多棒型激光觸發(fā)真空開關(guān)時延特性的研究

毛曉坡 何正浩 王 英 樊文芳 林華中 談發(fā)力

(1.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學) 武漢 430074 2.激光技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學) 武漢 430074)

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多棒型激光觸發(fā)真空開關(guān)時延特性的研究

毛曉坡1何正浩1王 英2樊文芳1林華中2談發(fā)力1

(1.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學) 武漢 430074 2.激光技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學) 武漢 430074)

介紹了激光觸發(fā)真空開關(guān)(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對初始等離子體的產(chǎn)生和擴展所涉及的物理過程進行詳細分析，并對其工作在不同的間隙電壓、激光波長、激光能量和極性配置下開展了一系列實驗。通過對開關(guān)結(jié)構(gòu)的改進提高了開關(guān)的耐流能力；間隙距離的增加，使其耐壓能力得到提高；獨特的觸發(fā)片結(jié)構(gòu)設計，降低了開關(guān)對激光能量的依賴，減少了開關(guān)的時延。

激光觸發(fā)真空開關(guān) 時延 初始等離子體

0 引言

激光觸發(fā)真空開關(guān)作為一種新型的高壓大電流裝置中的重要控制器件，結(jié)合激光技術(shù)和脈沖功率技術(shù)，是未來強流開關(guān)發(fā)展方向之一[1-3]。目前國內(nèi)外相關(guān)研究文獻很少，關(guān)于LTVS特性的研究處于起步階段，例如時延特性。LTVS由于采用激光觸發(fā)，避免了觸發(fā)裝置的電磁干擾、激光脈寬窄、上升時間快、功率密度高，在脈沖功率技術(shù)中具有廣闊的發(fā)展前景。以往的LTVS的間隙距離小于5 mm，難以承受較高電壓，開關(guān)結(jié)構(gòu)設計為平面型，難以耐受較高電流，觸發(fā)電極位于陰極內(nèi)，增加了激光能量和導通時延。本文設計的LTVS的開關(guān)結(jié)構(gòu)為多棒極，間隙距離為12 mm，觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)設計為圓錐型，置于陰極之上，增大了觸發(fā)片面積，使觸發(fā)片壽命得到提高，且減少了對激光能量的要求。觸發(fā)電極的材料是5 g鈦粉(直徑8 μm)和5 g氯化鉀(直徑300 μm)的混合物。選擇氯化鉀的原因是其具有良好的溫度—蒸汽壓力特征(當達到一定溫度時，固態(tài)材料蒸發(fā)為氣態(tài))和低電離能，鈦粉的作用是吸收激光輻射。單獨使用鈦粉和氯化鉀均需要很高的激光能量，而使用這種混合材料可有效減少需要的激光能量，縮短開關(guān)的抖動時延[4，5]。當觸發(fā)激光聚焦在觸發(fā)電極上時，鈦粉吸收激光能量，將熱量傳遞給氯化鉀，氯化鉀固態(tài)受熱揮發(fā)成氣態(tài)，在光場和電場的共同作用下，多光子電離氯化鉀產(chǎn)生初始等離子體(Cl-和K+)，初始等離子體加速向電極運動，撞擊電極表面，產(chǎn)生大量電子、金屬離子和金屬蒸汽，電子、金屬離子和金屬蒸汽在電場作用下，進一步發(fā)生碰撞電離，釋放更多的電子、離子和金屬蒸汽，放電通道形成，開關(guān)導通[6-9]。

本文通過實驗研究，解釋了多棒極型LTVS在不同的間隙電壓、激光波長、激光能量和開關(guān)極性配置等情況下的導通時延特性，從而為優(yōu)化其導通性能提供理論依據(jù)，滿足精確控制度的要求。

