孙凤举1 2邱毓昌1 邱爱慈2 张嘉生2 曾江涛2 陈庆国1 丁卫东1
1.西安交通大学，西安710049；2.西北核技术研究所，西安710024
0 引言
近年来，随着脉冲X射线模拟源和高功率Z-Pinch技术的发展[1～3]，要求气体开关、电感和抖动尽可能小，通流能力大和重复性好。减小开关电感的措施之一是设法形成多通道放电，减小气体开关抖动的措施之一是采用多个短间隙串联放电。本文设计了一种同轴状多间隙气体开关，采用O型不锈钢环和弹簧环间隙电极结构，采用45°锥体不锈钢反射镜和高速相机相结合的光学照相方法研究了两种间隙电极结构开关在不同气压下，触发和自击穿时的放电通道图像并分析其实验结果。
1 开关结构和触发机理
1.1 开关结构
实验采用图1同轴状多间隙气体开关结构，图中1为储能电容器，通过高压同轴电缆2给其充电；3为开关外筒，与1的接地外壳相连；4为圆柱状触发电极；5为间隙均压电阻，置于支撑密封有机玻璃绝缘体的环形槽内，保证1充电时各个间隙电压均分；6为不锈钢圆锥体反射镜，用来把环形放电通道发出的光发射为平行光；7为低压电极，通过金属板与3相连；8为其中一个压缩气体间隙；9为间隙电极，采用O型不锈钢环和弹簧环结构；10为开关高压电极，与1相连；11为触发高电压脉冲引入电缆。该开关特点为触发电极位于放电通道之外，放电间隙由多个短距离压缩气体间隙串联组成。
1.2 触发机理
尽管触发电极4位于放电通道之外，和间隙电极9之间有固体绝缘材料隔离，但因4与9间、4与3间 、间隙电极间存在分布电容，当电容器1充电时，4与1充电电压极性相同，当极性相反的高电压触发脉冲到来时，通过上述分布电容耦合，使开关气体间隙局部电场剧烈畸变，导致电场分布不均，开关快速击穿，形成多个通道并联放电。
2 实验布置
2.1 实验及测试回路
实验回路图2中触发脉冲形成电路电容器C1和S1、R4产生与储能电容器C2充电极性相反的触发脉冲 ，由高压同轴电缆引入开关触发电极；R2为充电电阻；R3为C1和C2间的隔离电阻；R5和R6为电阻分压器 ，用来监测充电电压，放电电流由罗果夫斯基线圈测量；电磁开关S2、R1为安全保护用，电容器充电时 ，打开S2，试验完毕接通S2，C1和C2对地放电。测量信号由数字存储示波器记录，典型波形如图3，图中波形从下到上分别为触发脉冲和回路电流。由于高电压触发脉冲源和监测分压电阻之间存在引线电感和分布电容，使触发脉冲前沿叠加剧烈的高频振荡。
2.2 光路布置
气体间隙静态击穿时，火花发展时间随间隙中气体压力和电场强度的增加而减小。间隙过电压相当大时，放电形成时间和火花发展时间为ns或亚ns级。当气体间隙长度＜mm量级时，即使在大气压下也可达ns级，大量这样的短间隙串联时，仍保持这种特性[4]。本文设计的多间隙气体开关即基于此并采用高速分幅相机拍摄放电通道。为此，设计了一个不锈钢制作锥面抛光的45°圆锥体反射镜 ，置于气体开关中间，将环状放电通道发出并通过密封有机玻璃筒后的光反射为平行于开关对称轴的平行光，经保护平透镜由分幅式高速相机拍摄(见图4)。
2.3 同步触发与延时
多间隙串联压缩气体中的放电过程极快，需要同步触发和延时系统使拍摄启动与放电过程严格同步 。高速相机的触发方式有两种：一种为光触发，即利用放电产生的光信号转换为电信号触发高速相机，开关自击穿时采用此种触发方式。高速相机存在固有延迟时间约十几ns，利用光信号触发高速相机拍摄不到放电起始阶段；另一种为电触发，即通过耦合高压放电回路产生电磁脉冲触发高速相机。从图3可看出，开关从触发到开始击穿之间的时间延迟～90 ns。因此，可利用触发脉冲，经分压，再通过一定的延时，分别触发高速相机和计算机控制系统，实现对拍摄的启动和拍摄后的图像存储。试验时发现，利用天线耦合触发回路球隙放电产生的空间电磁场，去触发高速相机也是一种理想和安全的触发方式，且简单可靠[5]。
