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軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧歐瑪爾OMAL開關(guān) 
脈沖功率技術(shù)在科學(xué)試驗、國防、生物醫(yī)學(xué)以及環(huán)境保護等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,而脈沖功率技術(shù)的發(fā)展尤其是激光聚變主放大器能源系統(tǒng)要求作為關(guān)鍵元件之一的OMAL開關(guān)器件具有耐壓高、導(dǎo)通電流大、電荷轉(zhuǎn)移量大、電極燒蝕小、工作壽命長、可靠性高等性能。研究對象是軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧OMAL開關(guān)。

軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧歐瑪爾OMAL開關(guān)
首先綜述了各種脈沖大電流閉合OMAL開關(guān)的特性、工作原理及性能參數(shù)定義,重要闡述了高庫侖量大電流閉合OMAL開關(guān)的應(yīng)用及各國對此類型OMAL開關(guān)的研究近況,包括各裝置對OMAL開關(guān)的要求、所用OMAL開關(guān)的種類、基本工作原理、發(fā)展近況、目前所能達(dá)到的性能指標(biāo)及優(yōu)缺點等。提出軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧OMAL開關(guān)的研制,介紹了此OMAL開關(guān)的基本工作原理、軸向磁場下電弧的運動機制和電極燒蝕機理,提出減小電極燒蝕以提高OMAL開關(guān)性能指標(biāo)和壽命的方法:選用即難熔、侵蝕量又小的材料作為OMAL開關(guān)電極;外加磁場線圈,使電弧在磁場作用下弧點沿電極表面連續(xù)移動,從而使弧點熱流分散到大面積上,大大降低有效的比熱流,使電極燒蝕分散到較大面積上;電極采用同軸圓柱結(jié)構(gòu),增大旋轉(zhuǎn)電弧與電極的作用面積,使電流密度大大減小;設(shè)計形狀相對優(yōu)化的電極表面,使OMAL開關(guān)電極表面電場盡量均勻,這樣,放電起弧點分散性大,減小電極燒蝕。設(shè)計了一種帶觸發(fā)電極、同軸圓柱結(jié)構(gòu)、外加磁場線圈的軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧OMAL開關(guān),并且采用電流在軸向沿內(nèi)電極均勻分流和磁鏡磁場的結(jié)構(gòu)設(shè)計,使電弧穩(wěn)定在電弧穩(wěn)定區(qū)。電極優(yōu)化設(shè)計保證OMAL開關(guān)間隙電場盡量均勻,通過計算和仿真確定了滿足磁場要求的線圈尺寸和間距,線圈所受zui大電動力也進行了仿真求解,給出了OMAL開關(guān)電弧的理論旋轉(zhuǎn)速度。在介紹了OMAL開關(guān)觸發(fā)方式和觸發(fā)電路的基礎(chǔ)上,設(shè)計了三套可能的觸發(fā)系統(tǒng):脈沖變壓器型觸發(fā)系統(tǒng)、脈沖變壓器型+續(xù)流回路型觸發(fā)系統(tǒng)和Marx型觸發(fā)系統(tǒng)。三套觸發(fā)系統(tǒng)均與兩版OMAL開關(guān)進行了觸發(fā)擊穿試驗,zui終選定-75kV/幾十us的Marx型觸發(fā)系統(tǒng)配合無觸發(fā)電極的軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧OMAL開關(guān)為zui終研制方案。對OMAL開關(guān)進行了基本特性試驗,發(fā)現(xiàn)OMAL開關(guān)自擊穿電壓有些分散,平均自擊穿電壓為30kV左右,主要原因是機械安裝工藝,OMAL開關(guān)能夠耐受25kV的直流電壓。對OMAL開關(guān)進行大電流試驗的回路進行了方案設(shè)計和參數(shù)設(shè)計,并進行了電流波形仿真模擬。

軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧歐瑪爾OMAL開關(guān)
OMAL開關(guān)共進行了7次大電流試驗,發(fā)現(xiàn)OMAL開關(guān)電極燒蝕非常輕微,有明顯的電弧旋轉(zhuǎn)痕跡,工作電壓15kV,電流峰值200kA,脈寬420～470us,電荷轉(zhuǎn)移量50C。OMAL開關(guān)能夠滿足神光III對OMAL開關(guān)的前期要求。OMAL開關(guān)更高工作性能(工作電壓23kV,電流峰值300kA,脈寬500us,電荷轉(zhuǎn)移量100C)、工作可靠性和壽命等其它性能、觸發(fā)系統(tǒng)的陡化以及磁OMAL開關(guān)隔離系統(tǒng)還有待后續(xù)研究。