王俊杰，張喜波，王　剛，李鵬輝，王利民，孫　旭，劉　勝，林　強(qiáng)，范紅艷，潘亞峰

(西北核技術(shù)研究所，西安　710024；高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　710024)

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一種新型重復(fù)頻率兆伏級多級多通道開關(guān)

王俊杰，張喜波，王剛，李鵬輝，王利民，孫旭，劉勝，林強(qiáng)，范紅艷，潘亞峰

(西北核技術(shù)研究所，西安710024；高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024)

摘要：研制了一種新型重復(fù)頻率兆伏級多級多通道開關(guān)，該開關(guān)為準(zhǔn)均勻場結(jié)構(gòu)，采用9組輻射狀電極，每組電極分別安裝在各自的環(huán)狀母盤上，母盤以一定間隔串聯(lián)固定在開關(guān)陰陽極間隙軸向的絕緣桿上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在無吹氣條件下，該開關(guān)可以在電壓1.1～1.5 MV、峰值電流15 kA和重頻50 Hz下穩(wěn)定運(yùn)行，擊穿抖動(dòng)小于10 ns，在平板二極管負(fù)載上輸出脈沖前沿小于10 ns。開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，無需使用吹氣系統(tǒng)，可形成多個(gè)火花通道。

關(guān)鍵詞：多級多通道開關(guān)；輻射狀電極；重復(fù)頻率；無吹氣

高功率微波技術(shù)實(shí)用化要求發(fā)展峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊的重復(fù)頻率脈沖驅(qū)動(dòng)源，高功率氣體火花開關(guān)是驅(qū)動(dòng)源的關(guān)鍵部件，影響驅(qū)動(dòng)源的性能，如輸出脈沖前沿、重頻能力和同步性能等。目前，工作電壓大于1 MV的電觸發(fā)氣體火花開關(guān)主要有單級開關(guān)和多級開關(guān)2種，西北核技術(shù)研究所研制的TPG系列重頻脈沖驅(qū)動(dòng)源和中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所研制的CHP01驅(qū)動(dòng)源主開關(guān)均采用單間隙電觸發(fā)氣體開關(guān)[1-5]，工作電壓1～2.6 MV，重頻20～100 Hz，需吹氣，且由于觸發(fā)脈沖前沿均為微秒級，開關(guān)擊穿時(shí)間抖動(dòng)較大；在大型脈沖功率裝置上一般采用rimfire型多級多通道開關(guān)[6-7]，電壓達(dá)6 MV，單次運(yùn)行。俄羅斯Kladukhin等研制了一種重頻500 Hz的多級多通道氣體開關(guān)[8]，工作電壓為500 kV，抖動(dòng)小于2 ns，但開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耐壓能力不足。

本文研制了一種新型MV級多級多通道開關(guān)，能夠以50 Hz重復(fù)頻率低抖動(dòng)穩(wěn)定工作，同時(shí)，不需要吹氣系統(tǒng)，可降低驅(qū)動(dòng)源系統(tǒng)的復(fù)雜性。

1開關(guān)的設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)的開關(guān)應(yīng)用于TPG1000A脈沖驅(qū)動(dòng)源，采用內(nèi)嵌Tesla變壓器向單筒脈沖形成線充電。對開關(guān)的要求為：工作電壓1.5 MV，輸出脈沖前沿小于10 ns，抖動(dòng)小于10 ns，不使用吹氣系統(tǒng)，重頻50 Hz。

開關(guān)設(shè)計(jì)需要解決以下問題：1)在保證開關(guān)耐壓的前提下，實(shí)現(xiàn)開關(guān)快速導(dǎo)通，為此，可縮短間隙，提高氣壓；2)在無吹氣條件下實(shí)現(xiàn)50 Hz重頻穩(wěn)定工作，這要求開關(guān)在更低的欠壓比，即開關(guān)運(yùn)行電壓與自擊穿電壓之比小于0.7下運(yùn)行，或者采用多通道擊穿，減小每個(gè)火花通道熱量沉積，加快通道的絕緣恢復(fù)[9]；3)提供快前沿觸發(fā)脈沖以降低開關(guān)抖動(dòng)；4)保證開關(guān)有較大的工作范圍。

