高壓氣體開(kāi)關(guān)在超寬譜脈沖產(chǎn)生中的應(yīng)用

高壓氣體開(kāi)關(guān)在超寬譜脈沖產(chǎn)生中的應(yīng)用

氣體快速開(kāi)關(guān)是超寬譜脈沖源的重要因素。它用于壓縮和陡化納秒電磁脈，形成前后或縱向電脈的電脈。由于快開(kāi)關(guān)間隙電場(chǎng)達(dá)MV/cm,開(kāi)關(guān)閉合非常快,輸出脈沖上升時(shí)間(或前沿)僅幾百ps,故稱為亞納秒開(kāi)關(guān)。氫氣是所有氣體中絕緣恢復(fù)特性最快的,有望在高重復(fù)頻率脈沖功率應(yīng)用中顯著提高高壓氣體開(kāi)關(guān)擊穿的穩(wěn)定性。目前對(duì)高壓氫氣開(kāi)關(guān)的工作特性的了解不很充分,基于此,對(duì)開(kāi)關(guān)在4～13MPa高壓氫氣中的擊穿特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本文主要介紹高壓氫氣亞納秒開(kāi)關(guān)擊穿特性的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1高壓氮?dú)鈦喖{秒開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性高壓氫氣亞納秒開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。圖中的脈沖發(fā)生器為超寬譜源CKP-1000型GW級(jí)脈沖源;P為亞納秒氣體開(kāi)關(guān);D1,D2為分壓器。實(shí)驗(yàn)中,脈沖源產(chǎn)生的脈沖電壓幅度約220kV,脈沖寬度為3～4ns,通過(guò)50Ω的同軸傳輸線輸出。入射波沿著50Ω?jìng)鬏斁€入射到P開(kāi)關(guān)。快速上升的脈沖電壓導(dǎo)致開(kāi)關(guān)自擊穿。開(kāi)關(guān)P被擊穿后,輸出前沿被陡化的脈沖,通過(guò)50Ω的傳輸線抵達(dá)50Ω匹配負(fù)載。實(shí)驗(yàn)中所采用的高壓氫氣亞納秒開(kāi)關(guān)實(shí)物如圖2所示。經(jīng)打壓測(cè)試,開(kāi)關(guān)腔體耐壓可達(dá)20MPa。開(kāi)關(guān)P的典型輸入激勵(lì)脈沖波形如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中每個(gè)輸入脈沖幅度和脈寬應(yīng)保持相近。實(shí)驗(yàn)中輸入脈沖主要參數(shù)為:電壓幅度220～230kV,電壓分散性不超過(guò)±5%,脈沖寬度3.2～3.5ns,前沿2.2～2.5ns。圖4為示波器測(cè)到的輸入和輸出脈沖波形,用于測(cè)量開(kāi)關(guān)的擊穿點(diǎn)和導(dǎo)通過(guò)程。其中,Ch2波形是分壓器D1處測(cè)到的電壓脈沖波形,即開(kāi)關(guān)P的輸入脈沖;Ch3波形是分壓器D2處測(cè)到的擊穿后的輸出脈沖?？紤]到開(kāi)關(guān)工作時(shí)脈沖波形的分散性,每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都取5～8次采樣的平均值。由于間隙擊穿前開(kāi)路全反射,擊穿前瞬間開(kāi)關(guān)間隙的電壓差應(yīng)為輸入電壓的2倍,即Ugap=2Uin。由于開(kāi)關(guān)間隙非常小,間隙中電場(chǎng)分布比較接近于均勻場(chǎng),軟件靜電場(chǎng)模擬結(jié)果也顯示電場(chǎng)不均勻系數(shù)接近1,因此,開(kāi)關(guān)間隙的電場(chǎng)可以按均勻場(chǎng)近似處理,間隙場(chǎng)強(qiáng)取平均值Egap=Ugap/d,其中d為間隙距離。擊穿導(dǎo)通時(shí)間定義為開(kāi)關(guān)擊穿起始點(diǎn)與導(dǎo)通結(jié)束點(diǎn)(對(duì)應(yīng)于輸出波形上的拐點(diǎn))之間的時(shí)間。2結(jié)果與分析2.1氮?dú)忾g隙位置對(duì)ub的影響圖5和圖6分別為氫氣開(kāi)關(guān)擊穿電壓隨氫氣氣壓、間隙距離變化曲線。(1)氫氣開(kāi)關(guān)擊穿電壓Ub隨氣壓p和間隙距離d的增大都增大。如果將擊穿過(guò)程看成是流注過(guò)程,則分析其原因如下:流注擊穿的判據(jù)是電子雪崩產(chǎn)生的總電子數(shù)達(dá)到某一臨界值Nc(通常在108量級(jí))。假設(shè)間隙中是均勻電場(chǎng),則該判據(jù)可近似簡(jiǎn)略寫(xiě)為eαχ=Nc,即∫χ00χα(x)dz=αvetd=lnNc≈18～20,其中α和ve分別是電子碰撞電離系數(shù)和遷移速度;χ為達(dá)到擊穿電子雪崩必須走過(guò)的臨界距離。由于α和ve都是電場(chǎng)E和氣壓p的函數(shù),即α=f1(E/p),ve=f2(E/p),并且都隨E/p的增大而增大,當(dāng)p或d增大(即E減小)時(shí),α和ve都將減小。因此,擊穿時(shí)延td必須變大才能達(dá)到擊穿條件,相同的輸入脈沖條件下Ub也就增大。(2)擊穿電壓Ub隨p的增大都出現(xiàn)了飽和趨勢(shì),這可能是由于隨著氣壓增大,擊穿所需電壓越來(lái)越高,間隙上電壓繼續(xù)增大,間隙中電場(chǎng)(幾MV/cm)開(kāi)始達(dá)到陰極出現(xiàn)場(chǎng)致發(fā)射的電場(chǎng),場(chǎng)致發(fā)射的電子逐漸成為初始有效電子的重要來(lái)源之一,到了一定電壓就開(kāi)始擊穿,于是即使繼續(xù)增大氣體壓力,擊穿電壓也不會(huì)增加很多。