一种新型重复频率兆伏级多级多通道开关

王俊杰，张喜波，王　刚，李鹏辉，王利民，孙　旭，刘　胜，林　强，范红艳，潘亚峰

(西北核技术研究所，西安　710024；高功率微波技术重点实验室，西安　710024)



一种新型重复频率兆伏级多级多通道开关

王俊杰，张喜波，王刚，李鹏辉，王利民，孙旭，刘胜，林强，范红艳，潘亚峰

(西北核技术研究所，西安710024；高功率微波技术重点实验室，西安710024)

摘要：研制了一种新型重复频率兆伏级多级多通道开关，该开关为准均匀场结构，采用9组辐射状电极，每组电极分别安装在各自的环状母盘上，母盘以一定间隔串联固定在开关阴阳极间隙轴向的绝缘杆上。实验结果表明：在无吹气条件下，该开关可以在电压1.1～1.5 MV、峰值电流15 kA和重频50 Hz下稳定运行，击穿抖动小于10 ns，在平板二极管负载上输出脉冲前沿小于10 ns。开关结构简单，无需使用吹气系统，可形成多个火花通道。

关键词：多级多通道开关；辐射状电极；重复频率；无吹气

高功率微波技术实用化要求发展峰值功率高、结构紧凑的重复频率脉冲驱动源，高功率气体火花开关是驱动源的关键部件，影响驱动源的性能，如输出脉冲前沿、重频能力和同步性能等。目前，工作电压大于1 MV的电触发气体火花开关主要有单级开关和多级开关2种，西北核技术研究所研制的TPG系列重频脉冲驱动源和中国工程物理研究院应用电子学研究所研制的CHP01驱动源主开关均采用单间隙电触发气体开关[1-5]，工作电压1～2.6 MV，重频20～100 Hz，需吹气，且由于触发脉冲前沿均为微秒级，开关击穿时间抖动较大；在大型脉冲功率装置上一般采用rimfire型多级多通道开关[6-7]，电压达6 MV，单次运行。俄罗斯Kladukhin等研制了一种重频500 Hz的多级多通道气体开关[8]，工作电压为500 kV，抖动小于2 ns，但开关结构复杂，耐压能力不足。

本文研制了一种新型MV级多级多通道开关，能够以50 Hz重复频率低抖动稳定工作，同时，不需要吹气系统，可降低驱动源系统的复杂性。

1开关的设计要求

设计的开关应用于TPG1000A脉冲驱动源，采用内嵌Tesla变压器向单筒脉冲形成线充电。对开关的要求为：工作电压1.5 MV，输出脉冲前沿小于10 ns，抖动小于10 ns，不使用吹气系统，重频50 Hz。

开关设计需要解决以下问题：1)在保证开关耐压的前提下，实现开关快速导通，为此，可缩短间隙，提高气压；2)在无吹气条件下实现50 Hz重频稳定工作，这要求开关在更低的欠压比，即开关运行电压与自击穿电压之比小于0.7下运行，或者采用多通道击穿，减小每个火花通道热量沉积，加快通道的绝缘恢复[9]；3)提供快前沿触发脉冲以降低开关抖动；4)保证开关有较大的工作范围。

2开关结构设计

从目前研究现状来看，多级串联开关更容易实现多通道击穿，降低对触发器的要求。因此，本文提出了一种基于强场畸变效应的新型结构多级多通道开关。

将若干金属电极母盘固定在位于开关阴阳极间隙轴线的绝缘杆上，并将若干末端尖锐的电极针呈辐射状安装于环形电极母盘外圆周面上，如图1所示。靠近阳极的第1级电极盘与阳极构成触发间隙，其余为自击穿间隙。触发器位于开关阳极内部，触发脉冲施加于开关触发极与开关阳极之间，由于触发极/第1级电极盘与第1级电极盘/阳极构成的分布电容对触发脉冲进行串联分压，电容越大，分压越低。为使触发脉冲到达时第1级电极盘与开关阳极之间获得的电压更高，通过结构设计增大了触发极与第1级电极盘的正对面积，以便增加电容，减小其分压。

