低气压放电开关沿面闪络触发器的性能研究

脉冲功率技术和脉冲电流试验技术对放电开关提出了越来越高的要求,如较长的使用寿命、宽的工作范围、较小的触发时延及抖动等。为了满足这些需求,设计了伪火花开关的氧化锌半导体和高介钛酸钡陶瓷介质沿面闪络的触发装置,通过对表面放电触发器的实验发现:高介钛酸钡陶瓷沿面闪络触发器显示出强而快的电荷释放能力,在伪火花开关工作的气压范围内,触发器能够在20～30ns内释放20～30μC的电荷量,释放的电子数达到1.25×1014～1.875×1014,触发电流的上升陡度可达120～320GA/s。上述两种介质材料制作的PSS,气压7Pa时,自击穿电压28kV,最小工作电压分别为360、130V,放电延时分别为380～106ns和80～35ns,时延抖动分别为85～23ns和22～6ns。研究结果表明:高介钛酸钡陶瓷沿面闪络触发器显示出比氧化锌半导体强而快的电荷释放能力,由其制作的伪火花开关具有极低的放电时延和时延抖动。     

伪火花放电开关的半导体氧化锌表面放电触发装置研究

准确可靠的触发技术是伪火花开关研究中的一项重要内容。因为触发方案的选择不仅关系到开关电极的结构设计 ,而且对开关的工作电压范围 ,频率和寿命有很大影响。本文首次采用半导体氧化锌 (ZnO)为材料 ,设计了伪火花开关的表面放电触发器 ,该触发器体积小 ,结构简单 ,可焙烧 ,大量实验 (>1 0 5次 )表明 ,其可靠性高 ,寿命长 ,用它触发的伪火花开关 (放电电压 30～ 2kV)具有稳定的放电时延 (80～ 4 0 0ns)和时延抖动 (2 0～ 5 0ns) ,由于触发电流大 ,因而可以在极低的开关电压下触发开关 ,对着火电压 30kV的伪火花开关 ,其最低可触发开关电压可至 4 40V。     

封闭式双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支的低气压脉冲放电开关,具备耐受电压高、通流能力大、工作范围宽、寿命长、抖动低等优点,在脉冲功率装置中具有非常大的应用前景。为此研制了一款封闭式的双间隙伪火花开关,采用陶瓷–金属焊接密封方式,由改进型雪崩三极管纳秒脉冲电源和高介Ba TiO3陶瓷触发单元构成沿面放电式触发系统,触发稳定性极高。围绕伪火花开关的放电特性,主要研究了触发能量、阳极电压和工作气压对开关触发时延、抖动以及电压下降速率的影响规律。试验结果表明,触发系统极高的触发稳定性为伪火花开关触发时延抖动的降低提供了保障,最终可在间隙距离2.5mm的开关中将触发抖动降低至1ns以下;伪火花开关的电压下降速率受超密集辉光放电阶段发展过程的影响,而与空心阴极内部的过程无关,因此只受到阳极电压和工作气压的影响。此外,还分析了伪火花开关导通过程中电流过零点后发生淬灭的原因可能是开关阳极附近电子的产生速率低于消耗速率,使得反向放电通道的建立过程受阻,并采取了相应措施进行改善。     

双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、主放电通道呈现弥散特征的低气压脉冲放电开关,具有导通电流大、重复频率高、工作范围宽、寿命长、抖动低和烧蚀小等优点,在重复频率脉冲功率中具有非常大的应用潜力。文中研制了一款双间隙多通道伪火花开关,采用陶瓷金属半密封结构,工作气体为氦气,触发单元为基于高介钛酸钡薄片的电荷注入式结构。研究了不同触发脉冲作用下触发单元的放电特征和工作模式,以及气压、阳极电压和脉冲参数对触发单元电荷注入特性、开关导通时延与抖动及阳极电压跌落速率等的影响规律。此外,根据电极烧蚀形貌分析了开关的多通道同步触发特性,根据放电波形讨论了实验中遇到的电流淬灭现象。实验结果表明:触发单元放电存在脉冲电晕和沿面闪络两种工作模式;高气压和大能量的触发脉冲有利于降低开关时延、抖动和阳极电压跌落时间;快前沿的触发脉冲有利于降低开关抖动;阳极电压对触发时延和抖动的影响不大;开关能够实现多通道的同步触发和导通,且在小电流条件下存在两种淬灭形式。     