2開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從目前研究現(xiàn)狀來看，多級串聯(lián)開關(guān)更容易實(shí)現(xiàn)多通道擊穿，降低對觸發(fā)器的要求。因此，本文提出了一種基于強(qiáng)場畸變效應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)多級多通道開關(guān)。

將若干金屬電極母盤固定在位于開關(guān)陰陽極間隙軸線的絕緣桿上，并將若干末端尖銳的電極針呈輻射狀安裝于環(huán)形電極母盤外圓周面上，如圖1所示?？拷枠O的第1級電極盤與陽極構(gòu)成觸發(fā)間隙，其余為自擊穿間隙。觸發(fā)器位于開關(guān)陽極內(nèi)部，觸發(fā)脈沖施加于開關(guān)觸發(fā)極與開關(guān)陽極之間，由于觸發(fā)極/第1級電極盤與第1級電極盤/陽極構(gòu)成的分布電容對觸發(fā)脈沖進(jìn)行串聯(lián)分壓，電容越大，分壓越低。為使觸發(fā)脈沖到達(dá)時(shí)第1級電極盤與開關(guān)陽極之間獲得的電壓更高，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增大了觸發(fā)極與第1級電極盤的正對面積，以便增加電容，減小其分壓。

圖1　場畸變多級開關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.1　Sketch of field distortion multi-stage switch

對開關(guān)的電位分布進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖可知，在開關(guān)慢充電時(shí)，由于電極盤所在平面與開關(guān)陰陽極罩間隙內(nèi)的等位面幾乎重合，針尖處場畸變效應(yīng)較弱，對開關(guān)耐壓影響很小，見圖2和圖3(a)；高壓觸發(fā)脈沖到達(dá)時(shí)，開關(guān)等位線嚴(yán)重偏移，見圖3(b)；開關(guān)第1級電極盤電極針尖處產(chǎn)生強(qiáng)烈場畸變效應(yīng)，與開關(guān)陽極發(fā)生擊穿，開關(guān)陽極與觸發(fā)極不發(fā)生擊穿，隨后產(chǎn)生過電壓使其余串聯(lián)間隙發(fā)生自擊穿。

開關(guān)使用輻射狀電極針，除了能夠利用強(qiáng)場畸變效應(yīng)使開關(guān)易于觸發(fā)外，由于采用分離式電極，通道之間電感隔離，利于多點(diǎn)同時(shí)發(fā)生強(qiáng)場畸變，在第一級間隙產(chǎn)生多通道擊穿，在后續(xù)自擊穿間隙上容易產(chǎn)生多通道放電，利于氣體散熱和絕緣恢復(fù)，使得在高重頻時(shí)不吹氣成為可能。

圖2　開關(guān)典型電位分布Fig.2　Electric potential isoline of the switch

(a)　Without applied trigger pulse

(b)　With applied trigger pulse

為提高開關(guān)耐壓能力，可優(yōu)化開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使等位面盡可能與安裝有輻射狀電極針的電極母盤所在平面平行，降低電極針尖端處的場畸變。設(shè)計(jì)優(yōu)化包括陰陽極外形結(jié)構(gòu)、尺寸和電極母盤在開關(guān)軸線上的位置等。圖4為優(yōu)化后獲得的開關(guān)場強(qiáng)分布，開關(guān)陰陽極罩外徑50 cm，間距20 cm。電極盤共9級，外徑15 cm，在開關(guān)軸線上近似均勻分布，每級電極盤均勻安裝16根輻射狀電極針，末端尖銳，材料為銅鎢合金。在開關(guān)充電1.5 MV時(shí)場強(qiáng)約200 kV·cm-1。在直流至微秒級脈沖電壓下的氮?dú)鈸舸﹫鰪?qiáng)可用式(1)描述：

