MV级重复频率三电极气体开关的优化研究

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1、第18卷第2期强激光与粒子束Vol.18，No.22006年2月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSFeb.，2006文章编号：1001-4322（2006）02-0269-04*MV级重复频率三电极气体开关的优化研究罗敏，常安碧，赵殿林，甘延青，龚胜刚，刘忠（中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳621900）摘要：对一种高工作电压、高重复频率的三电极气体开关的优化设计方法进行了研究，包括绝缘结构的优化、最优触发孔径和触发电极位置的选取。采用设计开关开展了实验研究，并对实验结果进行了分析。结果表明，开关实现

2、了工作电压1.1MV，峰值电流约13.8kA，重复频率100Hz的最大稳定运行参数，性能满足设计要求；开关绝缘恢复性能良好，各次电压波形幅值均匀，分散性小，归一化标准偏差小于3%。关键词：气体开关；高电压；加速器中图分类号：TN242文献标识码：A高功率微波（HPM）技术的实用化要求发展功率大、结构紧凑的重复频率强流电子束加速器，而高功率重复频率开关是加速器的关键部件，在很大程度上决定着整台加速器的性能（如同步性能、重复工作性能等）。目前，高电压等级重复频率加速器主开关多采用气吹式触发针型三电极气体开关（Trigatron）。Trigat

3、ron是一种利用气体火花放电工作的可控高功率闭合开关，其突出优点是触发电压低、气流通道设计简单可靠。与单次工作下更常用的场畸变型气体火花开关相比，Trigatron工作机制复杂得多，还未充分认识，从而大大增加了开关设计的难度，因此长期以来这种开关的设计主要依靠设计者的经验或反复的实验完成。近十来年，对Trigatron［1-5］工作机理的认识取得了突破性进展，使得其优化设计成为可能，MitchellIH，McPheeAJ等人对单次工作、［6-8］低电压等级的Trigatron的设计方法进行了一些研究。本文介绍了一种兆伏级高重复频率Trig

4、atron的优化设计研究，目前该开关已成功地应用于自行研制的重复频率强流电子束加速器CHP01。1开关设计要求［9］CHP01加速器的工作过程如下：Tesla变压器对脉冲形成线（PFL）负极性充电，前沿数十µs的形成线电压上升到设定值，触发脉冲发生器产生一个正极性高压脉冲信号到主开关触发电极，引发气体开关导通，形成线上脉冲能量通过气体开关、传输线（TL）传递到电子束二极管。PFL和TL的波阻抗均为40Ω，二极管阻抗约为100Ω。加速器的输出电子束指标为：束电压750kV，束电流7.5kA，脉宽40ns，频率100Hz。为了结构紧凑，触发脉

5、冲发生器与传输线是一体化的，其核心是一个多绕组开环铁芯变压器，可产生电压幅值约150kV的脉冲高压信号。主开关的快速绝缘恢复能力通过在主电极间通入横向高速气流来保证。CHP01加速器对开关的基本要求为：工作电压1～1.15MV，峰值电流约14kA，频率100Hz；同时保证结构紧凑、抖动小、寿命长。2开关结构的优化设计开关基本结构见图1。开关室通过两个有机玻璃隔板分别与PFL段及TL段隔离，压力平衡装置使这三部分处在相［10］同的压力。开关室绝缘介质采用加压高纯氮气，气压0～1.5MPa可调；PFL段和TL段绝缘介质采用变压器油。开关具有三

6、个电极：高压电极、地电极和触发电极。充电时触发Fig.1Schematicoftheswitch电极和地电极均处于地电位。根据开关指标要求，开关自击图1开关结构示意图*收稿日期：2005-09-19；修订日期：2005-12-19基金项目：国家863计划项目资助课题作者简介：罗敏（1972—），男，硕士，现从事脉冲功率技术的研究和应用工作；lm197253@sina.com。270强激光与粒子束第18卷穿电压设计为1.2MV，极间平均场强取为200kV/cm，则主电极间距dg为60mm。高压电极和地电极放电区［11］形状均采用类半球形，电

7、极材料采用1Cr18Ni9Ti或抗烧蚀能力更强的铜钨合金。触发电极采用端部为半球形的针状电极，电极直径的选取需考虑开关寿命和工作特性两方面的因素：直径越小，电极烧蚀越剧烈，开关寿命短；直径越大，触发时触发电极提供的场增强效应越弱，不利于开关动作。折中考虑，选取触发电极直径为Ф8mm。2.1绝缘结构的优化开关的绝缘结构包括轴向绝缘和径向绝缘两方面。轴向绝缘指电极间的绝缘，径向绝缘指电极与开关室接地外筒间的绝缘。充电时开关电极间电场设计为稍不均匀场，因为开关的充电时间很长（几十µs），可近似［12］按直流击穿电压估算其自击穿电压。对于极间为稍

8、不均匀场的充氮气开关，击穿电压Ub为Ub=［6.72ヘδd+24.36（δd）］/f（1）式中：d为开关间距（cm）；δ是与标准条件下相比开关工作气体的相对密度；f为场增强因子；Ub的单位为k