施轴向磁场调控等对丝阵Z箍缩内爆动力学行为的影响。同时,面向功率百太瓦级的大型Z箍缩装置建设,概述直接驱动型脉冲源新技术路线中的快直线型变压器支路技术、触发技术以及单路脉冲源的主要进展。最后,总结并提出下一步需要重点攻克的研究方向,主要包括长内爆时间下等离子体不稳定性抑制方法、大型直接驱动型脉冲源电磁能高效传输汇聚方法以及可靠运行技术等。

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。

FLTD并联RLC网路型长脉冲功率源的概念设计

快直线型变压器(简称FLTD)是一种可直接获得脉宽100ns的高功率脉冲源,它在快Z箍缩、闪光照相、强激光和高功率微波等方面具有重要应用。为了更好利用和研究FLTD技术,提出了一种FLTD与RLC整形网络组合获得快前沿且具有平顶的长脉冲驱动源概念设想,给出了脉冲源的主要组成和电气参数。通过建立等效电路,模拟了主要电气参数和负载参数对输出波形的影响,电路模拟表明:该脉冲源在100Ω纯阻性负载上输出电压达700 kV,脉冲宽度(电压90%以上平顶宽度)>150 ns,电压脉冲上升沿约为20 ns。

四级串联共用腔体MA级FLTD的设计与仿真

目前MA级快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)模块一般引入2~4路快前沿(约20ns)高幅值(100kV)电脉冲触发,百TW级数十MA的FLTD驱动源含有数千个模块,其触发系统非常庞大,并且要求触发脉冲按照精确时序到达各级串联模块,以便实现与次级行波同步的感应电压高效叠加,触发系统成为大型FLTD驱动源的瓶颈之一。在之前提出的一种利用一路外触发脉冲实现数十模块串联FLTD与次级行波同步的感应电压高效叠加触发方式基础上,设计了4级串联共用腔体的MA级FLTD模块组,每级共24支路,其中1个用作触发支路,主放电支路由2只100nF双端引出电极电容器和1只GW级气体开关组成;建立了16级串联、次级为水线的单路FLTD电路模型,数值仿真研究了支路开关自放电、触发支路开关闭合时序与分散性,以及次级传输线阻抗对驱动源的影响。

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.

FLTD三电极场畸变气体开关寿命特性

针对设计的一种场畸变气体开关,研究中间电极材料分别为不锈钢和黄铜条件下的烧蚀特性,结合开关寿命期间静态与触发特性的变化规律,获得决定开关寿命的关键因素,为三电极场畸变气体开关的性能优化提供理论支撑。研究结果表明,采用不锈钢和黄铜作为中间电极的烧蚀区域以及表面粗糙度均随着放电次数增加而增大,黄铜电极烧蚀较为严重且表面有明显的烧蚀圆斑,不锈钢电极则具有更高的表面粗糙度,阴阳极表面烧蚀存在明显差异,随着放电次数的增加,击穿点向电极边缘区域集中,影响开关的沿面绝缘特性,是导致开关寿命终结的主要原因。

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%。

用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关

为了提高多间隙气体开关壳体的寿命、绝缘可靠性和装配的一致性,基于堆栈式多间隙气体开关开展了陶瓷封装多间隙气体开关工艺及击穿特性的研究。对比分析了不同封接工艺对陶瓷金属界面场分布的影响,优选了合理的封接结构。研制了用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关并对其自击穿特性和触发特性开展了测试,结果表明:开关充干燥空气气压0.3 MPa、耐压±100 kV、峰值电流约30 kA条件下,5 000次放电的触发平均时延36.4 ns,抖动2.8 ns。该结果展示了陶瓷封装气体开关在产品化和免维护方面的优势,在FLTD模块中具有广阔应用前景。

单级、双级及四级FLTD电磁及应力分布特性研究

快脉冲直线型变压器驱动源(fast linear transformer driver,FLTD)是一种新型脉冲功率源装置,工作时,腔体内电磁场剧烈变化。四级共用腔体结构的FLTD装置可在百纳秒内产生数百千安的脉冲电流,本质上是能量在时间和空间上的压缩,实现功率的增益和能量密度的提高,因此,该装置对结构机械强度的要求较高。首先,研究了单级、两级与四级FLTD装置的放电规律与电磁场分布;其次,研究了单支路带负载模型工作时装置本身的范式应力与形变,寻找装置的应力集中点与形变最大位置,为增强装置机械强度及提高装置结构稳定性提供理论支撑。研究表明,单级、两级与多级FLTD单支路带负载模型的应力主要集中在各级单支路电容放电端口附近,四级模型范式应力最大值为2×10^(8)Pa,远小于材料限值,最大形变量为0.03 mm,电磁冲击不会对模型结构造成明显影响,该FLTD结构具有良好的机械稳定性。

