亚纳秒气体开关工作特性

　　亚纳秒气体开关是高功率超宽带脉冲源中的关键部件之一,它的工作特性对于设计高性能的重复频率超宽带脉冲源至关重要[1-6]。研制具有高工作电压、高重复频率、输出脉冲前后沿更快及脉冲宽度更窄的亚纳秒气体开关,是超宽带脉冲功率技术研究中的重要内容,亚纳秒气体开关的工作特性,如开关输出脉冲的前后沿和电压幅度、开关击穿时延及开关的重频特性等,与开关的电极结构、气压、间隙及输入脉冲的上升时间等多种因素有关。本文研究的亚纳秒气体开关是一种同轴型Peaking-Chopping组合开关,具有2组对称结构的调节旋钮,可分别调节Peaking间隙和Chopping间隙[7];以半导体开路开关(SOS)脉冲源[8]为实验平台,通过改变开关结构、气压和间隙等参数,进行了亚纳秒气体开关在高电压、高重复频率下的工作特性研究。

　　1　开关电极结构及实验装置

　　开关的电极材料均采用不锈钢,结构如图1所示。后环电极锥面锥度为30°,接地环极直径为39 mm,倒圆角半径为0.6 mm;图1(a)中Peaking开关电极环直径为27.5 mm,倒圆角半径为0.6 mm;图1(b)中Peaking开关电极环直径为37 mm,厚2 mm,倒圆角半径为1 mm;图1(c)中Peaking开关球形电极半径为5 mm。Peaking间隙在0~5 mm间可调,调节精为0.1 mm;Chopping间隙在1~2.5 mm间可调,调节精度为0.05 mm。开关绝缘介质采用高压高纯氮气,气压在4~10 MPa间可调。

　　以SOS脉冲源为实验平台,对开关进行高压实验研究,实验装置如图2所示。SOS脉冲源通过阻抗为50Ω的同轴传输线(TL1)给开关施加电压,开关导通后,电压脉冲通过阻抗为50Ω的同轴传输线(TL2)到达终端匹配负载。SOS脉冲源输出的电压脉冲通过安装在传输线TL1上的同轴电容分压器D1测量;开关输出的电压脉冲通过安装在传输线TL2上的同轴电容分压器D2测量。

　　2　实验结果及分析

　　利用设计的亚纳秒气体开关,在不同的开关电极结构、间隙和气压下,分别对开关输出脉冲的前后沿、电压幅度、开关击穿时延及开关的重频特性进行了实验研究。在不同的重复频率下,通过电容分压器D2测试开关的输出。在单次到重频1 kHz的范围内,SOS脉冲源可稳定地在阻抗为50Ω的负载上输出电压140 kV、前沿3 ns、后沿4.5 ns、脉冲宽度6 ns的脉冲,如图3(a)所示。图3(b)为开关在重频100 Hz工作时输出的典型电压脉冲波形,脉冲电压129.2 kV,前沿400,后沿320 ps,脉冲宽度460 ps,开关工作气压为8 MPa。

　　2.1　Peaking间隙对脉冲前沿的影响

　　亚纳秒开关输出脉冲的前沿通常是指脉冲上升沿10%~90%所对应的时间。开关在采用不同的电极结构、工作气压p为8 MPa、重频100 Hz运行时,测量得到输出脉冲的前沿和电压幅度随Peaking间隙变化的关系曲线图如图4所示,其中d1为Peaking间隙,tr为脉冲前沿,U为脉冲电压幅度(每个数据点都是5次放电的平均值)。