E=24.5p+6.7p1/2

(1)

其中，E為擊穿場強(qiáng)；p為氣體壓力。根據(jù)式(1)，考慮開關(guān)高重頻運(yùn)行時(shí)絕緣不能完全恢復(fù)，預(yù)期需充氮?dú)庵?.0～1.5 MPa，具體數(shù)值由實(shí)驗(yàn)確定。

圖4　開關(guān)場強(qiáng)分布Fig.4　Distribution of the electric field of the switch

多級開關(guān)內(nèi)部絕緣支撐是整個(gè)開關(guān)的薄弱點(diǎn)，容易發(fā)生閃絡(luò)甚至擊穿，綜合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將絕緣中心軸表面設(shè)計(jì)為波浪狀，增加閃絡(luò)距離。

3開關(guān)實(shí)驗(yàn)研究

設(shè)計(jì)加工的開關(guān)如圖5所示。開關(guān)安裝完成后，在TPG1000A脈沖驅(qū)動(dòng)源上開展了實(shí)驗(yàn)研究。

由于開關(guān)發(fā)生自擊穿的位置與觸發(fā)擊穿不同，因此直接開展了觸發(fā)實(shí)驗(yàn)。觸發(fā)脈沖電壓130 kV，脈寬5 ns，前沿2 ns，開關(guān)充氮?dú)?，氣?.2 MPa。圖6為開關(guān)在電壓1.5 MV下以重頻50 Hz運(yùn)行1 s的典型實(shí)驗(yàn)波形。由圖6可見，開關(guān)在無吹氣50 Hz運(yùn)行時(shí)未發(fā)生自擊穿，開關(guān)的最低穩(wěn)定觸發(fā)工作電壓為1.1 MV，工作范圍滿足高功率微波器件調(diào)試需求。開關(guān)典型擊穿時(shí)刻極差為44 ns，標(biāo)準(zhǔn)偏差約10 ns。在30 Hz重頻時(shí)開關(guān)可連續(xù)工作1 min。

圖5　開關(guān)實(shí)物照片F(xiàn)ig.5　Photo of the switch

圖6　開關(guān)典型實(shí)驗(yàn)波形Fig.6　Typical waveform of the switch

圖7為TPG1000A驅(qū)動(dòng)源的典型輸出波形。由圖7可見，在60 Ω平板二極管負(fù)載上輸出電壓為900 kV，二極管電壓前沿約9 ns，脈沖寬度為45 ns，電流為15 kA。

圖7　驅(qū)動(dòng)源輸出波形Fig.7　Output pulse waveform of TPG1000A

為驗(yàn)證開關(guān)多通道放電性能，對開關(guān)的火花通道進(jìn)行了拍照，圖8為開關(guān)單次放電火花通道積分圖像照片?？梢钥吹?，開關(guān)形成多通道放電，但還存在通道不均勻問題，需要通過后續(xù)研究加以改善。

圖8　開關(guān)火花通道照片F(xiàn)ig.8　Photo of spark channels

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型輻射狀分離電極的場畸變多級多通道氣體火花開關(guān)，分析了開關(guān)工作過程，數(shù)值模擬計(jì)算了開關(guān)觸發(fā)前后的電場分布，優(yōu)化了開關(guān)結(jié)構(gòu)，在TPG1000A脈沖驅(qū)動(dòng)源上對開關(guān)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：開關(guān)可在電壓1.1～1.5 MV，峰值電流15 kA，無吹氣，重頻50 Hz下穩(wěn)定運(yùn)行，說明該類型開關(guān)在重頻工作方面具有優(yōu)勢。在下一步工作中需要進(jìn)一步研究開關(guān)壽命、損耗及較長時(shí)間重頻性能等問題。

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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

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-6223(2016)010402(5)

中圖分類號：TN782

作者簡介：王俊杰(1984-)，男，陜西西安人，助理研究員，碩士，主要從事脈沖功率技術(shù)研究。E-mail:wangjunjie @nint.ac.cn

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-01-13