面向脉冲功率技术需求的伪火花开关技术

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面向脉冲功率技术需求的伪火花开关技术
张明，周亮，栾小燕，冯进军
(北京真空电子技术研究所，北京100015)
摘要：伪火花开关是脉冲功率技术领域的关键器件之一，兼具高功率、长寿命、高重频、低抖动等优点，被认为是可以取代高气压火花开关与闸流管的理想开关器件％本文针对大型原子能试验辐射模拟装置与Z箍缩驱动聚变能源装置的应用需求，对伪火花开关的器件性能和技术发展进行分析和述评％
关键词：脉冲功率技术；伪火花开关;Z箍缩；辐射效应模拟
中图分类号：TN134.4；TM89文献标志码：A文章编号:1002-8935(2021)01-0001-09
doi：10.16540力11-2485/tn.2021.01.01
Pseudo-Spark Switch Technologies for Pulsed Power Sources
ZHANG Ming,ZHOU Liang,LUAN Xiao-yan,FENG Jin-jun
{Beijing Vacuum Electronics Research Institute,Beijing100015,China)
Abstract:Pseudo-Spark switches are one of the critical devices in the field of pulse power sources with the ad­vantages of high power,long lf e-time,high repetition rate and low jitter etc.Pseudo-spark switches have the capa­bility of replacing the high pressure spark switches and thyratrons.In this paper,the review on the specifi­cations and technology development of pseudo-spark switches are given concerning the requirement demand from simulation facilities of atomic energy experiments and Z-pinch driven fusion energy.
Keywords:Pulsed power technology,Pseudo-spark switchers,Z-pinch,Radiation-effect simulation
脉冲功率技术是大型原子能试验辐射模拟装置的关键技术，随着Blumlein脉冲、感应电压(IVA)与快脉冲直线变压驱动(LTD)等关键技术的与功应用,辐射效应模拟装置
已达到40TW峰值脉冲功率的输岀(1),约为三峡水电站装机峰值的500倍,用Z箍缩驱动聚变能源岀为可能％需求：及其他高新技术领域的应用牵弓I,脉冲放电开关技术到了长足的进步,重要的发展是伪火花开关的研功。

伪火花开关采用电机理，不仅能媲美高气压火花放电的通流能力，还拥有低气压电的性，兼具高功率、长寿命、高重频、低抖动等优点，被认为是可以取代高气压火花开关与闸流管的理想开关器件。

伪火花开关作为一高功率脉冲放电开关，四十
、、、等开展大的理研究与
品开发，本文研究进展与作者多年工作经验，对伪火花开关的器件性能和技术发展进行分析和述评％
1伪火花开关原理
1979年，德国埃朗根大学(University of E­lange)发空与伪火花电效
应⑵"是用高能电子束与离子束，通过其大的理研究发,空低气压
放电时，电子发射密度高达104A/cm X,电流上升速率超过101X A/s,基本与高气压流注放电相当，但对电极的烧蚀远低于后者，若将该效应用脉冲放电开关，不仅具备强通流能力，而且能够有效地解决传统火花开关(Spark Switch)寿命短、不具备重频特性的问题，为表征两者的显著区别，将该类新型开关命名为伪火花开关(Pseudo-Spark Switch)% D.Bloess,I Kamber等闪结合伪火花放电机理与电真空器件工艺，率先进行了伪火花开关的开发工作,并开展了开关电触发技术的探索，针对氢气、氛气、A气等气体介质进行了大量的放电试验，于1983年
2021-01
研发出国际上首支伪火花开关% K. Frank,E. Bog-
gasch 与美国南加州大学G. Kirkman ,欧洲核子研
究组织(CERN) H. Riege 等⑷联合于1987年首次 提出伪火花开关光触发技术，分别利用闪光灯、激光
器、光纤等开展 触发试验研究，发现仅需#级 激光能量即可实现开关高可靠触发，并 命名为
背光闸流管(BLT )。

