紧凑型MV级强流加速器输出开关

　　国防科学技术大学研制的一台水介质强流加速器,采用单同轴螺旋脉冲形成线结构[1],可使1.1 m的形成线输出100 ns脉冲,输出阻抗为9Ω。由于去离子水击穿场强的极性效应,单同轴传输线内筒充负电具有更高的储能密度,比同样外径的Blumlein脉冲形成线高1倍左右。而在Blumlein线中,不管中筒充电正极性还是负极性,其击穿场强都会受到限制。

　　然而,单同轴结构的脉冲形成线在匹配负载上只能输出一半的充电电压,为达到在低阻抗MILO负载上(阻抗在6~10Ω之间)输出电压600 kV的指标,则要求形成线充电电压1.2 MV,而装置的最大外径为35cm,在此尺寸限制下,输出开关(也称主开关)的设计难度很大。同时,单同轴线的输出开关位于形成线和负载真空二极管之间,至少存在两个界面:液-固(水、绝缘介质)界面和气-固(高压SF6气体、绝缘介质)界面。而界面通常是绝缘的瓶颈所在[2-6]。本文首先尝试了多间隙开关,在分析其电场分布的基础上,总结出紧凑结构的主开关的设计原则,据此设计了结构简单的自击穿开关,并进行了实验验证,以满足加速器的需要。

　　1　开关结构和设计原则

　　为解决以上问题,最初加速器输出开关采用多间隙气体火花开关的设计方案,如图1所示。多间隙开关通常具有较均匀的电极间电场,工作电压可以达到MV级,并且具有低抖动和小电感等优点[7];但其结构较复杂。在最初的设计中由于沿面场强分布控制不合理,存在电场分布不均匀现象,如图2所示:电场主要集中在靠近形成线的电极之间,整个间隙间场强极不均匀,场增强因子大于3。实验中出现了开关筒内外表面爬电的现象,因此有必要进行更细致的设计。

　　2　有限元计算开关场强分布

　　为满足以上设计要求,利用有限元法对开关的电场分布进行了计算,并通过调整开关电极和绝缘筒的形状,比较不同结构的场强分布情况,寻找最佳结果,以尽可能满足以上提出的设计准则。

　　图3给出了最后的设计结果。可见,通过金属电极形状和不同介电常数的开关筒形状,电势分布由形成线中的平行于轴线逐渐改变为垂直于轴线。和图2相比,开关筒内外表面场强沿面分量更加均匀。

　　计算结果为:(1)充电电压1.2 MV,开关间隙4 cm,平均场强300 kV/cm,电极场增强因子f=1.4,最大场强420 kV/cm,位于阴极。开关总长度12 cm,由于具有传输线结构,开关总结构电感小于100 nH;(2)开关室内表面沿面场强最大不超过100 kV/cm;(3)开关外侧和去离子水界面主要是电场平行分量,最大场强小于150kV/cm;(4)使阴极内陷于形成线内筒,并使内筒和开关外壳间隙5 mm,这样有效屏蔽各三结合点场强,在液体、气体中均小于30 kV/cm;(5)开关室体积很小,作为高压容器,机械强度较高。