纳秒连续脉冲老炼装置控制及运行优化

纳秒连续脉冲老炼系统按功能可划分为9个部分：控制系统单元、直流电源单元、储能单元、形成网络单元、触发单元、控制开关单元、限流单元、试品以及开距调整装置，具体如图8-4所示。

图8-4 纳秒连续脉冲老炼主回路原理

整个纳秒连续脉冲老炼主回路的运行程序如下：

1）纳秒连续脉冲老炼开始准备阶段，将试品真空灭弧室竖直放置于一水平实验老炼台上，并将试品真空灭弧两端连接至老炼装置，然后通过开距调整装置将试品真空灭弧室调节至所需开距。

2）利用控制系统单元起动直流电源，通过直流电源单元中的调压升压部分T（电压比为220V/10kV）对交流电源220V进行升压，通过整流桥D将交流高压转化为直流高压向储能单元中的主储能电容器C₁充电。

3）主储能电容器C₁通过磁开关L₁和充电电阻R_o对储能单元中的脉冲放电电容C₂进行振荡充电，高压硅堆D₁保证了充电电压的极性。脉冲放电电容C₂的充电电压直接决定了每个脉冲电压的峰值。

4）控制系统单元将高压脉冲序列的频率和持续时间信号传送触发单元，然后触发单元发送动作命令给控制单元中的氢闸流管S₁，氢闸流管S₁的导通频率和时间决定了单元中的脉冲放电电容C₂放电频率和放电持续时间。当氢闸流管S₁导通时，脉冲放电电容C₂通过形成网络单元中的脉冲变压器T₁（电压比为3∶10）对试品真空灭弧室进行放电老炼，高压硅堆D₂保证了放电电压的单向极性。

老炼过程中真空灭弧室两端的老炼电压幅值可达100kV，并且老炼电压为上升速度很快的脉冲电压，所以对老炼电压的测量先采用3个额定电压为50kV，电容值为20pF的同轴电容进行分压，然后采用高压探头对分压后的脉冲电压进行测量，具体如图8-5所示。另外，在老炼过程中，若真空灭弧室无法承受老炼脉冲电压，真空灭弧室内部就会发生击穿，此时击穿引发的老炼电流也是高频放电电流，其幅值可达数千安培。可选用频率响应范围为30Hz～70MHz的Pearson电流传感器对老炼电流进行测量。

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图8-5 老炼电压和电流测量原理图

图8-6给出了一个典型的纳秒连续脉冲电压序列波形图，整个脉冲序列包含了100个脉冲电压，其峰值可达100kV，约一半的脉冲电压产生了击穿现象。图8-7和图8-8分别给出了单个电压脉冲没有发生击穿和发生击穿的波形展开图。从图8-7中可以看出，纳秒级电压脉冲的上升时间t_rise（从10%U_peak到90%U_peak）为135ns。图8-8为当发生击穿时产生的高频放电老炼电流，其峰值达到4kA。

图8-6 纳秒连续脉冲电压序列波形图

图8-7 脉冲电压未发生击穿时的波形图

图8-8 脉冲电压发生击穿的典型波形图