各国学者通过对伪火花开关放 电机理研究与大量的实验论证，于上世纪90年代就 已明确了应按触发方式 划分为电触发和光触发两大类别。

同时，在各国大型脉冲功率装置建设需 求的驱动下，又
开发出伪火花开关 隙、多通、高重频等技术，为后续系列化 的推出与成熟应用奠定 础％
伪火花开关原理结构如图1所示，由阳极、阴 极、绝缘子、触发单元、储气元件五大部分组成，其 中，阴极为空腔电
构，又称为空 ，一 :部 开
，与阳 行，
6
为 级,并在两
用绝缘 和封接；
空腔内部设置触发单元(trigger unit )，通过预 触发注入等离子体
燃空
，从而控制开关
点火导通；开关内部会预先充入或采用储气元件以
维持气体压强。

在1〜100 Pa 范围，利用气体的绝缘
压和 电 性分别实 和通的开关动作。

伪火花开关 图2所示的 支高击穿
电压区域， 与气体压强
O ・6值 嚮
小于0. 3 X 133 Pa ・cm,可选用氢气、@气、氮气、氮 气、干燥空气作为工作气体介质％与
支的
高气压火花开关 ，伪火花开关
具有低气压放
电 的重频特性、 性与寿命，同 用特定的
电
构能够
火花开关的通流能力页％
伪 火 花 开 关 阳 与 高 电 压 ， 触发单元 的 等离子体在阳极电场的作用下从
阳
，
气 体 电 并 阳
电
到 建 阳极，枚
电等离子体 的
大，虚阳 缩短与阴
极的 (图3(a)),使阳极电
腔
表
级区域，又称为等离子体 (图3
(b))，该区域的电
大，
阳极与整个腔 表 发
电 "所 的 高
密度电子 效应下
以电子束
的形式发射到阳极，
开关的导通，阳极电压
脉冲大电流得以 ％
220
4x104
及-9-9-8-80P -7-6
E
E E E E E E 16
0 16 9 0 一二 19019108 0 0 8 0 1 O I
93093503.6.L 3.6.2 L
0 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11
12 13 14 15
阴极到阳极距离/mm (a)虚阳极的迁移
离体层
等
子鞘
(b)等离子体鞘层形成
>3
图3伪火花放电电压等势线分布
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-01
脉冲功率技术需要的脉冲放电开关应具备高达数百kV的电压和kA的强电脉冲功率放大能"高度关注和大力发展的Sic?导体开关与之大，因此以气体作为工介质的气体放电开关一应用主流％按：电机理不同，气体放电开关可划分为三类：第一类是用气体气电的闸流管、引燃管（汞管）、真空触发开关，因分别存在放电电流小、汞剧与寿命短的问题，已被开关取代；第二类是采用流注（火花）放电的高气压火花开关、场畸变开关、触发管，其结构简单、触发、放电高,在各类脉冲功率试验探索到应用，于重频特性与寿命，一直难以产品化；第三类则是采用辉光放电的伪火花开关，兼具强通流、高重频与长寿命等性能，化。

统的高气压火花开关，伪火花开关具有显著的优势：首先，其电子与气体分子由程约为，与电本，是流电开关的10000倍，对电的（微米级凸点尔特效应、空间电荷场畸变等#，自击穿概率与电
火花放电开关;其次，伪火花开关预触发注入等离子体来引燃空，在阴极孔洞处定的放电，时间参数优异且不随工作电压变化，而流注放电开关依靠电变点火，会随分流，与电压关;第三，伪火花开关放电电低，采用电子为导通大电流的载体，通流与消电离能力强，脉冲重复频率高达100kHz旧，重频特性远高于仅能单次应用的流电开关;第四，伪火花开关；
电的电子温度以及对电极的低于流注放电，使用寿命可达1010〜10"次，而流电通常为10。

