气体开关触发系统的工作特性研究

论文摘要

神光Ⅲ能源模块的核心器件为大功率的主放电开关,其工作特性直接决定了能源模块能否为氙灯负载提供合适的脉冲电流波形以及整个模块是否能稳定工作。能源模块使用的主放电开关为石墨型两电极气体火花开关,它工作的可靠性在很大程度上是由触发系统的稳定性决定的。本文的研究对象是气体开关触发系统的工作特性。本文首先对研究背景作了简单的说明,介绍了脉冲触发源和Marx发生器的国内外研究现状。介绍了开关触发系统的组成,它主要包括Marx发生器和磁开关。简单论述了气体开关的结构特点、Marx发生器和磁开关的基本原理,并通过分析纳秒脉冲下空气间隙的击穿机理,对气体开关的触发需求进行初步分析。通过利用自制的水电阻分压器测量气体开关在不同工作条件下,Marx发生器加在其阴极上的触发电压,来分析气体开关对触发电压的要求。发现气体开关间隙的击穿电压和击穿间隙随充气气压的增加而变大;而击穿电压的变化趋势却不完全同步于主电容的充电电压。通过对实验结果的理论分析,结合气体开关的静态特性,确定了能源模块气体开关的充气气压为130kPa,该气压下击穿电压为104.4kV,时延为35ns,Marx发生器的输出能够满足气体开关的电压开通特性需求。气体开关从被Marx发生器触发击穿到主放电形成是有一段时间的,在该时间段内,触发电流起到了很大的作用。等效Peterson电路说明了气体开关击穿的第二阶段与触发电流有很大关系,因为开关间隙导通后火花电阻会快速下降。火花电阻与火花半径成反比,说明较小的火花电阻有利于主放电的进行。本文通过仿真分析∫I2dt的大小,说明了触发电阻对触发间隙的稳定击穿是有一定影响的。高饱和磁感应强度和高磁导率以及纳米材料的特性,使得铁剂纳米晶软磁材料作为了磁开关的材料。通过介绍磁开关的一些重要物理量、它们的理论计算方法以及设计的一些磁芯的实验,对磁开关的隔离特性作了详细的分析。通过分析得到的结果,以及工程上的需求,提出了磁开关的饱和电感小于1μH、不饱和电感大于20μH的需求,并设计了由3个磁芯叠加而成,每个磁芯的结构参数分别为外径90mm,内径30mm,高度80mm的磁开关。在能源模块中测试发现磁开关后点电压为20kV,满足触发隔离的需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 触发系统的研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 2 气体开关触发系统的组成
• 2.1 能源模块气体开关基本结构
• 2.2 Marx 发生器基本原理
• 2.3 磁开关的基本原理
• 2.4 气体开关的触发需求初步分析
• 2.5 小结
• 3 Marx 发生器与气体开关的配
• 3.1 气体开关静态特性
• 3.2 气体开关电压开通特性
• 3.3 气体开关电流开通特性
• 3.4 小结
• 4 磁开关特性研究
• 4.1 磁开关材料选择
• 4.2 磁开关的基本物理量及其理论计算
• 4.3 磁开关的相关实验测量与分析
• 4.4 磁开关的设计
• 4.5 小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 本文的不足及后续工作
• 致谢
• 参考文献