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。

快Z箍缩短脉冲大电流驱动源技术的发展

实现惯性约束聚变(ICF)和高产额(high yield,HY)要求脉冲驱动电流峰值达到约60 MA,采用类似SATURN和Z装置等传统的技术途径进一步提高驱动电流,从装置造价、结构复杂性和运行可靠性等方面看都具有相当大的难度,因此,需要发展新的短脉冲大电流驱动源技术,解决快Z箍缩技术发展的瓶颈。概述了国际上快Z箍缩驱动源技术的研究现状和趋势,介绍了有代表性的ICF/HY等离子体辐射源(plasma ra-diation source简称PRS)或威胁级大型X射线模拟源初步概念设计、拟采用的技术途径,如俄罗斯大电流所(HCEI)基于FLTD(fast linear transformer driver)技术的直接驱动源、美国基于FLTD的新SATURN驱动源和基于FMG(fast Marx generator)技术的快Z箍缩驱动源,提出了快Z箍缩直接驱动源需要发展的关键技术。

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。

一种多间隙气体开关击穿特性的实验研究

快前沿直线型变压器驱动源(FLTD)是一种可以直接获得100 ns脉宽的脉冲功率源新技术,在Z箍缩、闪光照相、强激光和高功率微波方面具有重要应用。为了寻求用于FLTD的多间隙气体开关的合适结构,设计了一种场畸变多间隙气体开关。该开关含有6个间隙,各个间隙距离相等,开关间隙总长度为30 mm。开关中间电极为锚式固定结构,每个电极由3只螺钉固定在绝缘筒壁内侧,数值计算了开关的电场分布,实验研究了开关的自击穿及触发特性。结果表明,开关自击穿特性曲线与经验公式曲线基本符合,自击穿电压的分散性<3.2%;在工作系数为50%时,开关仍能正常触发,触发时延约百ns;在工作系数为60%时,触发脉冲为150 kV/15 ns的情况下,开关触发时延约60 ns,抖动时间约5 ns。

快脉冲直线变压器驱动源模块的原理及实验

介绍了直线型变压器驱动源（LTD）产生快脉冲的基本原理及技术优势，阐述了快脉冲LTD模块设计的要点，设计了输出脉冲上升时间小于100ns的快脉冲LTD模块，并进行了初步的实验研究。实验得到该LTD模块充电士16kV时，短路放电的电流峰值为23．7kA，电流振荡1／4周期为69.6ns；充电±50kV驱动0．850负载时，电流峰值为41．4kA，上升时间为36．8ns（10％-90％）和60．8ns（0-100％）。

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。

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。

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。

百ns直线型脉冲变压器模块仿真及初步试验

短脉冲直线型脉冲变压器(LTD)是近年发展的一种新型脉冲功率驱动源新技术,LTD模块化后可方便地串、并联使用。为了紧跟国际上短脉冲LTD技术,进一步拓宽其应用领域,介绍了LTD的基本原理后根据国内脉冲电容器、高频磁芯和绝缘子的技术水平,提出了一种电流上升时间约100ns、电流峰值约100kA的一级LTD模块的技术方案;重点介绍了设计模块的结构及磁芯材料的选取;利用通用电路仿真软件Pspice建立了相应的模拟电路模型,并计算了输出参数;在充电±35kV时对设计方案进行的一路单元初步实验中得到短路电流幅值7kA,上升时间(10%～90%)约86ns,单个回路电感约270nH。实验结果表明,设计方案能达到预期指标。

LTD用磁芯材料磁化特性实验研究

通过比较测量磁化特性的几种方法,采用脉冲电容器快速放电方法,获取了ns级上升前沿的快脉冲,对高频响应比较好、适合于直线型脉冲变压器(LTD)的非晶态合金、硅钢带磁芯进行了快脉冲磁化特性实验。通过测试磁芯在快脉冲下初级电流和开路次级电压,获得了磁芯的磁滞回线;测出了它们在不同的磁感应强度随时间的变化率(dB/dt)时的相对磁导率。试验表明两种磁芯样品的相对磁导率随着dB/dt增大而减小,非晶态合金2605SA1样品磁环在dB/dt大于20 T/μs时,相对磁导率小于1000,硅钢薄带磁芯在dB/dt大于4 T/μs时,相对磁导率小于1000。