1 實驗裝置

以往研究的LTVS結(jié)構(gòu)都是平面型的，弊端是容易造成真空電弧集中燒蝕電極，制約了開關(guān)的通流能力，本文借鑒電氣觸發(fā)真空開關(guān)(Electrical Triggered Vacuum Switch，ETVS)的結(jié)構(gòu)，設計了多棒極型LTVS的結(jié)構(gòu)，電極之間存在多個放電間隙，真空電弧同時在多個電極之間產(chǎn)生，消除電弧集中燒蝕電極的難題。多棒極型激光觸發(fā)真空開關(guān)的主電極由多對棒狀電極并聯(lián)構(gòu)成，正負交錯排列，呈環(huán)狀排布[10-12]。開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示，陽極和陰極之間放電間隙如圖中7所示。主要包括絕緣外殼、金屬屏蔽罩、激光照射窗口、一對相距為L的主電極和觸發(fā)電極，管內(nèi)真空度維持在1×10-4Pa以下。而且以往研究的觸發(fā)電極放置在陰極內(nèi)，目的是防止開關(guān)電弧放電燒蝕觸發(fā)電極，而且放置的深度越大，所需的激光能量和開關(guān)的時延越大，原因是激光燒蝕產(chǎn)生的初始等離子體部分消失在陰極內(nèi)，不能有效參與電弧放電。這種放置方法的另一個困難是難以觀察激光照射觸發(fā)電極的情況，包括位置和光斑大小。而本文設計的多棒極型LTVS，因為多個放電間隙的存在，能有效減少真空電弧對于觸發(fā)電極的燒蝕，通過實驗觀察，觸發(fā)電極無電弧燒蝕的現(xiàn)象存在。圓錐型的觸發(fā)電極放置于陰極之上，不僅有利于觀察激光照射觸發(fā)電極的情況，且大大減小了所需激光的能量，產(chǎn)生初始等離子體穩(wěn)定可靠，可縮小開關(guān)時延[13-17]。

1.絕緣外殼 2.金屬屏蔽罩 3.激光入射窗口4.陽極 5.陰極 6.觸發(fā)電極 7.放電間隙圖1 兩種型式的LTVS結(jié)構(gòu)Fig.1 Drawing of the LTVS

實驗中采用的光學裝置平臺如圖2所示，全反鏡、電光調(diào)Q開關(guān)、偏振片、ND：YAG激光器和半透鏡構(gòu)成諧振腔。分束器把激光分為兩束，一束經(jīng)光電探測器傳遞到示波器，得到觸發(fā)波形，示波器的型號是安捷倫DS0-X3104A。剩余的光束通過聚焦鏡后照射到觸發(fā)電極，得到初始等離子體。

圖2 光學裝置平臺Fig.2 Optical device platform

實驗中LTVS電路圖如圖3所示，電源、調(diào)壓器、變壓器、保護電阻、硅堆和儲能電容構(gòu)成充電電路，儲能電容、假負載和LTVS構(gòu)成放電電路。高壓表讀取電容電壓值，開關(guān)電壓波形通過TEKP6015高壓探頭測量。儲能電容和水電阻構(gòu)成保護電路，確保開關(guān)不能正常工作時，降低電容電壓。

圖3 LTVS實驗電路圖Fig.3 Experimental circuit diagram

2 實驗及其結(jié)果分析

LTVS的時延特性與激光觸發(fā)脈沖的波長、能量、間隙電壓及極性等有著緊密聯(lián)系。LTVS的時延定義為觸發(fā)激光脈沖波形開始到主電壓開始下降所經(jīng)歷的時間，時延的測量為20次導通時延的平均值[18-20]。圖4為多棒極LTVS放電電壓波形，正極性下，主電壓為5.5 kV，激光能量為22.4 mJ，波長為1 064 nm，從得到激光觸發(fā)信號到主電壓開始下降的時延td為20 ns。

圖4 LTVS時延波形Fig.4 The discharge waveform of LTVS

2.1 時延和波長及電壓的關(guān)系

電光調(diào)Q開關(guān)600 V，相應激光能量22.4 mJ，正極性(觸發(fā)極位于陰極)。圖5中，隨著激光波長的減小，開關(guān)的導通時延縮短。開關(guān)的觸發(fā)延遲時間隨激光波長的減小而迅速下降。這是因為激光波長變短，光子能量增大，多光子電離效應增強，同樣激光功率密度下，自由電子產(chǎn)額上升，放電通道的形成時延減小。當間隙電壓大于4 kV時，開關(guān)的時延趨于穩(wěn)定。同時，在激光脈沖能量不變的情況下，開關(guān)的時延隨電壓上升呈逐步下降趨勢。這是因為在開關(guān)閉合過程中，激光只是起觸發(fā)作用，提供初始電子，當聚焦于激光觸發(fā)隙的激光脈沖到達時，焦點處的觸發(fā)極材料揮發(fā)成氣體，并被電離，而開關(guān)的閉合是在電場作用下形成流注的過程。工作電壓越高，流注形成速度越快，開關(guān)延遲也就越小。

圖5 兩種波長的LTVS時延Fig.5 LTVS time delay under two kinds of waveform

2.2 時延和激光能量的關(guān)系

激光的脈沖波長為1 064 nm，正極性(觸發(fā)極位于陰極)。圖6中，當激光能量為11.9 mJ時，LTVS時延最大，大于30 ns，其他情況下，時延均在25 ns以下。隨著激光能量的增加，觸發(fā)時延有減小的趨勢。這是由于激光輻照能量的提高，引起更多的觸發(fā)材料揮發(fā)，產(chǎn)生的初始等離子體增多，以使放電通道更快地形成。當激光能量大于22.4 mJ后，初始等離子體數(shù)量和主電壓大小對時延的影響相對不大，這是時延受開關(guān)本體參數(shù)影響。

