多通道自击穿水开关测试方法研究

在西北核技术研究所的“闪光-Ⅱ”装置上进行了水介质多针自击穿开关实验研究,该开关由2个或4个开关间隙、1个预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。给出了实验研究所使用的测试方法及波形分析方法(两个判据)。开关输入预脉冲较大时,可以认为开关输出波形的预脉冲作用时间就是开关的

7卷 第11期 第1

005年11月 2强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.17,No.11 ,Nov.2005 文章编号:()001-4322200511-1744-05 1

多通道自击穿水开关测试方法研究

(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳6)21900*夏明鹤, 谢卫平, 李洪涛, 杨自祥, 丰树平, 卫 兵, 傅 贞, 任 靖, 孟维涛

闪光装置上进行了水介质多针自击穿开关实验研究,该开关由2- 摘 要: 在西北核技术研究所的“Ⅱ”

个或4个开关间隙、1个预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。给出了实验研究所使用的测试方法及波形分析方

法(两个判据)。开关输入预脉冲较大时,可以认为开关输出波形的预脉冲作用时间就是开关的击穿延迟时间,

故可以利用波形的预脉冲确定开关的自击穿延迟时间和开关间隙的击穿分散性以及间隙之间的击穿同步分散

/性;在实验测试分析过程中,可以利用间隙自击穿放电电流的dIt信号判断开关间隙的自击穿状态。分析表d

明,这两个判据可有效地确定开关的特性参数和击穿状态。

关键词: 多通道自击穿水开关; 延迟时间; 预脉冲; 测试方法

782 文献标识码: 中图分类号: TN A

闪光装置上进行了同轴型多通道自击穿水介质开关实验研究,类似结构的水开关在Z装置及Z-R 在“Ⅱ”

3～7]。开关输入电压为0.放电电流为2电脉冲宽度约装置上得到研究和应用[5～1.4MV电压,00～550kA,

。实验装置框图见图1,其中,去掉了P150nsSTL前端的预脉冲电3为实验的多通道自击穿水开关。实验时,

故开关S将分别对实验概感,并短接气体预脉冲开关S2,3的输入预脉冲较大。相关实验结果另有文章报道,

况、结果以及电参数的测试进行详细介绍。本文提出了一种新的多通道自击穿水开关的分析方法,该方法可有效地确定开关的特性参数和击穿状态。

;;;aterself-breakdownmainswitchPTL-pulsetransmissionlineSreulsegasswitch;PFL-pulseforminlineSppg1-w2-

;-CPOL-pSulti-channelwaterself-breakdownswitch;LoaduSOaterresistanceulseoututtinlinepg3-m4w

Fi.1 Exerimentalpositionofthemulti-channelwaterself-breakdownswitchonFlashⅡgeneratorgp

图1 多通道自击穿水开关在“闪光装置上的实验位置-Ⅱ”

1 开关结构及实验简介

四间隙开关及其放电参数测试探头的照片如图2所示。图2的4个开关间隙用不锈钢软带与输出线内筒的相应位置连接,每个开关间隙通过电极杆穿过预脉冲屏蔽板(接地板)的相应开孔与输出端的同轴硫酸铜水电阻负载相连接。电极间隙呈圆周对称分布,电极间隙由电极头、电极引出杆和独立的支撑尼龙结构部件构

预脉冲屏蔽接成。电极根部有连接分压器的孔,CuSO4水电阻分压器的高压端通过不锈钢软带连接在电极上。

Fi.2 Confiurationof4-channelswitchanddianosesmonitorsggg

图2 4通道开关结构照片及测试探头

2005-02-28;2005-06-07*收稿日期: 修订日期:

基金项目:42105基金资助课题

夏明鹤(,男,助研,硕士,从事脉冲功率技术研究工作;:作者简介:1974-)1998年毕业于重庆大学,E-mailXiamh@

。

在西北核技术研究所的“闪光-Ⅱ”装置上进行了水介质多针自击穿开关实验研究,该开关由2个或4个开关间隙、1个预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。给出了实验研究所使用的测试方法及波形分析方法(两个判据)。开关输入预脉冲较大时,可以认为开关输出波形的预脉冲作用时间就是开关的