图1　场畸变多级开关结构Fig.1　Sketch of field distortion multi-stage switch

对开关的电位分布进行模拟计算，结果如图2和图3所示。由图可知，在开关慢充电时，由于电极盘所在平面与开关阴阳极罩间隙内的等位面几乎重合，针尖处场畸变效应较弱，对开关耐压影响很小，见图2和图3(a)；高压触发脉冲到达时，开关等位线严重偏移，见图3(b)；开关第1级电极盘电极针尖处产生强烈场畸变效应，与开关阳极发生击穿，开关阳极与触发极不发生击穿，随后产生过电压使其余串联间隙发生自击穿。

开关使用辐射状电极针，除了能够利用强场畸变效应使开关易于触发外，由于采用分离式电极，通道之间电感隔离，利于多点同时发生强场畸变，在第一级间隙产生多通道击穿，在后续自击穿间隙上容易产生多通道放电，利于气体散热和绝缘恢复，使得在高重频时不吹气成为可能。

图2　开关典型电位分布Fig.2　Electric potential isoline of the switch

(a)　Without applied trigger pulse

(b)　With applied trigger pulse

为提高开关耐压能力，可优化开关结构设计，使等位面尽可能与安装有辐射状电极针的电极母盘所在平面平行，降低电极针尖端处的场畸变。设计优化包括阴阳极外形结构、尺寸和电极母盘在开关轴线上的位置等。图4为优化后获得的开关场强分布，开关阴阳极罩外径50 cm，间距20 cm。电极盘共9级，外径15 cm，在开关轴线上近似均匀分布，每级电极盘均匀安装16根辐射状电极针，末端尖锐，材料为铜钨合金。在开关充电1.5 MV时场强约200 kV·cm-1。在直流至微秒级脉冲电压下的氮气击穿场强可用式(1)描述：

E=24.5p+6.7p1/2

(1)

其中，E为击穿场强；p为气体压力。根据式(1)，考虑开关高重频运行时绝缘不能完全恢复，预期需充氮气至1.0～1.5 MPa，具体数值由实验确定。

图4　开关场强分布Fig.4　Distribution of the electric field of the switch

多级开关内部绝缘支撑是整个开关的薄弱点，容易发生闪络甚至击穿，综合以往设计经验，将绝缘中心轴表面设计为波浪状，增加闪络距离。

3开关实验研究

设计加工的开关如图5所示。开关安装完成后，在TPG1000A脉冲驱动源上开展了实验研究。

由于开关发生自击穿的位置与触发击穿不同，因此直接开展了触发实验。触发脉冲电压130 kV，脉宽5 ns，前沿2 ns，开关充氮气，气压1.2 MPa。图6为开关在电压1.5 MV下以重频50 Hz运行1 s的典型实验波形。由图6可见，开关在无吹气50 Hz运行时未发生自击穿，开关的最低稳定触发工作电压为1.1 MV，工作范围满足高功率微波器件调试需求。开关典型击穿时刻极差为44 ns，标准偏差约10 ns。在30 Hz重频时开关可连续工作1 min。

图5　开关实物照片Fig.5　Photo of the switch

图6　开关典型实验波形Fig.6　Typical waveform of the switch

图7为TPG1000A驱动源的典型输出波形。由图7可见，在60 Ω平板二极管负载上输出电压为900 kV，二极管电压前沿约9 ns，脉冲宽度为45 ns，电流为15 kA。

图7　驱动源输出波形Fig.7　Output pulse waveform of TPG1000A

为验证开关多通道放电性能，对开关的火花通道进行了拍照，图8为开关单次放电火花通道积分图像照片。可以看到，开关形成多通道放电，但还存在通道不均匀问题，需要通过后续研究加以改善。

图8　开关火花通道照片Fig.8　Photo of spark channels

4结论

设计了一种新型辐射状分离电极的场畸变多级多通道气体火花开关，分析了开关工作过程，数值模拟计算了开关触发前后的电场分布，优化了开关结构，在TPG1000A脉冲驱动源上对开关性能进行了实验研究。结果表明：开关可在电压1.1～1.5 MV，峰值电流15 kA，无吹气，重频50 Hz下稳定运行，说明该类型开关在重频工作方面具有优势。在下一步工作中需要进一步研究开关寿命、损耗及较长时间重频性能等问题。

参考文献

[1]SONG X X, LIU G Z, PENG J C, et al. A repetitive high-current pulsed accelerator TPG700[C]//17th International Conference on High Power Particle Beams, Xi’an, 2008: 75-79.

