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。     

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。     

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。     

气体开关前沿陡化的实验研究

气体开关是脉冲功率技术中广泛应用的关键部件之一,高功率、高性能气体开关的技术研究及设计具有重要意义,陡化前沿是开关技术研究的重要内容。分析了气体开关的击穿机理和击穿通道的分布规律。对气体开关充分老练,开关击穿点和击穿通道将相对稳定,实验研究了开关间距和电场对脉冲前沿的影响。击穿电场较低时,减小开关间距有利于陡化脉冲前沿;击穿电场较大时（大于180 kV/cm）,开关间隙（电感）对输出脉冲前沿的影响减弱,气体开关的击穿电场成为影响输出脉冲前沿的关键因素。研究结果表明,增大开关的击穿场强,是陡化开关脉冲前沿的有效途径。     

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150 kV、触发电压60 kV时,触发抖动减小约20%,触发阈值降低5~10 kV。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1.5~3.0 mm时,开关触发抖动小于2.0 ns,预电离效果明显。     

自触发紫外预电离开关脉冲击穿时延抖动影响因素及改进方法

研究了一种自触发紫外预电离开关击穿时延抖动特性的影响因素,结果表明:触发间隙电容放电阶段起预电离作用时,预电离注入时刻开关电场是开关时延抖动的决定性因素,提高工作系数和采用逸出功更低的电极材料对降低开关在脉冲峰值附近击穿时的时延抖动效果有限。提出的改进方法为:减小开关均压电阻阻值,显著延长触发间隙的有效燃弧时间,消除预电离注入时间及抖动的影响。采用改进方法时可以使开关在工作电压300～800 kV、前沿100 ns、180 ns的脉冲峰值附近击穿时的时延抖动分别小于1.3 ns、2.8 ns。     

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。     

长寿命同轴三电极气体火花开关设计和实验

设计了一种新型的同轴三电极结构,仿真计算结果表明开关在充电及触发时电场最大值区域均匀性良好。引入循环吹气系统能够控制放电产物的流向,减小对开关绝缘结构内壁的污染,可在提高气体绝缘恢复能力的同时延长开关绝缘外壳寿命。在重频实验条件下（40 kV/20 kA/0.1 Hz）进行了寿命考核实验,目前单个开关寿命考核实验已大于17.2万发次,开关工作稳定,自击穿电压特性和触发延时抖动特性良好。     

多间隙气体开关触发特性

针对触发脉冲幅值、气体压强和紫外光照射3个因素对多间隙气体开关触发特性的影响规律开展实验研究。实验结果表明:触发电压由50 kV提高到70 kV时,开关触发时延的抖动降低约40%,统计时延的抖动降低约44%,形成时延的抖动变化不大。触发电压继续升高,触发抖动降低的趋势明显减缓。开关工作气压由0.16 MPa提高到0.28 MPa,开关触发时延的抖动增大约1.6倍,统计时延和形成时延的抖动均显著增大。紫外光辐照时间增长,开关触发抖动显著减小,最佳的辐照时间为80~140 ns,开关触发时延的抖动降低约39%。紫外光辐照可以有效降低开关统计时延的抖动,对形成时延影响不大。     

多间隙气体开关触发特性

针对触发脉冲幅值、气体压强和紫外光照射3个因素对多间隙气体开关触发特性的影响规律开展实验研究。实验结果表明:触发电压由50 kV提高到70 kV时,开关触发时延的抖动降低约40%,统计时延的抖动降低约44%,形成时延的抖动变化不大。触发电压继续升高,触发抖动降低的趋势明显减缓。开关工作气压由0.16 MPa提高到0.28 MPa,开关触发时延的抖动增大约1.6倍,统计时延和形成时延的抖动均显著增大。紫外光辐照时间增长,开关触发抖动显著减小,最佳的辐照时间为80~140 ns,开关触发时延的抖动降低约39%。紫外光辐照可以有效降低开关统计时延的抖动,对形成时延影响不大。     

