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“Z-Pinch”加速器闭合开关技术研究

作　者: 李洪涛
导　师: 丁伯南
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 核技术及其应用
关键词: 激光触发多级多通道开关多通道场畸变开关 SF6混合气触发延迟时间抖动最低可触发欠压比自击穿电压
分类号: TL503
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本论文研究了激光触发多级多通道开关的运行机理、SF₆／N₂、SF₆／Ar混合气的开关特性和多通道场畸变开关设计技术，建立了零维激光触发火花隙及激光触发多级多通道开关数值模拟模型，研制了200kV原理型激光触发多级多通道开关、200kV／100kA环轨式场畸变开关和5MV激光触发多级多通道开关，获得的主要成果和结论如下：（1）SF₆／N₂、SF₆／Ar混合气的开关特性及多通道场畸变开关设计技术研究方面。A：实验结果表明激光脉冲触发火花隙的触发延迟时间（t_d）及其抖动（t_j）随工作电压（U_w）、激光脉冲能量(E_laser)的上升呈指数下降趋势；等U_w条件下t_d、t_j随气压上升呈上升趋势；t_d、t_j、U_wt／U_sb（最低可触发欠压比）随混合气中SF₆含量（ξ）上升而上升，随激光波长减小而减小；SF₆-Ar混合气的触发延迟随SF₆含量上升的上升速率（t_d-ξ曲线斜率）比SF₆-N₂混合气大，在E／P较低时存在息弧现象。B：等U_w条件下电脉冲触发火花隙的触发延迟时间（t_d）及其抖动（t_j）随混合气中SF₆含量上升而上升，且场利用系数对这一规律没有影响。C：研究了场分布对开关性能的影响，对击穿电压的实验结果进行拟合获得了充SF₆—N₂、SF₆-Ar混合气火花隙的击穿电压预测公式：SF₆-N₂SF₆-Ar式中：U_mix—混合气火花放电电压，kV；ξ—混合气中SF₆的体积百分比；d—间隙距离，cm；P—气压，100kPa；u：场利用系数(u=E_av)／E_max)。结构相似的电极系统场利用系数越高自击穿电压稳定性越好。D：比较了后处理工艺和老练工艺对开关自击穿电压稳定性的影响，提出“四步老练法”并验证了喷丸处理和老练工艺对开关性能的改善作用。E：建立了零维“2光子激发—2光子电离”数值模拟模型模拟紫外激光触发充SF₆及SF₆-N₂混合气的火花隙的击穿过程，理论预测与实验结果吻合良好。（2）激光触发多级多通道开关的运行机理研究表明：A：触发延迟时间及其抖动随电压、气压（等E／P）、激光脉冲能量上升呈指数衰减，随混合气中SF₆体积百分比（ξ）下降趋向下降（等E／P）；E／P值或激光脉冲能量(E_laser)越大t_d-P曲线的斜率越小；E／P值越大t_d-E_laser曲线的斜率越小；最低可触发欠压比(U_wt／U_sb)随激光脉冲能量上升呈指数衰减，随ξ值增大近似线性上升。B：触发延迟与聚焦透镜焦距“z一Pinch，，加速器闭合开关技术研究之间存在一定的依赖关系，以NZ为工作介质时焦距增长触发延迟上升，欠压比越大触发延迟对焦距的依赖关系越弱;以NZ/SF。混合气为工作介质时触发延迟对焦距的依赖关系较弱。C:建立了零维“2光子激发一2光子电离”激光触发火花隙数值模拟模型与考虑了Levi Son修正的T.H.Martin经验公式相结合的激光触发多级开关零维数值计算模型。F:理论分析和实验结果表明采用NZ/SF。混合气为工作介质、匀化开关电场分布、减小自击穿间隙电容是减小激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动的有效途径。ZOOkV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟时间抖动小于Ins。自击穿电压极差小于6%。（3）研制的200kV/10OkA环轨式场畸变开关有效地结合了轨道开关和火花隙开关的优点。自击穿电压极差小于4%，标准差约小于2.5%。欠压比大于等于70%，抖动小于 Zns;欠压比大于等于85%时，抖动极差约Ins。放电通道数大于等于3，具有极宽的工作范围（1%编一100%几）;欠压比为20%时，抖动极差为sns。主要创新点:①建立了包含消激发项的二光子激发一二光子电离零维激光触发火花隙数值模拟模型描述激光触发火花隙的放电发展过程。建立了零维，’2光子激发一2光子电离” 激光触发火花隙数值模拟模型与考虑了Levison修正的T.H.Martin经验公式相结合的激光触发多级开关零维数值计算模型。理论预测与实验结果符合较好。②系统地研究了SF6/从、SF6/Ai混合气对开关特性的影响。积累了大量实验数据，得到了有关激光触发多级多通道开关和多通道场畸变开关的一些规律性的认识，对于脉冲功率开关设计具有重要参考价值。③探索了改进开关性能的技术途径，研究分析了电场分布和电极处理工艺及老练方法对开关性能的影响。成功设计和研制了ZookV/1 ookA环型轨道式场畸变开关和200 kV激光触发多级多通道开关，达到了国内先进水平。