次％对于脉冲功率装置来说，自击穿概率、时、重频特性、使用寿命等开关关键性能至关重要。

例如在大型核爆辐射模拟装置中同步工作的脉冲放电开关达上千支，美国圣地亚哥国家实验室（SNL）建设的Z箍缩惯性聚变快脉冲直线变压驱动源（LTD装置）开关达16.2万支在数百kV条件下，需成千上万支开关以10Hz的频率同步放电输出100〜1000TW峰值脉冲功率，为确保装置长期、可靠、稳定运行，对开关的耐压可靠性、同步性、重复频率与寿命均提岀严苛的要求，火花放电开关与电开关由述典型的缺点难以实现，而伪火花开关被认为可能领域核心瓶颈的关键器件，因此是目前国际上高功率脉冲开关技术研究的前沿％
2国内外伪火花开关研究进展
从伪火花放电机理首次提岀，到伪火花开关系列化成熟产品问世，经过四十多年的发展与应用，伪火花开关技术逐渐分化为两大方向：高峰值功率和高功率％前者是指GW级以上高峰值功率开关，针对快脉冲变压驱动装置（LTD）、稠密等离子体焦点装置（DPF）、）arx发生器等TW级核爆辐射模拟装置应用，要求多个开关串、并联同:电应用，开关通常工作在100〜200kV,脉冲电流50〜200kA,脉冲重复频率10Hz,基本属于单次脉冲放电应用，但对开关电压、自击穿概率'可与寿命要求极高；后者是指MW级功率开关，针对高功率激光、高功率微波、长波雷达等应用,开关kV,脉冲重复频率高达kHz,脉冲电流达几十kA,以驱动受能负岀高能电磁脉冲。

国外大量研究表明［3，a8］,伪火花开关是目前唯一一类能流能力与重频特性有机
的开关器件，而且寿命远超其它气体放电开关，在脉冲功率技术领域具阔的应用前景，下面分别就伪火花开关研究进展进行介绍％
2.1国外研究进展
德国埃朗根大学F.Heine,U.Prucker等通过空构与耐烧蚀SiC电极，实单间隙伪火花开关工作电压30kV、脉冲电流500kA技术指标，应用于CO2激光器；K.Frank等（0a11）针对惯性聚变驱动装置（ICF）需求，开发岀用于Marx发生器的伪火花开关，工作电压100kV、脉冲电流120kA；2007年，开发出用于SIS100/300重离子同器装置的伪火花开关，如图T所示（12）,该用隙体压构与高介电
电触发结构，工作电压70kV,寿命高达10［次，实现装置约百支开关的同步运行％后已完全取代氢闸流管，用于欧洲核子研究（CERN）的大型强子对撞机（LHC）中，作为装置的同步开关驱动加速器运行［13］。

在大型脉冲功率装置需求牵引下,大学开发岀隙、、特种电极、电触发、光触发等构［14］,进行了大量的脉冲放电试验，明确了伪火花开关在高电压、大电流、长寿命等方面的特性，并实化应用。

美国南加州大学Andras Kuthi等（5）针对500kV、10kA,200ns特斯拉变压器（TLT）需求，开发出四间隙伪火花开关，实现工作电压200kV的技术指
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分压栅极
—“爪”式电极
>=■平板电极
■高介电系数材料
(b)高介电材料沿面放电触发结构
图4三间隙伪火花开关结构
标,并分别完成了电触发与光触发实验%M. A. Gundersen,A.Kuthi等［16-21］重点针对光触发伪火花开关开展研发工作，重点闪光灯、激光器、光纤、激光二极管等各类型光触发技术，与小型化、高可靠、模块化技术,BLT系列光触发伪火花开关，并在反导雷达系统、航空发动机点火、医疗器等领域功应用％图5所示为小型化发射闸流管的空(17),采用发射电构，产品无需即可实电压25kV、脉冲电流12.5kA、脉冲重复频率1kHz、寿命109次的技术指标%图6所示为中型BLT与小型BLT光纤触发伪火花开关(18),型BLT直径为12.5mm，电压为40kV、脉冲电流为10
kA,尺寸远小于EEV CX1549型、EG&G8614/ HY-5型闸流管与ALSTOM FS2000型电触发重频伪火花开关，该 用于航空发动机点火(图7)，也被用开关组阵搭建紧凑型Marx发生器(图8)以及医疗成像等领域「12)。

