西北核技术研究所，西安710024
0 引言
目前，国内外常用的主开关有水、油和气体开关(激光触发同步开关[1])等。油、水开关结构简单 、操作方便，但其抖动较大，脉冲高压前沿慢，电压、能量传输效率较低；气体开关结构相对复杂,但其开关时间常数小，脉冲高压前沿快，电压、能量传输效率高于油、水开关，能进行激光触发，开关延时抖动小，便于同其它装置同步。在“晨光号”加速器泵浦准分子激光实验中，为了获得幅值较高、前沿较快的二极管电压，我们分别对油、水、气体开关进行了实验研究。
1 实验装置
“晨光号”加速器主要由Marx产生器、脉冲形成线、主开关、传输线及负载组成，装置结构见图1。Marx产生器共24级，每级电容为40 nF，耐压100 kV，采用对称充电方式，产生器总电容为1.67 nF，总储能4.8 kJ，共12个火花开关，前4个开关用TG70触发，其余利用过电压自击穿。加速器水线部分内筒直径d 280 mm，外筒直径d 640 mm，波阻抗5 Ω，形成线、开关段及传输线长度分别为667、630、1 340 mm，一般情况下Marx充电70～90 kV，形成线峰值电压1～1.2 MV。
图2是油、水主开关段结构图。主开关段总长630 mm，内外筒直径分别为d 280 mm和d 640 mm，开关一边半径为50 mm的半球头电极，另一边为平板电极，电极间距在50～200mm间可调。气体主开关段结构见图3。开关绝缘筒材料为有机玻璃，总长380 mm，电极采用半球头结构，材料为黄铜，电极头中间镶嵌铜钨合金，电极间隙在10～40 mm间可调，采用SF6作绝缘介质，开关设计最高工作电压1.4 MV，与水线的连接段长度分别为98和132 mm。
2 实验结果
分别对油、水、气体3种主开关进行了实验研究，表1为几种开关的调试结果。其中Uf、Ut分别为形成线和传输线上的电压；η1、η2、η3分别为形成线充电效率、开关的电压传输效率及加速器总电压传输效率；tr为所获脉冲电压的上升时间。由表可见使用水开关时形成线充电效率非常低，仅～45%，开关的电压传输效率～38%，总效率～17%，且预脉冲幅值较大，～10%(见图4)。使用油、气开关后形成线充电效率有较大提高，总效率也提高～20%，几乎没有预脉冲。由于Marx产生器与水线电容不匹配，对水线充电效率太低，故对加速器进行了升级，每级电容提高到80 nF，产生器总电容相应提高到3.33 nF。用气体主开关做了实验研究，产生器对形成线充电效率提高到80%以上，总效率相应提高到30%以上。使用油、水主开关传输线所获得的电压脉冲前沿～40～50 ns，而使用气体主开关时输出线所获得的电压脉冲前沿明显要快，～20～25 ns，从波形上看为“平顶”。图4～6分别为水、油和气体开关的实验波形，其中通道1为形成线充电电压波形；通道2为开关导通后传输线上获得的脉冲电压波形。
3 结果分析
图7是产生器对脉冲形成线充电等效回路。充电效率是指脉冲形成线峰值电压与产生器末级电压的比值，近似为[2]：
1/RwCw。其中，Cm为Marx产生器总电容；Rm、Lm分别为Marx等效总电阻和总电感；Rw为水线(形成线)泄漏电阻；Cw为水线总电容。由图2可得计算水线总电容的等效图8。它由脉冲形成线电容、主开关电容、传输线电容及其开关与水线连接部分的电容组成，其表达式为：
式中，Cｆ、Cｓ、Cｔ分别为脉冲形成线、主开关及传输线电容；Cｆ ′和Cｔ′分别为开关与形成线连接部分及开关与传输线连接部分的电容。对水开关来说，主开关段电极与形成线的连接部分较长，相应Cｆ ′为1.06nF，且主开关耦合电容Cｓ也很大，使水线总电容值为4.75 nF，而Cｍ仅为1.67 nF，两者不匹配，所以充电效率很低。当用油和气体开关时，尽管Cｓ和Cｆ ′可忽略，但Cｆ为3.52与Cｍ比仍较大，效率不高。在对Marx产生器升级后，Cｍ由1.67 nF增大为3.33 nF，此时Cｍ和Cｆ较为匹配，形成线充电效率增大至80%以上。
当Marx产生器开始对水线充电时，主开关耦合电容存在，传输线上出现预脉冲，这对负载的正常工作产生不利影响。预脉冲的大小由主开关耦合电容和传输线电容分压决定，由于水开关耦合电容较大，产生了~10%的预脉冲。油开关和气体开关的耦合电容较小，与传输线电容相比可忽略，几乎没有预脉冲产生。
开关电压传输效率及所获得的脉冲前沿的快慢主要与开关时间常数有关，而决定开关时间常数的主要参数是开关电感及火花电阻，其引起时间常数可表示为[2]：
式中，τＬ、τｒ分别为开关电感和火花电阻引起的时间常数；Lｓ（ｎＨ）为开关电感；Nｓ为火花通道数；Z(Ω)为开关驱动阻抗；Zｆ、Zｔ分别为形成线和传输线阻抗；EBD为开关的击穿场强(MV/cm)。式(2)为油、水介质开关火花电阻引起的时间常数计算公式。
式(3)为气体开关火花电阻引起的时间常数计算公式；EBD为10 kV/cm；ρ、ρ0分别为开关工作时和标准条件下气体密度。综合比较式(1)、(3)、(5)不难发现气体开关与油、水介质开关相比击穿场强高，开关长度及电感小。在相同驱动负载及火花通道数的情况下，气体开关时间常数小，脉冲电压前沿明显快，开关所消耗的能量小，能量及电压传输效率高。
4 结论
“晨光号”加速器水线上使用水介质主开关时η1、η2较低，传输线上脉冲电压前沿较慢，预脉冲幅值较大；使用油介质开关使电压效率有所提高且几乎没有预脉冲，但电压前沿仍较慢；使用气体开关η3有所提高，几乎没有预脉冲，脉冲电压前沿明显快。然而，由于产生器电容与水线电容不匹配，使η1较低，对加速器升级改造后，η1提高了～30%，η3也提高到～32%。
参考文献
1 姜兴东，曾乃工等.激光触发低电感脉冲高压开关的研究.第七届全国高功率粒子束会议，绵阳，1998
2 Fragier G B. OWL Ⅱ pulsed-electron-beam generator. J Vac Sci Technol, 1975, 12(6):1183
