为了满足“闪光二号”加速器材料热力学效应研究的新需求, 设计了一套电容器储能型脉冲强磁场装置。装置主要由储能电容器、半导体放电开关、磁场线圈及高压恒流充电源组成。磁场线圈中心处最大磁感应强度可达5 T, 并且可以通过调整磁场线圈与二极管的相对位置实现磁透镜比的调节。通过理论计算和数值模拟相结合的方法对脉冲强磁场的关键参数进行了分析, 然后进行了脉冲强磁场的工程设计, 最后使用该强磁场装置进行了实验研究。强磁场实验中, 当储能电容器充电21 kV时, 在磁场线圈中心处获得了5.3 T脉冲强磁场。

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关, 分析了电晕放电在开关工作过程中的作用, 开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明: 老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%, 电晕均压效果明显; 随着放电次数增加, 电晕针尖逐渐钝化, 触发性能变化不大; 开关电晕放电电流随耐受电压升高增大, 增长趋势逐渐变快; 开关充400 kPa干燥空气, ±100 kV工作电压下开关放电50 000次以上, 触发性能稳定, 触发击穿时延抖动约4.3 ns, 自放电概率低于1×10-4。

针对快前沿直线脉冲变压器驱动源(FLTD)系统中放电开关自击穿性能劣化的问题, 模拟计算了带电线缆、FLTD模块结构对开关间隙电场分布的影响规律, 研究分析开关自击穿性能下降的主要原因, 开展了电晕针均压和电阻均压两种方式下开关自击穿性能对比实验, 获得了不同电晕针长度、不同阻值开关自击穿电压的变化规律: 两种均压方式下开关自击穿电压分别提高3.2%和4.3%。FLTD系统中放电开关有均压措施的情况下, 系统自击穿电压提高8.9%, 自放电概率降低60%, 系统短路输出电流的稳定性明显提高, 电流幅值提高8.1%, 标准偏差减小30.8%。

针对系统电磁脉冲效应研究需求, 项目组对“闪光二号”加速器进行了适应性改造, 以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构, 重点进行了水开关设计, 并完成了实验调试。装置输出电压650 kV~1.3 MV稳定可调, 脉冲宽度60 ns, 前沿由改造前的80 ns缩短至改造后的30 ns, 在国内首次成功驱动串级二极管, 产生前沿29 ns、射线宽度约53 ns的脉冲硬X射线。

在工作气压和火花间隙固定的条件下, 针对稍不均匀场的圆饼形电极开关开展了不同电极材料下开关自击穿实验, 开关间隙距离为5 mm, 工作气压为0.25 MPa, 击穿电压平均值为40 kV。分别选取了不锈钢、黄铜、钨铜合金和石墨材料作为实验对象, 对比了不同电极材料下电极质量损失、电极表面形貌和开关静态特性的差异。实验结果表明, 石墨电极质量损失速率略高于金属电极, 但是由于石墨电极烧蚀产物多为气体, 因此石墨电极绝缘子污染程度远小于金属电极。石墨电极开关在低欠压比下自击穿概率也远小于金属电极开关。三种金属电极开关, 其静态特性差异不大, 但钨铜电极烧蚀程度显著低于不锈钢和黄铜电极开关。

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源, 脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 Ω到1 Ω的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关, 使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 Ω二极管发射特性研究, 并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。