同轴场畸变气体开关运行特性

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1、第17卷第5期强激光与粒子束Vol.17,No.52005年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,2005文章编号:1001-4322(2005)05-0765-05同轴场畸变气体开关运行特性’丛培天，曾正中，蒯斌，邱爱慈，梁天学，王亮平(西北核技术研究所，陕西西安710024)摘要:开关静态工作特性通常会随放电次数的增加而发生某些变化。针对“强光一号”加速器工作初期、工作中后期和不稳定工作期的12。只气体开关，在随机抽样的基础上进行静态实验，给出了三个不同阶段直流自击穿电压与气压的关系。根据0.08MPa下工作中、后期开关连续80次的直

2、流自放电电压，同时利用Gauss和Weibull概率统计模型，分别计算了不同电压下单只开关和系统的自放电概率。结果均表明，对于工作中、后期的开关，当气压为。.19MPa时，在42kV运行电压下，加速器上120只气体开关不发生自放电的概率大于90%，与实际运行情况相符，此时开关的动态放电时延为170ns，抖动小于20ns,关键词:直线型脉冲变压器;气体开关;特性;自放电;概率中图分类号:TM835;TL503文献标识码:A气体火花开关(简称气体开关)是脉冲功率技术中常用的闭合开关〔‘一习。对气体开关的一个基本要求是性能稳定和寿命长，主要包括静态性能和动态性能[61。对于拥有

3、大量气体开关的直线型脉冲变压器[71，尤其要求开关具有良好的稳定性和工作寿命。气体开关寿命受到放电电流幅度、脉冲持续时间和气体状况等多种条件的制约。在既定的使用条件下，经过有限的放电次数，气体开关的工作状态将变得不稳定，主要表现为自放电概率增大和自击穿电压分散性增大等。另外在开关寿命期内，开关静态工作特性通常也会随放电次数的增加而发生某些变化。“强光一号”加速器的初级脉冲功率源是直线型脉冲变压器，它包括120只以压缩空气为工作介质的同轴型气体开关。根据运行经验，对于幅值100kA、脉冲宽度约1Ps的放电电流，开关工作周期可大致分为三个阶段:放电达到300次左右时，出现了频

4、繁的自放电现象，开关处于不稳定工作期;放电小于100次时，开关在较低的气压下即可稳定运行，通常称为工作初期;从工作初期到不稳定工作期称为工作中后期。与工作初期相比，工作中后期开关在原有条件下的自放电概率增大。1开关结构与实验电路开关结构如图1所示，高压电极、汇流电极和其间的触发电极组成同轴型，主间隙距离为1.5cm，高压电极为棒状电极，它与电容器的高压电极直接相连，高压充电电缆从其中心开孔处引人，外部引人的多根放电电缆均匀分布在环形盘式汇流电极上，触发电极是柱形薄筒状，它在两主电极间的位置在图1中给出，触发电缆从开关上部引人。在触发电极与两个主电极之间的上方各自按圆周均匀

5、开设了三条充气路径和一条放气路径，开关气室采用径向密封的方式，既保证了开关三个电极的同轴性，又简化了密封环节。在高压电极侧壁开设气孔，以增大高压充电电缆及中心孔壁的沿面击穿电压。同轴型电极的好处是能够形成辐射状的均匀火花通道，维持火花电感最小，减小放电脉冲前沿和分散性，同时也有利于延长电极使用寿命[87。如图2所示的静电场模拟计算表明，触发电极采用自然电位偏置时，开关电场分布属于稍不均匀场，可以充分利用开关电极的有限空间。为较详细地掌握开关在不同工作阶段的特性，我们进行了实验研究。实验电路如图3所示，电容器Co充电为负极性。进行动态触发实验时，在直流电压下，利用触发脉冲引

6、起的电场畸变使得电极之间迅速放电导通。当储能电容器co充电到U,，气体开关K高压电极a的电位为Uo，触发电极d上电位为Uo/3。图中隔离电容C,一端f处电位为Uo，当火花隙T经触发击穿后，f点电位降为零，在C,另一端e点产生一(2/3)U。的电压波向触发电极d传播，由于触发电极d开路形成全反射因此得到一(4/3)Uo的脉冲，a,d之间的电位差由原收稿日期:2004-0s-22;修订日期:2004-11-29签金项目:国家自然科学基金重点资助课题(10035020)作者简介:丛培天(1974-)，男，硕士，助研，主要从事脉冲功率技术研究;西安69信箱10分箱强激光与粒子束第

7、17卷朋2咤oJ-.一II2On-fi︵:U三l言。·沙1.ll0艺1、叫1.on1U.0、1024681012potentialelectrodeposition/mmFig.1SketchofthegasswitchFig.2Switchfielddistribution图1开关结构示意图2静电场分布来的(2/3)Uo变为(7/3)U,，而d,b之间的电位差由原来的(1/3)U。变为(4/3)Uo，两个电极间的电场同时发生畸变，使开关迅速导通，电容器Co对负载放电。图2给出了在触发后开关电极之间的电场变KWACr---丫化