感应电压叠加器中水介质开关脉冲自击穿特性

　　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