同轴式三通道伪火花放电开关实验研究

设计了典型参数下的三通道伪火花放电开关及其陶瓷表面放电触发器,进行了空气介质下的放电实验,测得了伪火花放电的气压范围,给出了开关的耐受电压曲线,计算了开关的电流上升陡度,比较了相同尺寸下的单通道伪火花开关。试验结果表明,采用多通道结构后,开关的通流能力由单通道的40kA提高到120 kA,电路的电流上升陡度提高约20％,而电极烧损则大大降低。此开关具有良好的触发性能,在2～30 kV的放电电压下,放电电流的时延及其抖动分别为50～340 ns和15～40 ns,其最低可触发开关电压为600V.     

多通道伪火花放电开关及其半导体表面放电触发器研究

本文设计了典型参数下的同轴式三通道伪火花放电开关及其氧化锌表面放电触发器,进行了空气介质下的放电实验研究,测量了开关的放电曲线,给出了产生伪火花放电的气压范围,计算了开关的放电电流上升陡度,并与相同尺寸下的单通道伪火花开关进行了比较,试验结果表明,采用多通道结构后,开关的长期通流能力由单通道的40kA提高到120kA,电路的电流上升陡度也有很大提高(15%～20%),而电极烧损则大大降低。同时首次采用氧化锌半导体设计了开关的表面放电触发器。实验表明,对耐受电压37kV的伪火花开关,在气压不变的条件下,开关的可触发开关电压可低至440V;在30～2kV的放电电压下,放电电流的时延及其抖动分别为(100～500ns)和(20～50ns)。     

沿面闪络真空开关触发特性的实验研究

触发真空开关(triggered vacuumswitch,TVS)是脉冲功率技术的核心器件,为满足对TVS放电时延及其分散性、工作电压范围、通流容量等的要求,设计了高介电系数的电介质材料制作的沿面闪络真空开关,研究了触发脉冲、主间隙两端的电压对TVS放电时延及其分散性的影响规律。实验研究表明:采用高介电常数电介质材料制作的沿面闪络真空开关,在自击穿电压为120 kV的条件下,TVS的最小工作电压为1.3 kV,工作电压范围为1.08%～99%;最大的放电时延400 ns,最小的放电时延为130 ns,最小的时延分散性为±10 ns;TVS的通过的电流峰值150 kA。该TVS不仅满足一般放电开关的性能要求,用于高电压、大电流脉冲功率技术中,而且可以用于对放电开关有特殊要求的Crowbar回路中。     

冲击电压下真空中固体沿面闪络的试验研究

在分析真空中沿面闪络放电机理的基础上,综述了真空中绝缘子表面闪络的各种主要影响因素。选用尼龙材料在真空条件下施加冲击电压,采用平面平行电极,开展沿面闪络试验。试验结果表明,当气压在3×10－3 Pa到9.4×10－2 Pa范围内时,绝缘材料闪络电压在8~12 kV波动;气压在2×10－1 Pa变化到4.5×10－1 Pa时,绝缘材料闪络电压骤降。由此可见,在3×10－3Pa到4.5×10－1 Pa范围内,随着气压的变化,闪络电压先有一个小的波动,后下降再上升的变化趋势。该结果为相关的研究工作提供了试验数据。     

大功率伪火花放电开关触发电路的设计

伪火花放电开关的触发技术是伪火花开关研究中的一项重要内容。因为触发方案的选择不仅关系到开关放电室的设计,而且对开关的工作电压范围,工作频率和使用寿命有很大影响。伪火花开关及其触发设计的最主要特征在于它的空心阴极结构,空心阴极的存在既是伪火花间隙放电的先决条件,又为开关的触发单元提供必要的空间和可靠的保护屏障,使得触发部件不受主放电等离子体电流的冲击和烧蚀。笔者提出了伪火花开关触发设计的技术要求,总结了现有伪火花放电开关的触发方法,并对它们的触发效果进行了比较,重点介绍了脉冲辉光放电(脉冲空心阴极)触发和表面放电触发及其发展。     

