等离子体预电离触发的高气压开关

摘要

脉冲功率技术是一种将能量长时间储存起来，并短时间内释放给负载的技术，在闪光照相、模拟核武器效应、电磁轨道炮、大功率激光器等国防工业中有着重要的价值。近年来，脉冲功率技术中的直线变压器驱动源（LTD）技术在核聚变新能源的研究上受到了广泛地重视。另外，脉冲功率的民用化发展也日益收到了更多的关注。气体开关是脉冲功率技术从诞生以来一直被人们采用的关键元器件之一，其性能往往是制约各类高脉冲功率源发展的瓶颈。例如在LTD中，由于其要求能量在较短的时间内叠加起来，形成60MA~70MA，100ns前沿的大电流，因此超过10,000个气体开关的同步技术是十分关键的问题。另外LTD系统工作在0.1Hz，误动作率和不动作率要求在1/104以下，这就对开关的抖动（＜5ns）和各类性能提出了很高的要求。另外，如果可控核聚变要最终实现给人类供电，那么就必须要求气体开关长时间地可靠工作，这就对其寿命也提出了很高的要求。另一方面，气体开关的触发问题也是一个难题，在LTD中，多路触发的复杂程度和绝缘系统的建设难度非常高，如何降低气体开关的触发能量阈值，也是其技术路线研究的一个主要方向。 针对以上问题，本研究设计并研制了一种具有低工作系数、低触发电压、低抖动等优良特性的高气压下工作的预电离气体开关。实现该开关新特性的主要部分在该设计的触发结构部分，其中的高介电常数的陶瓷片使得触发电压到来时触发部分孔结构的接触区域产生强电场畸变，增加开关主间隙的过电压程度，以此降低触发电压。另一方面，强电场畸变会产生大量的初始种子电子，可以尽量消除开关击穿的统计时延和抖动，同时缩小开关的形成时延。触发结构中侧孔内壁的沿面闪络放电为主间隙击穿提供了初始等离子体源。该新开关将预电离结构设为垂直结构，即与主间隙的放电轴线方向一致，是为了达到更好的预电离效果。计算结果也证明了垂直安置的预电离间隙能够在主间隙中产生更大的光电离速率。我们将新开关与传统的场畸变工作模式进行了细致的对比，触发实验研究验证了新开关在降低触发电压、工作系数和缩小开关时延抖动方面的作用，以此说明新开关相对于传统技术的性能提高是很明显的。最后结果显示，该新开关能够在干燥空气中工作在20%左右的工作系数时仅仅保持抖动在2~3ns，此时的过电压倍数为1.5，开关通流能力达到±5kA以上。如果不考虑开关抖动性能的问题，其仅仅只需要0.16倍的过电压即可工作在49.7%的工作系数下。 另外，研究基于流注理论，列出了求解气体放电的偏微分方程组，利用有限元分析法的商用软件计算了气体开关中的预电离过程，并以此结果为基础进一步计算了其主间隙中的光电离速率，此研究结果显示，预电离间隙的长度调整对预电离效果影响并不大，而外施电场的影响较大，这也与此前本课题组的相关实验结果相符。计算结果表明，初始电子的浓度峰值与流注贯穿间隙的时延无关，而初始电子的分布位置和范围则与流注的形成有密切的关系。基于Helmholtz方程的光电离计算模型能够很好地定量分析预电离间隙在空间中产生光电离强度的有效性。本研究绘制了光电离强度时变的二维图像和一维图像，对比分析了垂直预电离结构和平行预电离结构在主间隙中产生光电离的能力，结果显示在相同的外部条件下，垂直预电离结构产生的光电离速率要高于平行预电离结构。

目录

第一个书签之前