EEV CX1549EG&G8614/HY-5ALSTOM FS2000USC Medium USC Mini 闸流管闸流管伪火花开关BLT BLT
35kV/10kA40kV/5kA32kV/30kA25kV/>8kA40kV/>12kA
图7航空发动机点火模拟试验装置
图6BLT系列伪火花开关对比
图83-BLT-Marx发生器（90kV、10kA）
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-01
俄罗斯大电流电子学研究所（Institute of High
Current Electronics ）. D. Bochkov 等（2一25）针对
电触发伪火花开关开展了大量的研发 ，重点解
决高电压、大电流、高重频、低抖动与长寿命等问题,
TD 与TP 两个系列的伪火开关成熟
：,
如表1所示「22），涵盖 电压15〜100 kV,脉冲电
流1〜150 kA,触发着火延时100〜200 ns 、抖动1〜
10 ns,脉冲重复频率高达30 kHz,并在大型激光
器、加速器、Z 箍缩聚变装置和稠密等离子体焦点装
置 应用％如图9所示「板，俄罗斯与 伪火
花开关最大的区别在于触发方式的不同，两者分别
电触发与光触发进行 开发，均f
隙上 、高重频、大能库、小型化、长寿命、高可靠
等技术，完全取代传统闸流管、引燃管等 ，已应
用于军事、工业、医疗、航空航天、科学工程等领域%
（a ）俄罗斯伪火花开关实物图
（b ）美UMiniBLT
图9俄罗斯电触发与美国光触发伪火花开关对比
表1部分俄罗斯产品化伪火花开关指标
型号
工作电压/kV 脉冲电流/kA 电流/A
尺寸0 X H / mm
寿命/C 脉冲重复频率
/kHz TDIl-50k/181#50. 0
0.2#
#0X#02X1050.0#TDIl-150k/25
2#
1#0.00.#120X#4
5X1050.0#TDI1-#0k /#0
#0#0.0
0.2#
100X855X105
0.0#TPI1-0. 2k/1010
0.10.0325X222X106 2.#TPIl-1k/2020 1.0
0.0325X47
2X106
2.#
TPI3-10k/25
2#
10.00.2
64X751X10' 2.0TPIl-10k/50#010.00.3#
100X1001X10' 2.0TPI1-#k /100
100
#.0
0.#
100X120
1X10'
0.#
2.2国内研究进展国内研究机构于上世纪［0年代开始伪火花开 关研究
，大部分文献报道以机理分析与实验室
研究为主，涉及到触发方式、耐压特性、通流能力、电
、时延抖动、重频特性等［26］，但较少
熟
与 较大％清华大学赵会良、解子凤等（7）分析了氮气、空
气、氮气和氮气等工作气体及压强、极间距对开关耐
电压的影响，如图10和图11所示「27）,认为氮气 是较理想的 气体，开关
电压
与电
径减小而增大，并 悬浮电极构 级
构的方式以提高伪火花开关耐压能力，所设计的
单间隙伪火花开关耐压达64 kV,空腔悬浮二级伪
火花开关耐压达91 kV %
图10单间隙伪火花开关不同工作气体自击穿曲线图11单间隙伪火花开关耐受电压与极间距、电极孔径的关系曲线
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'
西安交通大学邱毓昌、谢建民、陈景亮等「28一30） 重点针对
气伪火花开关的触发特性与耐压放电特性开展了大量的研究，如图12所示「29）,实 大压40 kV 、触发着火延时100 ns 的技术指标，对氧 化锌、
等 电触发以及开关电压跌
进行了实验分析，完 伪火花开关多间隙、
技术的探索。

