用于Z箍缩驱动器的1 MA-LTD原型模块设计和实验

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脉冲直线变压器驱动源(LTD)技术是近年来快速发展起来的一种新型脉冲功率技术，相对于传统技术有显著优势：可直接产生约100 ns的高功率脉冲，省去脉冲压缩环节，从而提高了装置能量效率；模块内各电容器并联放电，初级电压等级较低，可以不需要变压器油，运行维护方便；模块通过磁芯将初级电压耦合到次级(位于模块中心区域)，多模块串联时可实现电压的感应叠加，装置结构紧凑；另外，LTD驱动器还可实现重频运行。LTD技术在Z箍缩、闪光照相、高功率微波等领域有广阔的应用前景。

俄罗斯托姆斯克大电流研究所(HCEI)2001年首次提出并成功研制了上升时间约100 ns的100 kA- LTD模块，随后相继研制了上升时间小于100 ns的1MA-LTD模块以及1MV/125 kA-LTD装置。近年来，美国圣地亚实验室提出了基于LTD技术的输出电流分别为48 MA和65 MA的Z300和Z800装置概念设计，计划用于Z箍缩惯性约束聚变研究。2005年至今，中国工程物理研究院流体物理研究所相继研制了国内首个快脉冲LTD原理性模块、100 kV/100 kA快脉冲LTD关键技术验证性模块以及1MV/100kA-LTD装置。为了检验用于Z箍缩驱动器的LTD模块设计和输出能力，课题组开展了1MA-LTD原型模块的设计和实验研究。

1  1 MA-LTD模块设计

1MA-LTD模块采用32个子块并联，其中每个子块包含2台100 kV/100 nF脉冲电容器和1只200 kV多间隙气体开关。系统标称总储能为32 kJ，装置直径为2.9 m，厚度约27 cm。图1为模块布局设计示意图。为了尽量准确预估模块输出能力，专门开展了由1只开关和2台电容器样件组成的模拟子块短路实验。根据实验结果获得了每个子块的内阻和电感等关键参数。在此基础上对模块进行了全电路模拟，结果表明，在匹配负载阻抗约90 mΩ以及±90 kV电容器充电电压下，模块输出电流幅度为1.04 MA，上升时间约119 ns，能够达到1 MA/120 ns的设计指标要求。

2  1MA-LTD模块实验

1MA-LTD模块共有32只气体开关，由4根高压触发电缆引入触发脉冲，即每根电缆同时触发8只多间隙气体开关，触发电压幅度约100 kV。开关工作介质为干燥空气，LTD腔体采用气体绝缘。实验结果表明，在±90 kV充电电压、欠压比为65%的工作条件下，负载上获得的电流幅度为1.06 MA，上升时间约122 ns，与全电路模拟结果符合较好。图2为模块照片及典型电流波形。

多个支路开关放电的同步性是直线变压器驱动源重点关注的问题之一。本项目设计了一种光纤阵列测试系统，用于探测大量开关的放电发光过程，具有抗干扰能力强、对主回路无扰动等优点。采用光纤探针来捕获开关导通过程中产生的光信号，从而实现对开关放电起始时刻的监测。通过多次实验测量，统计结果表明，模块所有支路开关的导通时延一致性标差约为8 ns，图3为其中一发实验获得的所有开关导通时延数据。

实验中还对开关触发电极上的电压进行了在线测量。图4比较了不同幅值触发电压脉冲输入条件下开关触发电极上的电压波形，作为对比，图中同时还列出了开关未导通时的触发电压波形。结果表明：触发脉冲幅度越高，触发间隙的击穿时延越短。

除了开展模块输出参数检验外，实验还开展了LTD腔体密封、高电压绝缘、磁芯伏秒数以及次级真空等性能检验。