纳秒级高重复频率脉冲水介质开关的研究

摘要

与利用传统介质的脉冲形成线（例如PTFE）相比，水的介电常数为80 ε=，这使得脉冲形成线(PFLs)和开关的设计和构造更加紧凑。由于水的高绝缘强度，超过1MV/cm，开关间隙可以减少至几百个微米，开关电压仍然可达上万伏。小放电间隙可以减少开关阻抗，因此得到很高的电压和电流上升率。恢复时间定义为，间隙间的电压完全恢复到上一次击穿场强的时间。在开关间隙间流过高流速水流可有效去除放电后产生的气泡和杂质，使开关的恢复时间减少，频率升高。
　　 本文着重于设计和实验水介质布鲁姆莱因脉冲形成线和同轴圆柱体开关等组成的紧凑型脉冲功率系统。脉宽40ns 是有布鲁姆莱因线的长度决定的，40 Ω的阻抗是由PFL的几何结构和绝缘介质（水）所决定的。击穿电压为5kV，电压上升时间为ns量级，流经开关间隙的循环水系统使得重复频率有望达kHz，可持续若干分钟。在层流状态下，增加水流速度可提高水中气泡去除速率，提高开关的自恢复速率。但在湍流状态下，会产生了大量气泡，击穿电压显著降低。当流经同轴电极结构的水流速度为5m/s时恢复频率可达500Hz。