摘 要:设计了应用于感应电压叠加器中的水介质主开关与峰化开关,主开关的电极结构为“平板-环型”,峰化开关的电极结构为“环型”。研究了开关在300 ns脉冲电压下的自击穿特性,给出了不同工作电压下开关的间隙距离。实验结果表明,主开关与峰化开关的结构合理、击穿特性稳定、相互配合良好,峰化开关可以有效地峰化主脉冲,降低预脉冲的幅值。主开关的实验结果同时验证了Martin经验公式的适用性。
去离子水在脉冲电压下具有良好的绝缘特性,其相对介电常数较高(约为80),造价便宜,处理起来也容易,而且水介质开关的结构简单,间隙距离的调节及与两端传输线连接方便,导通电感小,在百ns脉冲电压下击穿特性稳定,因此去离子水及水介质开关在低阻抗脉冲功率装置中应用普遍[1-6]。如美国物理国际公司设计的EAGLE装置,采用了二次反射开关,脉冲充电线开关与形成线开关均为分离式多针场增强水开关,开关带有屏蔽电极结构,能够有效降低预脉冲[2,7]。ZR装置形成线与输出线后也采用了多针水介质开关[8]。在西北核技术研究所新建立的感应电压叠加器(induction voltage adder,IVA)中,采用了水介质自击穿开关作为脉冲形成开关和峰化开关。脉冲形成开关,即主开关,是形成主脉冲的关键,要求击穿电压稳定,且在导通过程中能量损失少;峰化开关能够将主脉冲的前沿峰化,并有效降低预脉冲的幅值。施加到二极管上电压脉冲的幅值、宽度、上升时间等参数影响产生射线的质量[9],因此工作稳定,性能优良的脉冲形成、整形开关十分必要。
本文设计了用于IVA的主开关与峰化开关,研究了开关在上升时间约为300 ns脉冲电压下的击穿特性。
1 IVA简介
IVA的构成如图1所示,由3 MV Marx发生器、脉冲形成线、主开关、传输线Ⅰ、峰化开关、传输线Ⅱ、水电缆、油水过渡段(同时作为预脉冲开关)、油介质平板传输线、感应腔、阳极杆及二极管等部分组成,脉冲形成部分剖面如图2所示。3 MV Marx发生器建立后对形成线充电,主开关负高压电极上电势逐渐升高,当升至发生器建立电压峰值的90%~95%时,主开关导通,形成主脉冲。形成的主脉冲经峰化开关、预脉冲开关整形后送入平板传输线,并被分割为并联的三路。三路电脉冲同时馈入各自的感应腔后经磁耦合在阳极杆上感应出三倍电压。三倍电压脉冲施加到二极管后,电子束轰击二极管的阳极杆并发生箍缩,产生所需的X射线[10-11]。
IVA中的Marx发生器为正负充电,共33级,按S型串联排列,建立电容约为6.67 nF,回路总电感约为5.5μH,回路串联电阻约为6Ω,“泄露”电阻约为1.7 kΩ,最高输出电压约为3.2 MV,对形成线的充电时间约为300 ns。脉冲形成线、传输线为水介质线,阻抗为7.8Ω,其中形成线长约1.1 m,传输线Ⅰ长约1.25 m,传输线Ⅱ长约1.2 m。水电缆的首端为锥形,阻抗从7.8Ω逐渐过渡为5.67Ω,全长约为5.2 m。水介质线上的电压信号通过电容分压器测量,测量位置如图2所示。
2 主开关
2.1 开关结构及电场分析
圣地亚国家实验室在研制RITS-3装置时,研究了不同结构水开关的自击穿特性。研究结果表明“平板-环型”电极结构开关的抖动时间最小,约为3.63 ns,而“平板-球头型”、“平板-子弹型”、“子弹-平板型”、“子弹-螺栓型”的抖动时间分别为20,4.71,5.19,27 ns[12]。借鉴相关研究结果,IVA中主开关的电极结构选为“平板-环型”,间隙距离选取依据Martin经验公式[1-12],即
式中:d为开关间隙距离;Vbreak为开关击穿电压;teff为有效作用时间(63%~100%击穿电压的时间)。通过IVA的等效电路模型,计算得到当Marx发生器充电34 kV时,假设主开关不闭合,形成线上峰值电压约为2.42 MV。如果主开关在峰值电压90%时击穿,即击穿电压为2.18 MV,有效作用时间约为101.4 ns。将相关数据代入公式(1),得到当Marx发生器充电电压为34 kV时,主开关的间隙距离为81.8 mm。当发生器充电电压不同时,施加到主开关上脉冲电压的峰值会随之变化,但波形的形状不会有较大差异,即有效作用时间不变,再假设形成线峰值电压与发生器充电电压呈线性关系,由此可以初步得到不同发生器充电电压下主开关的间隙距离,以方便实验工作。
主开关的负高压电极为圆柱平板,直径为202 mm,边缘倒角为R20 mm;低压电极为环形电极,外直径为80mm,内直径为60 mm。设定主开关高压电极的电位为-2.18 MV,间隙距离为81.8 mm,计算开关内电场强度分布如图3所示,其中相邻等电场强度线间差为60 kV/cm,低压环型电极前端区域内的电场强度大于400 kV/cm,而最高电场强度约为750 kV/cm。
