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1、第18卷第6期强激光与粒子束Vol.18,No.62006年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun.,2006文章编号:1001-4322(2006)06-1037-04大电流两电极气体开关研究*赖贵友,郭良福,力一峥,陈德怀,陈清海,周丕璋(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)摘要:由于引燃管难以满足现在能源系统对放电开关承受大电流的要求,因此研制了大电荷转移量两电极气体开关。这种新型气体开关电极间距可调,无触发极,采用同轴结构,并将主电极置于金属腔体内,减少了放电对绝缘支撑的污染。主电极为铜钨合金材料,设计为平顶圆柱状,以提高烧蚀均匀
2、度和热传导效率,减少电极材料喷溅,延长其寿命。绝缘支撑采用碗状结构,提高了机械强度,增加了沿面击穿距离。该开关工作电压达25kV,放电电流超过100kA(脉冲宽度600µs),单次脉冲电荷转移量达50C。实验结果显示该气体开关触发性能稳定,电极表面烧蚀均匀,多次大电流实验后电极表面保持完好,可应用于强激光能源系统。关键词:脉冲功率技术;气体开关;电极;结构设计中图分类号:TN242文献标识码:A开关技术是脉冲功率技术的重要组成部分。在大功率固体激光器能源系统中,需用工作电压不高(通常不超过25kV),工作电流达几百kA的放电开关。开关需要具有结构紧凑、可转移大电荷、可靠性高且易于维护[1-2
3、]等特点。以前的固体激光器能源系统普遍使用引燃管作为放电开关,但是,由于受通流能力限制,引燃管一般在200kA以下可以稳定运行一定发次。在新型模块化能源系统中,单个模块的储能已经接近或超过1MJ,放电电流超过300kA,单次放电电荷转移量大于100C。这种情况下使用1只引燃管作为模块放电开关不能满足要求,如果使用多只引燃管串并联,将使模块结构复杂,造价升高,工作稳定性降低。显然,引燃管已经不是合适的选择对象,相比之下,气体开关显示出优越性。[3]通常的气体开关为三电极结构,且多采用半球形电极,以有机玻璃或尼龙绝缘支撑。这种结构的开关工作在大电流时,触发电极烧蚀严重,绝缘支撑的寿命也很短,需要
4、经常维护,开关的寿命很短。我们对传统的三电极气体开关进行了改进,研制了耐烧蚀两电极大电流气体开关。1开关结构设计两电极开关包括金属外壳、主电极、绝缘罩等部件,见图1。其中上电极是高压电极,下电极接地。电极间距可调(高气压小间距时可减小开关电感),无触发极,可避免因触发极烧蚀而降低开关的使用寿命;采用同轴结构,使强磁场力得到平衡以减小振动并保证火花通道处于电极中心区域,特别是将主电极置于金属腔体内,减小电极溅射和紫外线对绝缘支撑的污染和破坏。使用有限元分析软件ANSYS对开关内的电场分布进行分析,结果如图2所示。应适当选择各部分的结构和尺寸从而优化开关内的电场分布以保证开关性能。我们将主电极边
5、缘加工成圆角(半径为6mm),使极间电场尽量均匀,以提高开关工作稳定性。经过对比计算Fig.1Sectionofgasswitch发现,如果电极边缘处理成椭圆形(长轴14～16mm,短轴为6mm),图1开关剖面图则电极间电场分布的均匀性会提高,但电极的加工和维护难度也会大大提高。从图中可以看出,我们所设计的开关的各主要部分尺寸选择合理,主电极间、主电极边缘、金属外壳和开关内的电场分布都比较均匀。[6]主电极采用铜钨合金材料,设计为平顶圆柱形状,使电弧烧蚀发生在较大的电极表面上,提高烧蚀均匀度,同时提高电极的热传导效率,减少电极材料喷溅,延长电极寿命。*收稿日期:2005-11-14;修订日期
6、:2006-03-17基金项目:42105基金资助课题作者简介:赖贵友(1971-),男,助理研究员,工学博士,现从事高功率固体激光器能源系统相关技术研究;laiguiyou@gmail.com。1038强激光与粒子束第18卷Fig.2PotentialdistributioningasswitchFig.3Photoofgasswitch图2开关电势分布图图3开关实物照片开关的绝缘支撑必须具有高的耐压强度和机械强度。在开关体积小而放电电流大的情况下,平板结构的绝缘材料容易产生形变,所以将开关的绝缘支撑设计为碗形结构,而开关密封结构为外增压径向密封,易于保证电极装配精度。图3所示为开关实物照
7、片。2触发脉冲发生器两电极气体开关触发脉冲的幅值、上升前沿直接影响开关工作的稳定性。当触发电压幅值不变时,触发信号的上升前沿越陡,则气体开关的导通延时及抖动就越小,开关的工作性能就越稳定。因此,虽然根据不同的使用要求,所设计触发源的输出特性可能千差万别。但是,低抖动、高输出陡度是各种触发源的共同设计目标。[4]设计采用Marx发生器作为两电极气体开关的外触发源。Marx发生器的工作性能一方面取决于它内部的火花