全文目录

第一章绪论  10-27
  1.1 研究背景和立项依据  10-11
  1.2 国内外技术现状  11-23
    1.2.1 激光触发多级多通道开关  11-23
    1.2.2 200kV/100kA场畸变开关  23
  1.3 本文研究内容及创新点  23-27
    1.3.1 研究内容  23-25
    1.3.2 论文主要创新点  25-27
第二章 SF_6混合气开关特性及多通道场畸变开关设计技术研究  27-93
  2.1 理论分析  28-57
    2.1.1 非均匀电场的场利用系数计算  28-29
    2.1.2 气体放电的基本概念和理论  29-39
    2.1.3 SF_6-N_2混合气的击穿电压理论分析  39-44
    2.1.4 激光触发SF_6间隙的数值模拟  44-53
    2.1.5 火花隙触发延迟时间及放电弧道能损的解析和拟合分析  53-57
  2.2 SF_6混合气击穿电压特性实验研究  57-62
    2.2.1 SF_6-N_2击穿电压特性实验研究  57-60
    2.2.2 SF_6-Ar击穿电压特性实验研究  60-62
  2.3 SF_6-N_2、SF_6-Ar混合气激光触发延迟抖动特性实验研究  62-75
    2.3.1 实验装置简介  62-63
    2.3.2 SF_6-N_2混合气激光触发延迟抖动特性实验研究  63-72
    2.3.3 SF_6-Ar混合气激光触发延迟抖动特性研究  72-75
  2.4 SF_6-N_2、SF_6-Ar混合气电脉冲触发延迟抖动特性研究  75-78
    2.4.1 实验线路  75-76
    2.4.2 实验结果  76-78
  2.5 电场分布对场畸变开关性能的影响  78-87
    2.5.1 电场分布对场畸变开关自击穿电压及稳定性的影响  78
    2.5.2 电场分布对开关触发延迟时间及放电通道数的影响  78-87
  2.6 电极后处理工艺及老练工艺对开关性能的影响  87-89
  2.7 分析和讨论  89-93
第三章激光触发多级多通道开关研究  93-127
  3.1 开关结构、基本原理、场分布计算  93-105
    3.1.1 开关结构  93-95
    3.1.2 基本原理  95-96
    3.1.3 静电场分布计算  96-105
  3.2 200kV原理型激光触发多级多通道开关击穿电压特性  105-108
    3.2.1 实验线路  105-106
    3.2.2 实验方法和数据处理方法  106-107
    3.2.3 击穿电压特性  107-108
  3.3 200kV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟及抖动特性  108-122
    3.3.1 实验方法  108
    3.3.2 触发延迟时间及其抖动、最低可触发电压与脉冲能量的关系  108-112
    3.3.3 延迟时间与充电电压的关系  112-113
    3.3.4 触发延迟时间及其抖动、最低可触发电压与充气压力的关系  113-115
    3.3.5 触发延迟时间及其抖动、最低可触发电压与聚焦透镜焦距的关系  115-117
    3.3.6 触发延迟时间及其抖动、最低可触发电压与波长的关系  117-119
    3.3.7 触发延迟时间、最低可触发电压与混合气的气体比例的关系  119-122
  3.4 200kV原理型激光触发多级多通道开关多通道放电  122-123
  3.5 5MV激光触发多级多通道开关  123-125
  3.6 分析与讨论  125-127
第四章 200KV/100KA低抖动环轨式多通道场畸变开关  127-136
  4.1 实验线路、实验方法及数据处理方法  127-129
    4.1.1 实验线路  127-128
    4.1.2 实验方法  128
    4.1.3 数据处理方法  128-129
  4.2 200kV/100kA环形轨道式多通道场畸变开关特性  129-135
    4.2.1 开关结构  129-130
    4.2.2 击穿电压特性  130-132
    4.2.3 延迟及抖动特性  132-134
    4.2.4 多通道放电  134
    4.2.5 工作范围  134
    4.2.6 寿命实验  134-135
  4.3 分析与讨论  135-136
第五章总结  136-140
  5.1 主要实验结果和结论  136-139
    5.1.1 激光触发多级多通道开关运行机理研究  136-137
    5.1.2 SF_6/N_2、SF_6/Ar混合气的开关特性研究  137-138
    5.1.3 200kV/100kA环轨式场畸变开关  138-139
  5.2 存在的问题以及对未来工作的设想  139-140
致谢  140-141
参考文献  141-154
附录A 攻读博士学位期间发表的论文  154-155
附录B 攻读博士学位期间所获奖项  155

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