圖6 不同激光能量的多棒極LTVS時延Fig.6 LTVS time delay under different laser energy

2.3 開關(guān)的極性效應

激光脈沖波長為1 064 nm，負極性下(觸發(fā)極位于陽極)，激光能量分別為22.4 mJ、27.6 mJ、37.6 mJ和41.5 mJ，間隙電壓分別從1 kV上升到7 kV。通過實驗可觀察到，開關(guān)在各條件下均可導通，但不能穩(wěn)定導通，常需要多次脈沖才可導通。開關(guān)導通時的時延比在正極性情況下長了很多。圖7是負極性下典型波形。

圖7 負極性時LTVS波形Fig.7 Waveform under negative mode

從圖7中可看出，在負極性模式下，主電壓為5 kV，導通時延4.5 μs，下降過程伴隨著劇烈的振蕩，而且下降過程持續(xù)時間較長，放電時延較大。分析比較在負極性模式下，主間隙的導通時延比正極性模式的長。雖然在激光觸發(fā)的情況下，產(chǎn)生的初始等離子體都是氯離子和鉀離子，但在正極性模式下，初始等離子體產(chǎn)生以后，鉀離子向陰極運動，運動距離短，高溫的鉀離子轟擊陰極表面，使其大量蒸發(fā)和濺射，產(chǎn)生大量電子、金屬離子和金屬蒸汽，金屬原子和電子離開陰極，而正離子則被陰極所吸引，擴散到主間隙的帶電粒子主要以電子為主，電子的質(zhì)量遠小于正離子的質(zhì)量，因此在相同電場作用下，其擴散的速度比正離子快很多。而在負極性模式下，氯離子撞擊主陽極表面，擴散到主間隙的帶電粒子主要以離子為主，但離子的質(zhì)量遠大于電子的質(zhì)量，其形成和擴散都較緩慢。

3 結(jié)論

和以往LTVS相比，本文設計的多棒極型LTVS的開關(guān)間隙距離大，增加了開關(guān)的耐受電壓值，多棒極型電極結(jié)構(gòu)提高了開關(guān)的通流能力；獨特的觸發(fā)片結(jié)構(gòu)，增大了觸發(fā)面積，提高了觸發(fā)壽命，更利于觀察光斑的位置；觸發(fā)片置于電極之上，而不是內(nèi)置于電極，有效減小激光觸發(fā)能量，縮小初始等離子體運動距離，減少初始等離子體在電極內(nèi)的損失，從而減小觸發(fā)時延。

本文對多棒極型LTVS工作在不同間隙電壓、激光波長、激光能量和開關(guān)極性效應的時延進行了測試。結(jié)果表明，間隙電壓越大，初始等離子體運動速度越快，導通時延??；激光波長越小，單光子能量越大，產(chǎn)生的初始等離子體越多，導通時延??；當工作在正極性配置下，有利于陰極斑點的形成，工作可靠性高，導通時延小；多棒極LTVS實現(xiàn)了電弧的多間隙同時發(fā)展，避免了主電弧的快速集聚，從而具備更大的通流能力；觸發(fā)片置于電極之上，減少了初始等離子體的損失，導通時延小。

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Research on the Time Delay Characteristics of the Six-gap Rod Electrode Laser Triggered Vacuum Switch

MaoXiaopo1HeZhenghao1WangYing2FanWenfang1LinHuazhong2TanFali1

(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology) Wuhan 430074 China 2.State Key Laboratory of Laser Technology (Huazhong University of Science and Technology) Wuhan 430074 China)

This paper briefly introduces the basic structure and working mechanism of the laser triggered vacuum switch (LTVS).Then the processes of the primary plasma production and expansion are analyzed.A series of experiments have been carried out under different gap voltages, laser wavelengths, laser energies, polarity configuration modes, and switch structures.The capability of switching on heavy currents is increased by improving the switch structure, and the gap voltage is enhanced by increase of the gap distance.It is beneficial to reducing the dependence of the laser energy and the time delay of the switch by designing the unique trigger structure.

Laser triggered vacuum switch，time delay，primary plasma

國家自然科學基金(51377071)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費(HUST：2010JC018)資助項目。

2014-11-24 改稿日期2014-12-26

TM46

毛曉坡 男，1983年生，博士研究生，研究方向為高電壓絕緣與放電、脈沖功率技術(shù)。

何正浩 男，1957年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓絕緣與放電、脈沖功率和環(huán)境等離子體技術(shù)。(通信作者)