伪火花开关自放电电压特性与电压跌落过程实验研究

设计了典型参数下的伪火花放电开关,进行了空气介质下的电压特性实验,详细研究了气体压力,电极间隙距离,电极孔径和电极材料对伪火花开关耐受电压的影响;给出了伪火花开关放电电压与气压变化的关系曲线;测量了产生伪火花放电的气压范围和单间隙伪火花开关耐受电压的最大值,测得了伪火花放电与辉光放电的转折点气压,并对实验结果进行了理论分析。研究了伪火花开关电压跌落时间与放电电压的关系,首次将开关电压跌落过程分为暂态阶段和稳态阶段,讨论了放电电路参数,气体压力,开关结构和放电电压对电压跌落时间的影响。实验表明,在气压和开关结构不变的条件下,暂态过程时间由放电电压决定,电压越高,则所需时间就越短;稳态过程时间由放电电路参数决定,而与放电电压无关。最后讨论了真空洁净程度和开关加工与装配工艺对伪火花开关耐受电压的影响。     

铁电体触发赝火花开关实验研究

本文阐述了铁电体触发开关的工作原理,进行了铁电体触发开关的实验研究。得出了气压与开关导通时间和延时的关系,并对此实验结果进行了分析。在开关间距为3mm、真空度为2.5Pa、阴极腔的深度为19mm、小孔直径为4mm的条件下测得开关的抖动小于3ns。实验结果表明触发电压的高低对开关抖动的影响很大,随着触发电压的升高开关的抖动越来越小。当触发电压达到6kV左右时,开关的抖动小于1ns。     

场畸变触发开关新型触发电极的设计与实验

气体触发开关是脉冲功率电路的重要组成器件。针对工程中对低抖动、长寿命气体触发开关的需求,结合三电极场畸变型触发开关,设计一种拥有较多孔隙的多环型触发极结构。对三种主电极-触发极分别为平板-多环、平板-圆盘、球冠-圆盘的开关进行击穿特性实验研究,结合电场仿真对比分析实验结果。实验结果表明:在22.4k V/40ns的触发脉冲和5.0~7.5k V的工作电压下,平板-多环结构的开关时延及抖动比较稳定,开关时延基本在81.0~84.5ns之间,抖动为0.8~1.1ns。平板-多环电极结构开关时延、抖动均明显优于平板-圆盘结构,其开关时延、抖动与球冠-圆盘结构基本相同但使用寿命优于球冠-圆盘结构。     

激光触发变压器型脉冲调制器的实验研究

本文设计了一台激光触发变压器型脉冲调制器并开展了单次及1Hz重频实验研究。该调制器由水介质同轴脉冲形成线、激光触发开关、脉冲变压器、假负载等组成。在调制器主开关导通电压为-795k V时,激光到达开关25ns后调制器主开关导通,在负载上得到了电压-402k V、电流26k A、脉冲宽度128ns的准方波高功率电脉冲。当调制器主开关分别为氮气、六氟化硫时对调制器激光触发气体开关的延时、抖动特性进行了实验研究,266nm激光触发时,氮气具有较小的延时和抖动;同时对自击穿和激光触发两种情况下负载电压的前沿特性进行了对比,最后对实验结果进行了分析。     

Optimization of a low jitter, 50 kV, 100 Hz triggered spark gap with high pressure gas mixtures

Recent research efforts at Texas Tech University on impulse antenna phased array has needed to develop a reliable high voltage, high repetition rate switch that will operate with ultra low jitter. An ideal jitter of a small fraction of the risetime is required to accurately synchronize the array to steer and preserve the risetime of the radiated pulse. In [1], we showed the initial test system with sub-ns results for operations in different gases and gas mixtures. This paper discusses in detail 50 kV, 100 Hz switch operations with different gases. The effects of gases and gas mixtures have on switch performance which includes recovery rate and in particular jitter will be investigated. Gases tested include, dry air, H², N², and SF₆, as well as H₂-N₂, and N₂-SF₆ gas mixtures. Switch jitter as a result of triggering conditions is discussed, also including a comprehensive evaluation of jitter as a function of formative delay in the various gases. The temperature of gas and its effects on switch jitter is also documented in this paper. A 50 Ω, 1 nF pulse forming line is charged to 50 kV and provides the low inductance voltage source to test the different gases. Triggering is provided by a solid state opening switch voltage source that supplies ~150 kV, 10 ns risetime pulses at a rep rate up to 100 Hz in burst mode. A hermetically sealed spark gap with a Kel-F - PCTFE (PolyChloroTriFluoroEthylene) lining is used to house the switch and high pressure gas.     