氣壓達(dá)到10～11MPa后,擊穿電壓隨氣壓增長(zhǎng)趨于飽和。(3)在間隙d較大時(shí)(1.0～1.2mm時(shí)),Ub也隨d的增大出現(xiàn)了增長(zhǎng)變緩趨勢(shì),因?yàn)殚g隙增大擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)降低。擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb隨氣體壓強(qiáng)和間隙距離的變化見(jiàn)圖7,相同電極間隙距離下,擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨氣壓增長(zhǎng)而增大,原因和擊穿電壓相同。而相同氣壓條件下,平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb隨間距d增大而減小(以近似某種雙曲線形式減小),此規(guī)律和靜態(tài)條件下氮?dú)饨橘|(zhì)中的擊穿電壓計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)是相近的,即U=[24.6pdeff+6.7(pdeff)1/2]/F(1)U=[24.6pdeff+6.7(pdeff)1/2]/F(1)式中:deff為電極有效間距;F為場(chǎng)強(qiáng)非均勻系數(shù)。這同樣可用流注擊穿來(lái)解釋:間距d增大則擊穿電壓增加,那么擊穿時(shí)延也增加,反推可知α=f1(E/p),ve=f2(E/p)減小,所以E/p減小,故擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb減小。圖7中氫氣間隙在脈沖條件下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)與氮?dú)忾g隙的靜態(tài)計(jì)算值對(duì)比還可看出,1.0mm以下時(shí)脈沖擊穿場(chǎng)強(qiáng)比靜態(tài)擊穿計(jì)算值要高出很多(對(duì)氫氣沒(méi)有較完備的靜態(tài)數(shù)據(jù)和計(jì)算公式,預(yù)計(jì)比氮?dú)獾?,隨著間距變大實(shí)驗(yàn)值與估算值差在距逐漸減小。間隙較大時(shí),場(chǎng)強(qiáng)變化平緩區(qū)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.0～3.5MV/cm。2.2試驗(yàn)2:壓增加時(shí)間壓實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到擊穿導(dǎo)通時(shí)間分布于240～370ps之間,擊穿導(dǎo)通時(shí)間tb隨間隙距離增加而增大,隨氣壓的增加而減小,但變化幅度都較小。根據(jù)火花開(kāi)關(guān)擊穿的理論可知,tb隨間隙距離增大而增加是因?yàn)榛鸹ㄍǖ离姼性黾?電壓崩潰過(guò)程中電流的變化會(huì)變慢,因而導(dǎo)通時(shí)間需要更長(zhǎng);而隨著氣壓增加,則需要更高的擊穿電壓,間隙兩端的電壓增加則電場(chǎng)E變大,由J.C.Martin經(jīng)驗(yàn)公式可知,電阻引起的導(dǎo)通時(shí)間常數(shù)會(huì)減小,導(dǎo)致?lián)舸?dǎo)通時(shí)間減小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多,為方便觀察僅列出2～3組數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)圖(圖8,9)。圖8中給出了兩組9MPa氮?dú)夂?1MPa開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)以作對(duì)比,11MPa氫氣條件下導(dǎo)通時(shí)間平均要快約20ns。利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算11MPa氫氣的結(jié)果,0.4～1.2mm間隙上升時(shí)間(10%～90%)分布為90～220ps,與實(shí)驗(yàn)中結(jié)果275～330ps有一定差異,且間隙距離越小差異越大。分析認(rèn)為,J.C.Martin經(jīng)驗(yàn)公式并不是精確的,其適用范圍和實(shí)驗(yàn)中條件也有不少差異;此外,實(shí)驗(yàn)的測(cè)量系統(tǒng)由電容分壓器、3GHz帶寬/10GHz采樣速率的數(shù)字示波器及微波電纜組成,其響應(yīng)時(shí)間就達(dá)百ps,測(cè)量精度難以滿足100～200ps的需求。從圖8、圖9可以看出整體趨勢(shì)是導(dǎo)通時(shí)間隨氣壓的增加減小,隨間隙距離增加而增加。但由于示波器讀數(shù)誤差已達(dá)到20ps量級(jí),而開(kāi)關(guān)間距變化、氣壓變化引起的導(dǎo)通時(shí)間變化量每次也在20ps左右,可以認(rèn)為變化都很小。3擊穿特性與間距利用220kV,1GW量級(jí)納秒短脈沖驅(qū)動(dòng)源,在高氣壓、短間隙距離條件下開(kāi)展了