西北核技术研究所张国伟、丛培天等（1）分析了 电极结构对伪火花开关耐压特性的影响，并对 F
电 构与 构的开关分别进行了实验对比,
如图13所示，给出了以空气为
气体的开关压强
范围为1〜100 Pa,采用传统同轴多通道结构的单 隙开关最大耐压
28.4 kV ，而采用
构
的开关最大耐压为41. 6 kV 。

应用电子学研究所秦风、常安碧
等［26,32 —型针对辉光放电触发伪火花开关开展了研 究，设计了图14所示试验样管，以氮气为工作气体,
重点分析了开关高重频与大电流性能，并对触发时 延及抖动特性进行了试验，探索了双间隙耐压技术,
认为当开关 电压为8〜25 kV 时，若触发电压 高到一定值，则开关时延与抖动 阳极电压的
变化而变化，如图15所示（2）。

图12单间隙伪火花开关耐受电压与气压的关系曲线
T
（a ）环槽结构照片（b ）同轴多通道结构照片
图 13 !伪火花开关电 构对
法兰
—X +V T
图14辉光放电触发伪火花开关示意图
北京真空电子技术研究所张明、周亮等［34 —36）针 对电 触 发 与 触 发 伪 火 花 开 关 开 展 大 研 发，
隙上 、高重频、大能库、高反峰、正负极性、小型化、长寿命、高可靠等技术，并对光纤 触发技术进行了探索，
图16所示的VE4000系列伪火花开关成熟 ，涵盖 电压25〜100
kV 、脉冲电流1〜200 kA 、触发着火延时100〜200 ns 、抖动1〜10 ns 、脉冲重复频率达到500 Hz （见表
2）,建 完备的 与高功率实验平台，并在大型激光器、Z 箍缩聚变装置和稠密等离子体焦 点装置（DPF ）中成功应用。

VE4176C 型 隙伪
400 r 350 -300 -
員 250 - 专 200 -
——
150 -
100 -50 -------------- -----------------15 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
V /kv
图 15 伪火花开关 延与 阳 电压的关 系
火花开关用于组建图17中180 #F 六路开关同步放
电系统，实 40 kV/650 kA 脉冲功率的长期稳 定放电，并
负 完成了 1011子 。

500
Hz 重频
伪火花开关已应用于放电激励气体激
光器，实现工作电压45 kV 、脉冲电流50 kA 、平均 电流2 A 、电流反峰比80% ；目前已开发的四间隙小
型化伪火花开关，其主体尺寸为！78 mmX H 52
mm ,工作电压大于100 kV 、重复频率达50 Hz 、抖
动小于5 ns,可作为快脉冲 变压驱动LTD 装置
士 50 kV/80 kA 主开关使用。

