Z箍缩实验装置高压低抖动Marx发生器

　　Marx发生器能产生高电压、大电流快脉冲,在脉冲功率技术中得到广泛应用[1-2]。Marx发生器结构复杂,开关数量较多,我国现存的此类装置建立时间抖动均大于50 ns[3]。中国工程物理研究院的Z箍缩实验装置[4](PTS),要求在0.2Ω的低阻抗负载上加载电流达到8 MA,电流上升沿(10%~90%)小于等于90 ns。装置设计为24路模块并联同步放电,Marx发生器作为PTS的初级储能系统,要求每个Marx发生器输出电压大于4 MV,建立时间抖动小于15 ns。本文给出了Marx发生器建立时间及抖动与开关充气气压、欠压比、外加触发脉冲电压的关系,理论分析和实验研究了电路结构和开关实验参数对高功率Marx发生器性能的影响。

　　1　Marx发生器设计

　　PTS装置采用Marx发生器加水介质脉冲形成线技术,整个装置由24个性能和结构相同的模块组成,模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区。其基本工作过程是:电容器并联充电到直流高压,Marx发生器放电,开关闭合,电容器串联放电,获得脉宽约1μs的数MV电压脉冲,经过逐级压缩、功率峰化,在负载上得到脉宽约百ns、功率达TW量级的电脉冲。如图1(a)所示,Marx发生器采用的是以相邻电路电流流向相反、串联电感较小的S型线路为基础的超前触发型线路[5-6]。作为PTS装置的第一台模块样机, Marx发生器最高充电电压设计为80 kV,储能192 kJ,串联放电时电容量16.7 nF,输出脉冲电压4.6MV。使用60台标称电压100 kV、电容量1μF的脉冲电容器,工作时30台电容器并联充正电压,30台电容器并联充负电压。电容器分为5排平行排列(图1(b)),排间用20 cm宽的平板连接。每排12个电容器,分为左6层、右2列。每层的2个电容器引出极相对,充电极性相反;2台电容器之间使用一只最高电压200 kV、最大电流100 kA的场畸变开关隔离。第一排的6个场畸变开关由外部馈入的高压脉冲触发,后4排的24个开关分别通过电阻耦合前一排开关导通时电位的瞬态变化产生的脉冲电压实现超前触发,缩短了Marx发生器的建立时间,减小了抖动。使用绝缘吊板将电容器组的整体悬吊在油箱顶部的框架梁上,采用变压器油绝缘。

　　Marx发生器的建立时间及其抖动主要与开关(火花隙)的工作状态有关。对非外触发开关而言,耦合到开关间隙的电压为

  （1）

式中:n为充电电阻跨接的火花隙数目;U0为电容器充电电压;Ci为两个相邻火花隙之间的耦合电容;Cg为火花隙两电极之间的杂散电容;R为充电电阻;t为充电时间。

　　为了减小Marx发生器的建立时间及其抖动,提高开关间隙电压U是十分必要的。因此PTS样机Marx发生器第一排的6个开关均为外触发方式工作,以使后排的开关主间隙获得较高的过电压。同时,为了进一步降低Marx发生器的建立时间,第2排到第5排的开关采用超前耦合触发方式,进一步提高开关触发间隙的过电压倍数并提高触发极边缘电场强度。