200 kV小型低电感气体开关。
脉冲功率源小型化是当前脉冲功率技术发展的重要方向，而紧凑型Marx发生器因直接产生高电压、不需要脉冲成形环节、结构相对简单等优点，在国内外的多种小型化脉冲功率源中得到应用。据文献I-1]报道，2005年美国Texas大学研制的基于Marx发生器的小型化脉冲功率源，输出电压500kV、能量500J、重复频率10Hz、尺寸夺o．3mX0．7m，用于驱动虚阴极振荡器产生高功率微波研究。2009年IEEE脉冲功率会议上白俄罗斯研究人员提出一种紧凑型高功率微波源[2]，它采用300kVMarx发生器，通过辐射天线直接产生短脉冲，辐射脉冲宽度大约为2ns，频谱为800MHz～2GHz，并且采用该辐射源用于研究计算机及其各种电路元件的抗辐射能力。近年来，中国工程物理研究院流体物理研究所先后研制了150kV和300kV紧凑型Marx发生器驱动的X光机[3’4]，其中输出电压300kV的X光机尺寸约击o．5m×1．0m。国防科技大学研制的用于驱动强流场发射二极管的陡化前沿小型化Marx发生器输出电压210kV，脉宽约40as，电流2．3kA[5|。Marx发生器主要由脉冲电容器、触发开关、自击穿开关、隔离电阻或电感等构成，其小型化主要在于紧凑合理的结构布局、高储能大电流的脉冲电容器、低感小型化的触发开关和自击穿开关等口]。高电压、大电流的Marx发生器中一般采用气体间隙开关，包括触发开关和自击穿开关。气体开关的小型化主要是在满足工作电压要求条件下，尽量减少开关轮廓尺寸，同时能够形成多通道放电，具有较小的导通电感。本文研制的气体开关主要用于电容器正负充电的Marx发生器，电容器最大充电电压为±100kV，即开关最大工作电压为200kV，且最大导通电流大于20kA。1开关设计本文针对的Marx发生器基本结构为多个电容器竖直叠放，两电容器充电电极上下距离为70mm，去掉电极连接片的厚度，自击穿开关的高度须小于66mm，而触发开关置于第一级，最高可以为75mm。低抖动高压开关多采用多级多通道气体开关口‘9]，本文中开关用于单路输出，没有同步性要求，因此为了结构简单和尺寸小型化，触发开关采用三电极场畸变轨道开关，自击穿开关采用两电极轨道开关。通过小间隙的环形轨道开关实现多通道放电，以获得较低的火花通道电感、较短的开关导通时间，缩短Marx发生器建立时间。触发开关结构设计如图1所示，轮廓尺寸为+90mmX74mm。开关外壳材料为有机玻璃，正负电极和触发电极材料为不锈钢，电极头的圆环外径18mm，截面圆弧直径4mm。通过垫片调节使正负电极与触发电极保持相同距离，总间隙在0～15mm可调。静电场模拟表明：当两个间隙均为4mm、充电±50kV时，电极上的最大电场为169kV／cm；用峰值30kV的脉冲电压触发时，负电极间隙电场增大到265kV／cm，场强增大为1．6倍，如图2所示；当总间隙14mm、电压土100kV时，触发前正负电极上最大电场198kV／cm，触发时负电极间隙电场达到310kV／cm。采用SF。或SF。与N：混合气体作为绝缘气体介质，通过调整气压或间隙将击穿场强控制在200～300kV／cm之间，确保触发开关在100kV(±50kV充电)～200kV(±100kV充电)范围内正常触发。为了防止开关沿面击穿，在有机玻璃外壳内外表面设计了均匀的波纹槽，以增大表面绝缘距离，主电极外表面沿面绝缘距离为125mm，内表面距离141VIIITI。