Study of laser target triggering for spark gap switches

The use of laser targets as a method to decrease the required laser energy to trigger a laser triggered gas switch has been investigated at the University of Missouri. Target materials were identified based on durability, melting point, reactivity and reflection coefficient. Laser targets were placed into a cathode of a laser triggered gas switch. The switch was pulse charged by the Tiger pulsed power machine to between 185 kV and 330 kV. The switch was triggered by directing a 1064 nm or 266 nm wavelength laser pulse from an Nd:YAG laser onto a laser target to ablate material and create plasma, closing the switch. The goal of the project was to trigger a high voltage gas switch with less than 1 mJ of laser energy while maintaining a switch jitter comparable to present electrically triggered switches for LTD based systems. The study successfully demonstrated that triggering the switch using a 1 mJ infrared pulse and a graphite target resulted in a jitter less than 5 ns. Findings will be used in the design of switches for LTD based systems.     

An ultra compact back-lighted thyratron for nanosecond switching applications

An ultra-compact back-lighted thyratron (BLT), which is also named as mini-BLT, with effective volume of 15 cm^{3 was developed to serve as a high voltage switch in compact transient plasma ignition systems. The mini-BLT can hold off 40 kV and was used to conduct a peak current up to 4.5 kA. A 30 ns switching delay with 2 ns jitter was achieved when triggered by a 70 mJ, 355 nm laser pulse. Delay and jitter increase as the photon energy of the trigger pulse decreases. The plasma density in the switch measured at a peak current of 3.2 kA is 9×1014 cm-3. The mini-BLT was successfully used as the switch in a 100 ns, 60 kV pulse generator for generation of streamers in a plasma ignition system.}     

基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制

研制一套具有快边沿纳秒脉冲等离子体射流装置。该装置由基于Marx电路的并带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器和具有针环电极结构的等离子体射流装置组成。其中,纳秒脉冲源主要由直流电源、控制电路和主电路组成,主电路为10级模块化设计的Marx电路,使用MOSFET作为主开关和尾切开关;控制电路产生同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后同步驱动MOSFET工作。输出纳秒脉冲电压参数为:幅值0~8k V可调,脉宽100~1 000ns,重复频率1Hz~1k Hz,上升沿30ns左右,下降沿50ns以内。等离子体射流装置使用氩气作为工作气体,其结构为针-环电极结构。搭建等离子体射流实验平台,并能够产生稳定的等离子体,为进一步探索大气压等离子射流的应用奠定了基础。     

轴向磁场控制的旋转电弧开关的研制

开关在脉冲功率技术中极其重要，其已成为制约脉冲功率技术发展的主要技术瓶颈。为了满足高电压、大电流、高电荷转移量、电极烧蚀小、寿命长的要求，文中设计了一个由轴向磁场控制的旋转电弧间隙开关，研究了其电磁场分布及轴向磁场下电弧的运动机制，并进行了初步实验。结果表明此开关中的电弧确实在轴向磁场控制下做旋转运动，且运动速度很快，不需要对触发脉冲进行陡化就能得到纳秒级脉冲。实验放电波形比较稳定，分散性为2ns；开关电极表面的烧蚀小，有利于延长开关的寿命；开关工作参数为：电压23kV，单脉冲能量0.314MJ，峰值电流100kA，电荷转移量27.3C/脉冲。     

基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计

重频纳秒脉冲激励的大气压等离子体放电具有反应活性高等优点。设计了基于模块化雪崩三极管Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源。计算不同Marx模块的导通时延和输出波形的抖动,研究了磁心数量、位置和形状对于输出波形的影响。磁心电感越大、外径与内径之比越大,且位于传输线变压器第一级和最高一级时对脉冲叠加效率的提升作用越明显。提出直接叠加和传输线变压器两种脉冲叠加方式组合的方法,进一步提高输出电压。整体脉冲源可以在50~300Ω负载产生2~14k V,高阻负载产生4~25k V,前沿3.8ns,脉宽7~15ns,重复频率0~10k Hz的重频纳秒脉冲电压,装置结构紧凑,参数调节灵活,方便携带。