第11期夏明鹤等:

多通道自击穿水开关测试方法研究1745地板的开孔处安装电流测试线圈屏蔽盒,见图3。预脉冲屏蔽

接地板可抑制预脉冲并且对电流测试线圈起支撑定位的作用。

见图3的圆 预脉冲屏蔽板开孔处测试环形圆管可以拆卸(

环形不锈钢部件),可以放置R微分L自积分线圈或微分线圈,

信号在进入示波器前使用积分盒积分。整个开关的放电电流使

用机器假负载自身分流器测试,该分流器由2000多个碳膜固

体电阻呈圆周并联组成。

对称地安装了2 进行2对电极结构的水介质开关实验时,

对开关电极。开关的输入、输出电压分别用水电阻分压器测试,

可以得到2每个间隙的放电电流用RL线圈和微分线圈测试,Fi.3 AgandpositionofRoowskicoilgpag图3 一个间隙及电流线圈放置照片

个间隙的输入输出电压和放电电流信号,包括放电电流的自积分信号和微分信号。进行4对电极结构的水介质开关实验时,用水电阻分压器测试开关的输出电压,并测量开关每个间隙的放电电流信号。

输出电压和放电电流的测试波形可以得到开关的每个间隙的时间抖动(每个放电间隙的击穿 由开关输入、

时间分散性)、击穿迟滞时间(每个放电间隙的充电时间)、自击穿电压、放电电流、预脉冲作用时间及其幅值,以及间隙之间的同步性能(同一次放电时,多个放电间隙的击穿时间分散性)和有效放电通道数目等特性参数。2 利用预脉冲确定开关的放电性能参数

可以使开关结构紧凑且电感较小。预脉冲的产生有两种机理,水 用去离子水作为火花隙开关的绝缘介质,

介质具有的大介电常数和水开关较小的电极间隙距离使得开关电容较大,易导致在充电期间水开关上出现电

/,出现预脉冲。水开关的另一个预脉冲机理也许是有效的,称为C容耦合,产生位移电流C即ddVt-dot效应,

把电容视作一个随时间变化的变量,引起C-dot电流:

()1=C+Vdtdtdt

放电时流柱向前运动,水开关工作时的间隙电容包括时变电容。由于 流柱前端末梢可以视为等电位情形,I=

水开关的等效电容较大,开关充电期间,开关输出端将产生较大的预脉冲,在预脉冲的起始处,电信号有较明显的拐点,故可以利用预脉冲作为测量依据。

模拟电路如图4所示,与实测较好地吻合sice对实验的等效电路进行了模拟, 使用Pp[1,2]。

Fi.4 Euivalentcircuitmodelofsimulationgq

图4 模拟计算的等效电路模型

当MSarx发生器给主开关S 在模拟的过程中发现:1充电期间,1的输出端的预脉冲幅值比S3的输出端的

为S预脉冲幅值大一个量级以上;当传输线给SS0%～3充电时,3上才出现较大的预脉冲(1预脉冲幅值的2

即改变S;当改变图4中的US60%)1的击穿时间,1的击穿电压时,3的输出电压和输出电流的预脉冲起点随

之改变,而改变U只影响S即S也就是说U2的击穿时间,3的预脉冲作用终点时刻,3输出主脉冲的起点时刻,2控制S可以认为:SS3的击穿时刻,3的预脉冲终点时刻就是S3的击穿时刻。因此,1充电期间的预脉冲经过S3后被完全抑制,/电流波形的预脉冲作用时间就是开关S即击穿延迟时间。S3输出电压3的充电时间,