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。     

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。     

预电离触发管气体开关特性

利用脉冲火花预电离方式,设计了一种脉冲火花预电离触发的触发管气体开关。开关工作电压等级为100 kV,工作介质采用干燥空气,开关主间隙10 mm,电极材料采用304不锈钢,触发结构设计成盘环嵌套结构。实验结果表明：预电离能够显著减小低工作系数下触发管气体开关的触发时延和抖动。对于ns级快脉冲触发,预电离时刻越早,开关击穿时延和抖动越低。在30 kV/8 ns触发脉冲作用下,脉冲预电离触发的触发管开关在80%工作系数时,平均时延约为40 ns,抖动小于1 ns。     

小型场畸变气体开关的击穿抖动特性

基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求,研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关,并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系,计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数,分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明：气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大;填充气体中SF₆和N₂体积比1∶1时,混合气体的综合性能较好;工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。     

气体开关抖动对输出峰值功率和前沿的影响

根据已有的实验数据和理论,给出了抖动和延时的数值表示,利用Matlab软件生成随机数组模拟开关延时和抖动。在Simulink环境下建立简化模型仿真多子块并联直线型变压器驱动源（LTD）模块的工作特性。通过M文件控制模块内多个开关的击穿时序仿真开关抖动,分析开关抖动对40个支路并联输出电流1 MA、上升时间100 ns的LTD模块输出功率峰值及前沿的影响。模拟结果表明,在一定范围内,随着抖动增大,LTD模块输出功率峰值减小,脉冲前沿显著增加,系统的稳定性随抖动增加而降低。随着开关抖动增大,输出到负载的峰值功率减小的速率增大,而脉冲前沿近似于线性增加。由于开关抖动将影响负载输出,为满足一定的系统可靠性要求,存在一个抖动阈值,对于40个子块并联的1 MA LTD模块,在系统可靠性要求5%时,其抖动阈值约为17 ns。     

气体开关抖动对输出峰值功率和前沿的影响

根据已有的实验数据和理论,给出了抖动和延时的数值表示,利用Matlab软件生成随机数组模拟开关延时和抖动。在Simulink环境下建立简化模型仿真多子块并联直线型变压器驱动源（LTD）模块的工作特性。通过M文件控制模块内多个开关的击穿时序仿真开关抖动,分析开关抖动对40个支路并联输出电流1 MA、上升时间100 ns的LTD模块输出功率峰值及前沿的影响。模拟结果表明,在一定范围内,随着抖动增大,LTD模块输出功率峰值减小,脉冲前沿显著增加,系统的稳定性随抖动增加而降低。随着开关抖动增大,输出到负载的峰值功率减小的速率增大,而脉冲前沿近似于线性增加。由于开关抖动将影响负载输出,为满足一定的系统可靠性要求,存在一个抖动阈值,对于40个子块并联的1 MA LTD模块,在系统可靠性要求5%时,其抖动阈值约为17 ns。     

新型等离子体喷射触发气体开关

为了提高气体开关的同步性, 降低自放电概率和抖动, 提出并设计了一种新型等离子体喷射触发气体开关。开关整体结构与传统的三电极场畸变开关相似, 最大特点是在触发电极内部嵌入一个微型激励腔, 用于产生等离子体喷射。研究了触发电压和气压对等离子体的喷射特性的影响, 对比场畸变和等离子体喷射两种触发方式下开关触发特性的差异, 并研究触发电压对开关性能的影响。实验结果表明：等离子体喷射高度随触发电压的升高而增加, 随气压的升高而降低; 采用等离子体喷射触发能够显著降低过压间隙的延时和抖动; 提高触发电压不但降低开关的抖动, 而且还扩展开关稳定触发的工作范围; 当触发电压80 kV, 工作系数27.4%, 开关仍然能够可靠触发, 延时和抖动分别为97.1 ns和3.5 ns。