目前有两种机制解释液体的绝缘击穿:一是电子崩流注理论;二是气泡击穿理论。电子崩流注理论与气体放电中的雪崩流注理论类似,当脉冲作用时间小于μs量级时,电子崩流注理论占主导地位[13-14]。由上述分析可知,主开关的击穿过程要用流注理论来解释。电极表面电场增强形成电子崩是开关内形成流注的前提[14-15]。当开关内有较大区域能形成流注时,因为流注发展并穿越的距离有差异,会引起开关击穿分散性的升高[12]。由电场模拟结果可知,主开关表面只有很少区域的电场强度超过最高电场强度的50%,因此限制了流注可能产生的位置,降低了开关击穿的分散性。
2.2 实验结果
不同发生器充电电压下,主开关自击穿实验相关数据如表1所示,最高击穿电压约为2.83 MV,未出现绝缘损坏等意外情况。充电电压为29 kV时,将相关实验数据代入公式(1),计算得到开关间距为73 mm,而开关实际距离为72 mm,由此可知Martin经验公式与实验数据吻合较好,但从表中数据也可看出在更高工作电压下二者的偏差较大。IVA主要工作在发生器充电电压为25~35 kV范围内,因此在充电电压为29 kV和34kV时,实验工作重复多轮并结合实验结果不断调整间隙距离。最终,当Marx发生器充电电压为29 kV时,连续10次(序号从070011到070020)主开关前的电压波形(1#分压器)叠加如图4(a)所示;充电电压为34 kV时,连续10次(序号从070033到070042)主开关前的电压波形叠加如图4(b)所示。其它工作电压下调试工作相对较少,尤其是充电电压为43 kV时,为提高安全系数,实验中人为将开关间隙距离调小,因此造成了理论计算结果与实际间隙距离偏差较大。
3 峰化开关
峰化开关的结构如图5所示,开关的高、低压电极均为环形结构,外直径为30 mm,内直径为15 mm。开关外侧有一环形屏蔽电极与传输线的外筒相连。峰化开关高、低压电极构成电容,传输线内筒与外筒构成对地分布电容,屏蔽电极与开关的低压电极也构成电容。由于电容分压,在传输线的内筒上会耦合出预脉冲。如果没有屏蔽电极,因为内筒对地分布电容相对较小,因此分压到内筒的预脉冲的幅值较大。增加屏蔽电极后,相当于与内筒对地分布电容上并联了一个较大的水介质电容,因此会降低预脉冲的幅值。峰化开关前后电压波形如图6所示,可以看出峰化开关后预脉冲的幅值有明显降低。从图6还可看出,峰化前的主脉冲的上升时间(10%~90%击穿电压的时间)约为49 ns,峰化后的上升时间约为29 ns,因此开关峰化主脉冲的效果明显。峰化开关后主脉冲的电压峰值约为开关前主脉冲电压峰值的70%,其原因在于水电缆首端的阻抗由7.8Ω逐渐过渡为5.67Ω,因阻抗改变,电压波会发生反射,导致了峰化开关后的电压幅值也随之降低。
利用公式(1)估算在充电电压为34 kV时,峰化开关的间隙距离为11.6 mm,而开关的实际间隙距离仅为6.5 mm。由此可见,由于施加到峰化开关上的信号比较陡,Martin经验公式不再适用,而应通过调试实验来确定开关的间隙距离。当峰化开关的间距为6.5 mm,峰化开关后的电压波形(3#分压器)如图7所示,当Ma-rx发生器的充电电压为29 kV时,峰化开关后脉冲电压的峰值为0.69 MV,标准偏差为10 kV;充电电压为34kV时,脉冲电压的峰值为0.82 MV,标准偏差为49 kV。与表1中数据比较可知,峰化开关与主开关之间能够互相补偿,进一步降低抖动,把更稳定的电脉冲施加到二极管上。从图7也可看出,峰化开关的间隙距离适用的范围较大。实验表明,当峰化开关间距为6.5 mm时,适用于发生器充电电压在29~35 kV范围;当间距为7.5 mm时,适用于充电电压在35~45 kV范围。
4 结 论
本文设计了应用于IVA的主开关与峰化开关,主开关的电极结构为“平板-环型”,峰化开关的电极结构为“环型”。研究了开关在上升时间约为300 ns的脉冲电压下的自击穿特性,结合Martin经验公式与自击穿实验的结果,给出了不同工作电压下开关的间隙距离。实验结果表明,主开关、峰化开关的结构合理、击穿特性稳定、相互配合良好。主开关内相对强电场强度(超过50%最高电场强度)的区域较少,减少了流注可能产生的位置,降低了开关的击穿分散性。主开关的实验数据与Martin经验公式吻合较好。峰化开关可以有效地峰化主脉冲,降低预脉冲的幅值。
致 谢:得到了西北核技术研究所孙剑锋、苏兆锋、李静雅、张众、刘志刚、姜晓峰、郭建明及张永民、丛培天、盖同阳等同志的大力协助,在此表示衷心感谢。
参考文献:
[1] Johnson D L,VanDevender J P, Martin T H. Low pre-pulse, high power density water dielectric switching[C]//2nd IEEE Int Pulsed PowerConf. 1979:191-194.
