快脉冲直线变压器型驱动源（FLTD）是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术，多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能，但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响，确定了电晕针电极的尺寸，之后研究了N2，CO2，SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性，研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明，N2中电晕电流较大且不稳定，空气中电晕电流比N2中低，且电晕放电较为稳定，微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时，气体开关击穿电压随气压升高线性增加，但存在低值击穿，微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时，击穿电压约为197.33 kV，标准偏差占击穿电压比例为1.50%，1% C4F7N /99%N2混合气体在0.15 MPa时，击穿电压约为190.42 kV，标准偏差为0.55%。这表明，微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。
电晕均压 多间隙开关 电晕特性 自击穿特性 corona discharge for voltage balance multi-gap gas switch corona characteristics self-breakdown characteristics 强激光与粒子束
2020, 32(2): 025012
中国工程物理研究院 核物理与化学研究所, 四川 绵阳 621900
针对800 kA,0.1 Hz重复频率LTD模块设计新的多间隙气体开关，要求在较高工作电压(高于±80 kV)和较低工作系数(低于70%)下抖动优于2 ns。通过电场仿真分析，优化了气体开关电极形状。串联间隙从4个增加为6个，总间隙长度为36 mm，充电±100 kV、触发100 kV时触发间隙场畸变系数为3.98。实验表明，新气体开关静态自击穿性能稳定，动态触发性能可靠。充电±90 kV、工作系数60%时击穿延时40.1 ns，抖动1.3 ns。
直线型变压器驱动器 多间隙气体开关 仿真 自击穿 触发特性 linear transformer driver multi-gap gas switch simulation self-breakdown triggering feature 强激光与粒子束
2017, 29(2): 025007
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
基于电磁驱动实验装置CQ-7研制需求, 设计了一套6间隙气体开关, 开关高131 mm, 直径108 mm, 总间隙36 mm, 开关电感约40 nH。采用模拟软件Ansoft Maxwell计算分析开关电场强度分布, 电场分布较均匀, 不均匀系数为1.14。开展了开关放电特性研究, 充电±100 kV条件下, 开关放电电流峰值可达70 kA, 放电延时约35 ns, 抖动3 ns。根据开关自击穿电压值, 采用正态分析开关自击穿概率, 开关80%安全系数下, 自放电概率小于10-4。该开关满足CQ-7实验装置研制需求。
电磁驱动 气体开关 自击穿电压 延时抖动 电场强度 electro-magnetically driven gas switch self-breakdown delay and jitter electric field strength 强激光与粒子束
2016, 28(10): 105001
西北核技术研究所, 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室, 西安 710024
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400 kPa干燥空气, ±100 kV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4.3 ns, 自放电概率低于1×10-4。
快脉冲直线变压器驱动源 多间隙串联气体开关 自击穿 伏安特性 电晕放电 烧蚀 fast linear transformers driver multi-gap gas switch self-breakdown voltage-current characteristics corona discharge needle erosion 强激光与粒子束
2016, 28(7): 075009
西北核技术研究所, 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室, 西安 710024
针对快前沿直线脉冲变压器驱动源(FLTD)系统中放电开关自击穿性能劣化的问题, 模拟计算了带电线缆、FLTD模块结构对开关间隙电场分布的影响规律, 研究分析开关自击穿性能下降的主要原因, 开展了电晕针均压和电阻均压两种方式下开关自击穿性能对比实验, 获得了不同电晕针长度、不同阻值开关自击穿电压的变化规律: 两种均压方式下开关自击穿电压分别提高3.2%和4.3%。FLTD系统中放电开关有均压措施的情况下, 系统自击穿电压提高8.9%, 自放电概率降低60%, 系统短路输出电流的稳定性明显提高, 电流幅值提高8.1%, 标准偏差减小30.8%。