由开关预脉冲的输出波形可以得到开关充电起始时刻和开关击穿时刻。利用开关的输出电压波形 因此,

或输出电流波形可以得到开关间隙的击穿延迟时间(约为开关输入电压的预脉冲终点时刻与该开关输出电压的预脉冲终点时刻的时间差,见图5);测量同一个开关在同一发实验中几个间隙的输出电压波形的预脉冲作用终点的时间差,可以得到间隙击穿同步分散性,见图6。将相同实验状态下同一个开关间隙多次实验的输出

在西北核技术研究所的“闪光-Ⅱ”装置上进行了水介质多针自击穿开关实验研究,该开关由2个或4个开关间隙、1个预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。给出了实验研究所使用的测试方法及波形分析方法(两个判据)。开关输入预脉冲较大时,可以认为开关输出波形的预脉冲作用时间就是开关的

1746强激光与粒子束第17卷电压波形经过时间标尺移动后,以预脉冲作用的起点为基点,将这些波形的基点重合,测量预脉冲作用的终点时刻,可以得到该状态下每个开关间隙的击穿时间分散性,即间隙抖动,如图7所示。图7给出10发相同实验状态下一个开关间隙的击穿时刻的时间差,其极差约为6n。s

Fi.5 Delaimeofagagytp

图5 一个间隙的击穿延迟时间Fi.6 Simultaneititterofgasinaswitchgyjp图6 开关间隙之间的击穿同步分散性

Fi.7 Jitterofthesamegagp

图7 同一个开关间隙的击穿分散性Fi.8 Testedwaveformsofdischareofagaggp图8 间隙的放电信号测试波形

美国圣地亚实验室的研究人员使用水开关输出电流的预脉冲起点作为水开关的充电初始点来计算分散性

3]。与本实验研究所不同的是,他们选取水开关输出电流约为2认为和延迟时间[00kA时刻为开关导通时刻,

此时开关完全闭合,而我们认为应该是预脉冲作用终点稍微靠后的时刻为开关导通时刻。由于闭合过程非常快,也可以认为预脉冲电流(或预脉冲电压)的终点时刻,即主脉冲电流的起点为水开关导通时刻,这可以用实验证明。我们对二间隙结构开关的每个间隙的输入、输出电压和输出电流进行了测试,其中间隙的导通电流用自积分R输出电压和放电电流及其d/oowski线圈和微分线圈测试。图8给出一个开关间隙的输入、dIt信g

/在输出电压预脉冲号,图中信号的时间标尺相同。可以看出,在预脉冲作用终点前ddIt信号幅度达到最大,

/而输出作用终点时刻,水开关间隙输入电压达到最大。可以认为ddIt信号达到最大的时刻为流柱产生时刻,

电压预脉冲作用终点时刻为间隙完全导通即通道的导通电阻为最小的时刻。

3 利用开关间隙的电流微分信号判断间隙自击穿状态

/出现了两种d/使用了微分线圈测试了每个放电通道的dddIt信号。在波形分析中发现,It信 在实验中,

/有较大幅值,另一种是其前沿上升缓慢,如图9所示。前者定义为正常放电号,一种是ddIt的前沿快速上升,

状态,后者为非正常放电状态。开关间隙在较高电压下将自击穿导通放电,其d/其dIt信号有明显的跳变点,

因此可以利用最大值处对应开关间隙输入电压的下降点,它对应间隙输入电压的最大值,即自击穿电压VB,

/放电实验波形如图9()所示。如果开关间隙提前导通,间隙ddaIt信号作为开关间隙自击穿电压的判定依据,

在较低的场强下产生击穿,其输出电流变化幅度较小,放电实验波形见图9(。由于间隙提前导通与否其间b)

/因此可以使用d/隙放电的dddIt信号显著不同,It信号作为间隙是否正常放电的依据。

/在实验中发现,无论是二间隙结构的开关还是四间隙结构dIt信号作为判断间隙的导通状态的依据, 以d

的开关,都出现过在同一发实验中有的间隙击穿状况较好而有的间隙提前导通的情况。图10以二间隙结构开关为例,给出一个间隙提前导通的情形,见图1(),和两个间隙都提前导通的情况,见图1。通过测试发0a0(b)