[2]彭建昌, 苏建仓, 宋晓欣, 等. 40 GW重复频率脉冲驱动源研制进展[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(4): 712-716.(PENG Jian-chang, SU Jian-cang, SONG Xiao-xin, et al. Progress on a 40 GW repetitive pulsed accelerator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2010, 22(4): 712-716.)

[3]彭建昌, 苏建仓, 张喜波, 等. 20 GW/100 Hz脉冲功率源研制[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(11): 2 919-2 924.(PENG Jian-chang, SU Jian-cang, ZHANG Xi-bo, et al. Development of 20 GW/100 Hz repetitive pulsed accelerator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2011, 23(11): 2 919-2 924.)

[4]罗敏, 常安碧, 赵殿林, 等. MV级重复频率三电极气体开关的优化研究[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(2): 269-272.(LUO Min, CHANG An-bi, ZHAO Dian-lin, et al. Optimization of MV-class repetitive trigatron switch[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2006, 18(2): 269-272.)

[5]罗敏, 赵殿林, 常安碧, 等. MV级多通道重复频率气体开关的设计及初步实验[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(6): 999-1 002.(LUO Min, ZHAO Dian-lin, CHANG An-bi, et al. Design and primary experiment of an MV-class repetitive multi-channel gas switch[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2006, 18(6): 999-1 002.)

[6]黄建军, 张永民, 来定国, 等. 多级多通道气体开关的实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(2): 339-342.(HUANG Jian-jun, ZHANG Yong-min, LAI Ding-guo, et al. Experimental study of multi-stage and multi-channel closing switch[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(2): 339-342.)

[7]LECHIEN K R, STYGAR W A, SAVAGE M E, et al. 6.1-MV, 0.79-MA laser-triggered gas switch for multimodule, multiterawatt pulsed-power accelerators[J]. Phys Rev ST Accel Beams, 2010, 13(3): 030401.

[8]KLADUKHIN V V, KLADUKHIN S V, KLURAMTSOV S P, et al. Sequential nanosecond switch[C] // IEEE Pulse Power Conference, 2007: 423-427.

[9]彭建昌, 孙旭, 佘希园, 等. 气体火花开关重复频率特性的实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(6): 065007.(PENG Jian-chang, SUN Xu, SHE Xi-yuan, et al. Experimental investigation of gas spark switch features on pulse repetition rate[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26(6): 065007.)

A New MV-Level Repetitive Multi-Stage and Multi-Channel Switch

WANG Jun-jie, ZHANG Xi-bo, WANG Gang, LI Peng-hui,WANG Li-min,SUN Xu,LIU Sheng, LIN Qiang,FAN Hong-yan,PAN Ya-feng

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024，China；Science and Technology on High Power Microwave Laboratory，Xi’an710024，China)

Abstract:The design and experimental results of a novel MV-level multi-stage and multi-channel switch are reported. The electrode of the switch contains 9 electrode plates, each of which has 16 electrode needles radially installed on. The electrode plates are equally spaced on the central insulating bar, and the one close to the anode forms the trigger gap with the anode, and the other 8 plates form the serial self-breakdown gaps. The electric field of the trigger gap and the serial self-breakdown gaps is quasi-symmetrically distributed. The experimental results show that, under no gas flow condition, the switch works well at 1.5 MV with a repetition rate of 50 Hz and an output current of 15 kA, and the jitter is less than 10 ns. For a planar diode load, the rise time of the output pulse is less than 10 ns. The switch has a simple structure but several spark channels.

Key words:multi-stage switch;radicalized electrode;repetitive;no gas flow

文献标志码：A

文章编号：2095-6223(2016)010402(5)

中图分类号：TN782

作者简介：王俊杰(1984-)，男，陕西西安人，助理研究员，硕士，主要从事脉冲功率技术研究。E-mail:wangjunjie @nint.ac.cn

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-01-13