气体开关 自击穿电压 电晕针 gas switch self-breakdown voltage corona needle 强激光与粒子束
2016, 28(7): 075005
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 脉冲功率科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
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。
气体火花开关 重复频率 长寿命 自击穿 抖动 gas spark switch repetitive long-lifetime self-breakdown jitter 强激光与粒子束
2016, 28(1): 015024
西北核技术研究所,强脉冲辐射环境模拟及效应国家重点实验室, 西安 710024
在工作气压和火花间隙固定的条件下, 针对稍不均匀场的圆饼形电极开关开展了不同电极材料下开关自击穿实验, 开关间隙距离为5 mm, 工作气压为0.25 MPa, 击穿电压平均值为40 kV。分别选取了不锈钢、黄铜、钨铜合金和石墨材料作为实验对象, 对比了不同电极材料下电极质量损失、电极表面形貌和开关静态特性的差异。实验结果表明, 石墨电极质量损失速率略高于金属电极, 但是由于石墨电极烧蚀产物多为气体, 因此石墨电极绝缘子污染程度远小于金属电极。石墨电极开关在低欠压比下自击穿概率也远小于金属电极开关。三种金属电极开关, 其静态特性差异不大, 但钨铜电极烧蚀程度显著低于不锈钢和黄铜电极开关。
气体火花开关 电极材料 质量损失 自击穿电压分布 gas spark switch electrode material mass loss self-breakdown voltage distribution 强激光与粒子束
2016, 28(1): 015022
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 脉冲功率科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
分析了“聚龙一号”装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响, Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率, 主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键, 即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通, 12台激光器可以独立调整精确的出光时间, 用下方的主开关比上方的提前20 ns导通的方式来修正传输线长度上的差异, 将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明, Marx发生器同步性抖动为11 ns, 主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4 ns和10 ns, “聚龙一号”装置的同步性抖动为6 ns。在同一负载参数下, 磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。
聚龙一号 主开关 自击穿水开关 同步性 抖动 Primary Test Stand laser-triggered gas switch self-breaking water switch synchronization jitter 强激光与粒子束
2016, 28(1): 015021
西北核技术研究所, 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室, 西安 710024
在不同短路电流条件下，进行了不锈钢(1Cr18Ni9Ti)电极气体火花开关连续多次自击穿放电实验，通过测量电极质量损失、表面粗糙度和自击穿电压的变化，研究电极烧蚀特性及其对自击穿性能的影响。实验结果表明: 随着放电电流峰值和周期增大，电极材料烧损速率与电容电荷量呈线性增加，而电极表面烧蚀粗糙度与电流峰值呈线性增大，自击穿电压变化达到峰值和稳定区的放电次数减少，但稳定阶段的自击穿电压值及其相对标准偏差同时减少，五种放电电流情况下，自击穿电压概率密度分布均遵循高斯函数。
气体火花开关 电极烧蚀 自击穿电压 高斯分布 spark gas switch electrode erosion self-breakdown voltage Gaussian distribution 强激光与粒子束
2014, 26(4): 045042
针对快放电直线脉冲变压器驱动源初级储能开关，调节开关气压，进行相同自击穿电压下不同间隙长度的开关自击穿实验。通过监测自击穿电压分布规律变化，研究开关间隙长度对开关自击穿特性的影响。结果表明，当开关间隙长度较大时，电极表面粗糙度较小，表明电极烧蚀程度较低。开关间隙长度为6 mm时，开关自击穿电压分散性达到最小，自击穿电压分布符合高斯函数，间隙长度大于6 mm时自击穿电压分布符合极限函数。适当增加开关间隙长度使自击穿电压分布失去对称性，有利于开关在低欠压比下获得更好的静态性能。针对电极结构，选择开关间隙长度为6~9 mm时能够获得最佳的静态性能。初步分析，引起开关自击穿电压分布发生改变的原因是电场强度的改变对阴极电子发射产生了影响。
气体火花开关 开关间隙长度 自击穿电压 分布函数 电子发射 gas spark switch gap length selfbreakdown voltage distribution function electron emission
