基于多針電暈穩定開關Marx發生器特性

邱 云

（西南交通大學 希望學院，四川 南充 637900）

0 引言

本文是在對單針電暈穩定開關的導通時延和抖動性能研究基礎上[1]，利用針板多針電暈穩定開關作為Marx發生器開關元件，實驗研究其在高能量和高脈沖輸出幅值運行時的穩定性，為進一步探索其重復頻率實驗研究打下基礎。為此，設計了一套三針觸發和三套六針自觸發電暈穩定開關，搭建了一臺四級Marx發生器，對發生器在單次運行下的穩定性進行了實驗研究，并將其和等效電路模擬結果進行了比較。

1 實驗裝置

搭建的四級全電感隔離型Marx發生器實驗原理如圖1。采用正極性恒流充電方式，電源輸出電壓最高可達～50kV，觸發信號由正負100kV脈沖觸發源（觸發脈沖上升沿為100ns）提供。觸發源通過隔離電容Ct給觸發開關S1一個觸發信號。開關S1導通后，自擊穿開關S2、S3、S4先后依次擊穿對負載R輸出脈沖能量。其中Ct為1.1nF/50kV陶瓷高壓電容器，C0為12.5nF/50kV的塑殼陶瓷高壓電容器，充電電感Lc和隔離電感L0都為200uH，引入Lc目的在于當開關S1瞬間導通時對電源的保護。負載上輸出電壓測量是通過高壓探頭與示波器（Lecroy 6100A）測得，根據需要試驗中用到的探頭分別為Tek P6015A和分壓比為5000倍的電阻分壓器。

圖1 四級Marx發生器實驗線路圖

2 實驗結果及分析

實驗目的在于檢驗不同負載下發生器運行的穩定性、輸出脈沖波形特征以及檢驗開關的通流能力等。在多次調試后，發現開關腔體內充入一定量SF6氣體混合后工作比較穩定。以下實驗均在充電30kV，脈沖能量達到22J時測得。模擬時充分考慮儲能電容、開關各種雜散參數，用等效電路進行了模擬，下面是負載分別為1Ω、5Ω、50Ω、100Ω和300Ω的Pspice模擬與實驗結果，如圖2和表1所示。

圖2 當負載為1Ω時實驗與模擬波形

表1 不同負載下脈沖前沿和電壓輸出模擬與實驗結果

圖2（a）和（b）是在負載為1Ω時的實驗波形與模擬結果（模擬時線路建立電感值為935.7nH），實驗波形測得周期為367ns，比近似模擬值350ns稍大。當回路中電阻小到可忽略時，回路實際建立電流表達式近似為

將發生器建立電容 Cm=3.125nF，T=367ns代入（2）式，可近似得到回路中實際電感值Lm=1092nH，大小比模擬采用理論值大但較接近，說明電路模型很好反映了發生器運行過程。圖3（a）比（b）衰減快，反映了實際線路中電阻要高于1Ω。

表1中值反映了在脈沖前沿與電壓輸出幅值方面的實驗與模擬值，其中脈沖前沿與模擬差別較大，而脈沖幅值比較接近，這可以從圖3（實驗波形采用分壓比為5000的高壓探頭測得）中反映出來。脈沖前沿較大差異原因在于兩點:一是回路中建立電感實際要大于模擬時取值，二是開關針板間隙比較大，導通時延在30～40ns[1]范圍內，導致了發生器脈沖前沿比模擬值大（沒有考慮開關導通時延）。另外，表1負載為5Ω時，與其它負載值脈沖前實驗結果變化趨勢不一致，且測量到波形震蕩比較大，穩定性不如較高負載。此時回路中電流峰值達到6kA，遠大于2kA(目前國外報道電暈穩定開關穩定工作電流也即是2kA[3])。這種小幅的抖動跟電暈穩定開關電極的加熱和燒蝕、電暈的活動有關。

圖3 當負載為100Ω時實驗與模擬波形

3 總結

本文搭建了一臺四級多針電暈穩定Marx發生器，首先對各個元件在等效處理后進行了Pspice模擬，將模擬結果與實驗結果進行比較，得到了比較一致的結論:在充電電壓為30kV、脈沖能量達到22J、峰值電流小于0.5kA時，4級Marx發生器能夠穩定運行。進一步的工作是開展重復頻率實驗，研究電暈穩定開關對提高發生器的運行頻率方面的性能。

［1］邱云,金曉,宋法倫,等.針板型觸發電暈穩定開關的特性[J].強激光與粒子束,2011,1(23):244-248.

［2］P.Sarkar,B.M.Novac,I.R.Smith etc..A high-repetition rate closing switch for EPM application[J].IEEE Pulsed Power Conference Digests of Technical Papers,2007:97-100.