3 初步实验结果
3.1 不锈钢O型环间隙电极开关放电通道
开关充N2，压力为0.1～0.2 MPa，C2充电电压为25～40 kV，触发电压为26.5～35kV。图像分幅间隔12 ns，每张图像右下角为第一幅，向左依次排列，到上一行，依次向右。C2为30 kV，气压为0.1 MPa时的典型自击穿放电通道如图5。同等实验条件下，施加电压幅值为26.5 kV触发脉冲，开关的典型放电通道如图6。图7为开关气压为0.2 MPa，电容器充电电压和触发脉冲电压幅值为35 kV时的放电通道图像。
分析不同实验条件下的放电通道图像发现：
1) 从图5、6可见，自击穿放电通道数比触发击穿少；
2) 从图5和图7可看出，气压较高时自击穿形成的通道数比气压低时形成的通道数多；
3) 为了形成多通道放电，合理选择开关气压和充电电压，开关承受的电压越接近自击穿电压，触发电压幅值越高，放电形成的通道数越多。
3.2 弹簧间隙电极开关的放电通道
在压缩气体间隙中，为了形成多通道放电，要求气体引燃时间远小于开关闭合时间，如果该条件不满足，则一个通道的动作会导致所有电极上的电位降低，其余通道不能形成[6]。有鉴于此，设计的同轴状多间隙气体开关中间电极采用环状弹簧，希望借助于弹簧不同匝之间电感隔离，使一个通道形成之后，电极上其余处的电位不至于立即降低，从而形成多通道放电。
对中间电极为环状弹簧的开关，分别拍摄了充0.1、0.2、0.3 MPa N2和充0.1、0.2MPa SF6时开关的放电通道(见图8、9、10)，图像分幅间隔和图像排列顺序不变。由图可见：
1) 随气压和充电电压升高，自击穿放电通道数增多；
2) 开关电压越接近自击穿电压，则放电通道数减少，这与间隙电极为不锈钢环的开关不同，可能由于环状弹簧开关电场分布不均匀所致；
3) 触发击穿比自击穿时的放电通道数多；
4) 充SF6气体时，自击穿和触发击穿能形成较多的通道数；
5) 间隙电极为环状弹簧的开关，充SF6气体时，在较高充电电压下出现电晕放电，但开关没有击穿，说明充SF6气体时开关间隙距离过大。
4 结语
实验证明，采用锥体反射镜和分幅式高速相机相结合拍摄开关放电通道图像的方法合理可行。中间间隙电极为环状弹簧开关有时能形成较多的放电通道，但放电稳定性和重复性不如不锈钢环状连续电极开关好，此为弹簧制作时直径大小不均匀及支撑不牢固，导致电场不均匀所致。
参考文献
1 邱爱慈.脉冲X射线模拟源技术的发展.中国工程科学，2000，2(9)：24
2 Don Cook. New developments and applications of intense pulsed radiation sources at sandia national laboratories. 11th IEEE International pulsed power conference，1997，23～36
3 孙凤举，邱爱慈，邱毓昌.高功率Z-pinch技术的发展.电工电能新冀术，2000，20(1)：44
4 Г．А．米夏兹著，绍贵荣译.大功率毫微秒脉冲的产生.北京：原子能出版社，1982
5 张乔根，陈庆国等.快速振荡电压下SF6气体间隙放电的光电检测.电工电能新技术.2000，20(1)：22
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