在西北核技术研究所的“闪光-Ⅱ”装置上进行了水介质多针自击穿开关实验研究,该开关由2个或4个开关间隙、1个预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。给出了实验研究所使用的测试方法及波形分析方法(两个判据)。开关输入预脉冲较大时,可以认为开关输出波形的预脉冲作用时间就是开关的

Fi.9 Discharewaveformsofagaggp

图9 一个间隙的放电波形

现,只要开关的一个间隙提前导通,那么其它间隙的击穿状态就要受到影响。提前导通的间隙会使其附近间隙的电压下降,可能有的间隙还未形成贯穿间隙的流柱通道,间隙上的电压就已经降低到不能驱动流柱继续向前发展的水平,因此该间隙不会导通,其d/dIt信号也不可能与正常击穿的信号近似。

Fi.10 Discharewave-shaeoftwodischarestatesggpg

图10 两种导通状态的放电波形

4 结 论

闪光加速器上进行了水介质自击穿开关放电的测试实验研究,使用水电阻分压器和电流线圈同时- 在“Ⅱ”

测试了水介质自击穿开关的放电间隙输入、输出电压和放电电流。使用水开关的预脉冲作为判断开关充电的起始时刻,进而确定开关放电延迟时间、间隙的击穿分散性、间隙击穿电压和间隙之间的击穿同步分散性等特

/可以有效地判断间隙的击穿状态。这两个性参数;利用间隙放电的ddIt信号作为开关间隙放电状态的判据,

判据的确立对研究水开关的性能具有重要意义。

致 谢:邓建军研究员、盖同阳老师和黄建军博士的建议和帮助;韩文辉工程师、曹文彬研究员、王勐博士、吴守东高级技 衷心感谢邱爱慈院士、

师、秦卫东同志及西北核技术研究所的部分同志参加了实验工作,在此表示谢意。

参考文献:

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Testmethodsofmulti-channelwaterself-breakinwitchgs

,,,,,XIAMin-heIEWei-inIHon-taoi-xianENGShu-in X L YANGZ Fgpgggpg

,,,WEIBinUZhenENJinNGWei-tao F R MEgg

(InstituteoluidPhsics,CAEP,P.O.Box919-108,Mianan21900,China)fFyyg6

:enerator.bstractowerpreulsehihpowerdensitaterdielectricself-breakinwitchwasinvestiatedonFlashⅡg A Alpgywgsg

,Theswitchcontainedtwoorfourgasapreulseshieldandsuortintructure.Thedischarecurrentandtheinutoroututppppgsgpp

voltaesofeachgaeremeasuredboowskicoilandCuSOesistancedividersresectivel.ThetestandanalsismethodsgpwyaRgpyy4r

oftheexerimentalwaveformwerepresented.Theamlitudesofthepreulseofthewaterswitchweresinificant.Itwasconsid-pppg

eredthatthepreulseeffecttimeofthewaterswitchwaseualtothebreakinelatime.Thepreulsecurrentorpreulsevolt-pqgdypp

,aecouldbeusedtoprovidetiminatatomeasurethedelaimetheitterofthesamegandthefirst-to-lastswitchinimeggdytjpagt

/difference.ThedIdtsinalofagaouldbeusedtoestimatethestateofthedischare.gpcg

:;;eordsulti-channelwaterdielectricself-breakinwitch;elaimereulseestmethod K M D P Tgsytpyw

在西北核技术研究所的“闪光-Ⅱ”装置上进行了水介质多针自击穿开关实验研究,该开关由2个或4个开关间隙、1个预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。给出了实验研究所使用的测试方法及波形分析方法(两个判据)。开关输入预脉冲较大时,可以认为开关输出波形的预脉冲作用时间就是开关的

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