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VE4179A
光触发类 VE4179B/C
VE4162A
VE4162D
电触发类
VE4162B/C VE4172
VE4176A
VE4176B
VE4176C
图16 VE4000系列伪火花开关实物图
表2 北京真空电子技术研究所部分VE4000系列产品化伪火花开关指标
型号工作电压/kV 脉冲电流/kA 反峰比脉冲重复频率/Hz 触发延 l/ns 抖动/ns
触发能量
VE4162A
1〜2515""15%1"""805 1. 5 kV/60 A VE4162B 2〜451"""15%
1"""12"5 1. 5 kV/60 A VE4162C 2〜451""#90%1"""16"
5
1. 5 kV/60 A VE4162D
2〜355""15%
4""
"8"1 1. 5 kV/60 A VE41722〜45
5"
#90%1"""2""
5
1. 5 kV/60 A VE4176A
1〜252""#90%1"""8"2 1. 5 kV/60 A VE4176B 2 〜5"2""#90%1"""12"21 . 5 kV/60 A VE4176C 3 〜75
2""#90%1"""16"
2
1 . 5 kV/60 A
VE4179A
1 〜1"4"#90%
1""5"180 #J /266 nm
VE4179B 1 〜5"5"#9"%1""5"10. 24 mJ/532 nm VE4179C
± 2〜±25
5"
#9"%
1"
"5"
1
0. 24 mJ /532 nm
图17 40 kV 、650 kA 、180 #F 六路伪火花
开关同步放电系统
3未来伪火花开关的应用需求
大型脉冲功率装置中，气体放电开关作为核 元件，起到驱动系统高功率输出与脉冲点火
的关键作用% 圣地亚国家实验室（SNL ）、罗斯强流电子学研究所（HCEI ）、英国原子武器研 究中丿L 、（AWE ）为首的研究机构分别提出了面向未来聚变能源的Z-IFE 驱动器概念设计方案，并完成 前期100 TW 级峰值功率预研技术的探索，预计
于2030年完成PW 级峰值功率驱动器制造与GW 级平均功率电站运行（38） % 理研究
院与西北核技术研究所也分别提出了 Z-FER 能源
系统设计
，总体技术要求为：输出电流峰值大于
60 MA,功率 TW &
前沿，电流脉冲 」
时间约150 ns ；可重复运行，重复频率约0. 1 Hz ；高
可靠性和长使用寿命，寿期大于1年，寿命至少大于
3X10'次；系统有较好的可靠性和
性%如图18
所示，各国所设计的Z 箍缩驱动聚变能源装置，均
需 大的气体放电开关同 ，而且对气
体放电开关耐压可靠性、脉冲电流、同步性、重复频 率与寿命均提出
严苛的要求（38） %
伪火花开关
理的天然优势，兼具高电压、
大电流、低抖动、高重频、长寿命、高可靠等优点，非
Z 箍缩驱动聚变能源装置
开关串、并联
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（a ）俄罗斯“Baikal ”装置（144个Marx 发生器）
210个LTD 驱动模组
磁绝缘
放射式传输线 传输线系统 阻抗变压器
同轴真空磁绝缘线
双绝缘堆
靶材入口防护墙
混合LTD 模块
水线
（b ）美国“Z-800”装置（16.2X1CT 个开关）
（c ）中国“Z-FER ”装置（36xl （T 个开关）
图18各国Z 箍缩驱动聚变能源装置示意图
同步工作需求，是解决目前气体放电开关技术瓶颈 的 方案。

际上伪火花开关技术发展水平,目前已具备士 100 kV 、100 kA 条件下的高同步、
长寿命、重频
础，为满足装置的建设目标，亟
需 型化、光纤或激 管触发等关键技术,
以确保装置的长期、可靠、稳定运行，降低装置的建
设与维
本；而且，上述技术的
核爆辐射模拟、可控核聚变、 器等
、能源与
业领域 发展，对于脉冲功率技术的进步具有显著的推动作用。

%结论
世界上各国针对大型原子能试验辐射模拟装置 与Z 箍缩驱动聚变能源装置的建设已开展了相关 装备的研制；特别是在可控核聚变的能源领域，作为
* 2021 -01
脉冲放电开关技术的核心的器件，其技术瓶颈的突
进新一代清洁能源的发展。

目前 伪火花
开关技术 指标、触发方式、
熟度、应用 等方面与
较大的
，需加
大对伪火花开关的技术攻关
， 型化、光纤
激 管触发等关键物理和技术难题，扩大开
关 应用中的实 模，从而提高脉冲功率技
术的水平。

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收稿日期：2021—02—09
作者简介:
张明(1986—)，男，湖北仙桃
人，高级，硕士，主要从事伪
火花开关和脉冲功率装置等技术研
究；E-mail:fantaming@。

2021-01。