对比了几种不同类型的过电压因子下绝缘堆闪络概率的特点,考虑了多层均压及圆周渡越时间后得到的闪络概率更能反映绝缘堆耐压水平; 简化计算统计学经验公式中矩阵可保持绝缘堆闪络概率计算值准确性并减少过电压因子的静电场计算次数。分析在固定间隙距离下绝缘环个数与电压峰值及电场强度峰值的关系,计算结果表明: 存在最优绝缘环个数承受最高电压峰值与电场强度,承受最大工作场强的绝缘环个数下,工作电压幅值已降低很多。在选择绝缘环个数时应综合考虑,该计算方法可应用于工程绝缘结构设计中合理选取绝缘环个数。

采用Marx发生器结合水介质同轴线设计了高压脉冲功率源, 在X射线二极管负载上可产生数 MV高压输出。通过电压波过程分析, 给出了在负载上获得最大电压输出条件下的形成线、传输线的阻抗设计原则。通过集中参数电路模型分析, 给出了一定预脉冲幅值下形成线、传输线电长度及中储设计原则。结合水介质正极性耐压Martin经验公式进行绝缘设计, 二极管采用径向均压绝缘堆结构, 给出了整个装置初步方案设计。基于Pspice的全系统电路模拟表明: 当中储运行电压为2.6 MV时, 对3 Ω形成线充电电压为3.3 MV, 并最终在40 Ω负载上获得4 MV电压输出, 且充电过程中负载脉冲幅值约为形成线充电电压的1.2%, 在现有条件下, 该平台设计指标能够满足实验预期。

以形成线储能结合脉冲压缩方式产生数MV高压输出，是脉冲功率系统中常见的技术途径，其中绝缘堆是该类装置工程成败的关键。分析了几种径向均压绝缘堆的均压机制，基于静电场分析程序对径向均压绝缘堆结构进行了优化设计，给出了径向电阻的设计方法。研究表明：采用均压环且均压环与径向电阻电气接触的绝缘堆结构可以获得较均匀的径向电场分布，而径向电阻是绝缘堆设计的关键。在有效作用时间100 ns的4.5 MV加载电压下，优化设计的绝缘堆阴极三相点电场控制在25 kV/cm，Martin电场约120 kV/cm，低于理论击穿值。

为获取初级试验平台(PTS)装置分层真空轴向绝缘堆的电压电流,设计、标定了微分型电容分压器和微分环。探头的频响实验表明: 绝缘堆电压、电流探头的频响上限分别为270 MHz和100 MHz。两种探头均采用在线标定方法来确定幅值灵敏度系数。电压探头在标定时应当保留绝缘堆外侧的水介质,以保证探头附近电场分布不发生改变。PTS装置的实验结果表明: 当装置外围馈入电流基本均匀时,绝缘堆电压电流测量结果与相关测试结果自洽,与理论值基本符合;当馈入绝缘堆的电流分布不均匀时,不同角向探头测量结果的偏差导致总电流计算结果的误差较大。

绝缘堆为PTS装置的核心部件之一，其工作性能很大程度上决定了PTS装置整机的运行状态。在前期整机调试的基础上，对PTS装置绝缘堆的工作性能进行了介绍与初步分析。基于真空沿面闪络的统计学经验公式和瞬态电磁波分析方法，对实验中出现的两种典型异常电压波形的原因进行了探讨，初步验证了环间闪络引起的瞬态电磁波在绝缘堆内部不同介质中传输、衰减与合成的规律。实验表明，在最高2 MV的工作电压下近30发的实验中，绝缘堆未出现贯穿性闪络现象。在实验中也观测到，随着发次的累积，绝缘堆的环间闪络会在随机分布的基础上呈现一定的系统性偏差。

采用数值模拟法和有限元网格细化法对比给出电场的合理参考范围，分别选取距离阴极三结合点(0.005)(21/2d)处(d是绝缘体的厚度)和距离阳极三结合点(0.008 5)(21/2d)处的电场强度为参考点。通过优化均压环形状，采用阴极激发闪络和阳极激发闪络两种模型来控制三结合点处的场强，优化得出阴极三结合点处场强值为2.55 kV/mm，阳极三结合点处场强值为23 kV/mm。

为测量快脉冲直线变压器驱动源(LTD)二极管负载的脉冲高电压, 设计了在真空环境中使用的电阻分压器。分压器使用绝缘堆结构, 采用静电场模拟分析了分压器的电场分布。建立了包含分布参数的等效电路, 并进行了频率响应仿真, 可得分压器的频响上限为200 MHz。使用标准高压探头对分压器进行在线标定, 分压比标定结果为5 400∶1, 与设计值相符合。在LTD调试实验中, 模块充电85 kV时二极管电压为1.08 MV, 与理论估算结果一致。

基于统计学闪络经验公式,计算绝缘堆闪络概率，结果显示：绝缘堆电压峰值越低、电压有效作用时间越短、材料常数越小， 则闪络概率越低；在一定绝缘堆电压范围内，绝缘堆半径越小，闪络概率越低。考虑磁场闪络抑制效应，计算了绝缘堆闪络概率。通过电场强度与磁感应强度之比得到磁场开始闪络抑制作用的临界比值。根据绝缘体与电极的夹角以及阴极三相点电场强度与平均电场强度的关系，得到不同的临界比值，比较闪络概率计算结果的差异。计算结果表明：在磁场闪络抑制效应作用下，绝缘堆闪络概率下降。

对PTS装置分层真空轴向绝缘堆的设计和分析方法进行了研究。利用全电路模拟方法得到了绝缘堆各层的电压波形。利用静电场数值模拟方法,对每层堆中的绝缘环、电极环、均压环、场调整环以及两端接口部分的形状都进行了设计和优化。2维和3维静电场模拟结果表明,绝缘堆的设计能够满足静电场设计要求。采用2维PIC程序初步计算了绝缘堆金属均压环真空侧电子发射对电压分配不均压度的影响,计算结果表明,真空侧的电子发射会较大地影响绝缘堆电压分配的均匀度,进而对绝缘堆的全堆闪络概率造成较大的影响。

通过分析比较国外Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计,对轴向绝缘堆设计中的关键问题进行了归纳与总结.在总体描述绝缘堆研制方法和思路的基础上,详细论述了静电场数值模拟、电感参数计算和电路模拟、闪络概率计算、结构稳定性力学分析以及材料选择等绝缘堆研制中的几个关键问题,并对闪络概率分析方法的完善和拓展应用进行了讨论.