[2] Frazier G B,Ashby S R,Barrett D M,et al. EAGLE, a 2 TW pulsed power research facility[C]//3rd IEEE Int Pulsed Power Conf. 1981:8-14.
[3] 梁川,章林文,李欣.压力水介质脉冲击穿实验研究[J].强激光与粒子束, 2004,16(6):787-790.(Liang Chuan,Zhang Linwen,Li Xin. Re-search on the pulsed breakdown of the pressured deioNIzed water.High Power Laser and Particles Beams, 2004,16(6):787-790)
[4] 贾伟,邱爱慈,孙凤举,等.百纳秒脉冲下水压对水开关击穿特性的影响[J].高电压技术, 2006,32(1):50-51.(Jia Wei,Qiu Aici,SunFengju,et al. Effects of the pressure under the several hundred nanosecond pulse on the breakdown characteristics of the water switch.HighVoltage Engineering, 2006,32(1):50-51)
[5] 刘锡三.高功率脉冲技术[M].北京:国防工业出版社, 2005.(Liu Xisan. High pulsed power technology. Beijing: National Defense Indus-try Press,2005)
[6] Weidenheimer D,Corcoran P,Altes R, et al. Design of a driver for the Cygnus X-ray source[C]//13th IEEE Int Pulsed Power Conf. 2001:591-595.
[7] Frazier G B,Ashby S R. Double-bounce switching[C]//4th IEEE Int Pulsed Power Conf. 1983:556-558.
[8] Lehr J M, Corley J P,Elizondo J E, et al. Multi-megavolt switching in water: considerations for the Z-R machine[C]//Annual Report Con-ference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena. 2002:554-557.
[9] Cooperistein G,Commisso R J,Hinshelwood D D, et al. Rod-pinch electron beam diodes as X-ray radiography sources[C]//12th Int ConfHigh Power Particle Beams. 1998:31-34.
[10] Smith I D. Induction voltage adders and the induction accelerator family[J].Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams,2004,7(6):
[11] Maenchen J,Cordova S, Gustwiller J,et al. Inductive voltage adder driven X-ray sources for hydrodynamic radiography//12th IEEE Int.Pulsed Power Conf. 1999:279-282.
[12] Puetz E,Molina I,Portillo S,et al. Rits-3 self-break water switch studies[C]//14th IEEE Int Pulsed Power Conf. 2003:899-901.
[13] Sharbaugh A H,Devins J C,Rzad S J. Progress in the field of electric breakdown in dielectric liquids[J].IEEE Transactions on ElectricalInsulation,1978,13(4):249-276.
[14] 邱毓昌,施围,张文元.高电压工程[M].西安:西安交通大学出版社, 1995.(Qiu Yuchang,Shi Wei,Zhang Wenyuan. High voltage engi-neering. Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press, 1995)
[15] 尹佳辉,孙凤举,邱爱慈,等. MV级气体开关脉冲自击穿特性及支撑结构的优化[J].强激光与粒子束, 2008,20(7):1220-1224.(Yin Ji-ahui,Sun Fengju,Qiu Aici,et al. Self-breakdown properties and optimization of insulator envelope for MV gas switch under pulsed voltage.High Power Laser and Particles Beams,2008,20(7):1220-1224)
基金项目:国家自然科学基金重点项目(50637010);国家自然科学基金项目(10775112,50477019)
作者简介:尹佳辉(1977—),男,助理研究员,硕士,从事脉冲功率技术研究; Roskii@gmail.com。
