Al2O3陶瓷在脈沖電壓下的激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)特性研究

潘如政李敏堂趙爭菡汪友華王 玨 嚴(yán) 萍

Al2O3陶瓷在脈沖電壓下的激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)特性研究

潘如政1李敏堂2趙爭菡1汪友華1王 玨3嚴(yán) 萍3

（1. 河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 天津 300130 2. 軍事交通學(xué)院軍事交通運輸研究所 天津 300161 3. 中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190）

為研究脈沖電壓下的激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)特性，在試驗室中建立了精確的激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)試驗系統(tǒng)，解決了激光脈沖與試品上所加脈沖電壓的同步問題，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用平板電極和柱狀絕緣材料進行了激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)試驗。試驗中采用銅材料平板電極，試品為Al2O3材料圓柱絕緣材料，試驗中激光波長為1 064/532nm并聚焦成長方形光斑，得到在不同的激光能量密度及施加電壓下的閃絡(luò)時延和抖動。研究表明：激光能量密度越大、施加電壓越高，閃絡(luò)時延和抖動越?。?32nm波長激光觸發(fā)的時延小于1 064nm波長激光觸發(fā)的時延；真空條件下的時延和抖動均小于空氣條件下的時延和抖動。

沿面閃絡(luò) 脈沖電壓 激光觸發(fā) 時延 抖動 空氣 真空

1 引言

快速閉合開關(guān)[1-3]是脈沖功率技術(shù)研究中的重要課題，也是目前制約脈沖功率技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。沿面閃絡(luò)開關(guān)[4]具有結(jié)構(gòu)簡單、可以精確控制觸發(fā)、開關(guān)抖動低、工作范圍寬、容易實現(xiàn)多通道放電從而獲得低開關(guān)電感等優(yōu)點，閃絡(luò)開關(guān)還可以集成在脈沖功率裝置的部件之上（如脈沖形成線、變壓器等），實現(xiàn)設(shè)備一體化和緊湊性。沿面閃絡(luò)開關(guān)主要有電脈沖觸發(fā)[5-11]和激光脈沖觸發(fā)[12-14]兩種觸發(fā)形式，激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)的時延和抖動小于電脈沖觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)，可以應(yīng)用于并聯(lián)的脈沖功率裝置中解決并聯(lián)同步問題。快速低抖動閉合開關(guān)是實現(xiàn)新型加速器概念—介質(zhì)壁加速器[15-16]的關(guān)鍵部件的方案之一，它有希望推動介質(zhì)壁加速器的發(fā)展。

激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)可以實現(xiàn)快速閉合和極低的抖動，對其絕緣介質(zhì)特性的研究非常重要。本文建立了中脈沖電壓下激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)試驗平臺，取得了激光脈沖與脈沖電壓之間的精確同步。解決同步問題后，應(yīng)用平板電極和柱狀絕緣材料進行了空氣及真空中脈沖電壓下激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)的試驗研究。

2 試驗平臺

建立的脈沖電壓下激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)試驗平臺框圖如圖1所示。試驗采用北京鐳寶光電技術(shù)有限公司的SGR-S400型激光器，以及自制的三路數(shù)字脈沖發(fā)生器、Marx發(fā)生器用觸發(fā)器及Marx發(fā)生器等試驗用設(shè)備。三路延時脈沖發(fā)生器觸發(fā)激光器的氙燈和Marx發(fā)生器的觸發(fā)器，Marx發(fā)生器的觸發(fā)器觸發(fā)Marx發(fā)生器，用Marx發(fā)生器輸出電壓控制示波器的TTL輸出觸發(fā)激光器的Q開關(guān)，激光器輸出激光脈沖，使高壓脈沖和激光脈沖同步施加在試品上。測量中所采用的示波器為Agilent infiniium-54832B DSO，脈沖電壓通過變比為2 100的電阻分壓器測量，電流通過靈敏度為0.007 45V/A的Rogowski線圈測量，激光脈沖通過DET210光電探頭測量。

圖1 試驗平臺框圖Fig.1 Schematic diagram of experiment system

通過測量的各試驗設(shè)備的時延及激光器的控制時序，調(diào)整三路延時脈沖發(fā)生器的CH1與通道CH2的延時，CH1控制激光器的氙燈，CH2觸發(fā)Marx發(fā)生器的觸發(fā)器，用示波器TTL觸發(fā)激光器的Q開關(guān)，得到激光脈沖與Marx輸出電壓脈沖的同步波形如圖2所示。CH1波形為Marx發(fā)生器輸出電壓波形，CH2波形為激光器的輸出激光脈沖。激光器的輸出波長為1 064nm和532nm兩種，1 064nm波長時輸出的能量范圍為400mJ到60mJ，532nm波長時輸出的能量范圍為200mJ到20mJ。改變激光脈沖的波長和能量及Marx發(fā)生器的輸出電壓對同步?jīng)]有影響。測量得出Marx輸出電壓脈沖和激光脈沖的時延為516.1ns，抖動為4.5ns。由試驗結(jié)果看出，試驗平臺能達(dá)到激光脈沖與脈沖電壓小于5ns抖動的穩(wěn)定同步。

圖2 激光脈沖與電壓脈沖的同步Fig.2 Synchronization of laser pulse and voltage pulse

進行激光脈沖與電壓脈沖的同步試驗后，利用所建立的試驗平臺進行脈沖電壓下激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)試驗。試驗中采用圓形的銅材料平板電極，試品為圓柱狀A(yù)l2O3陶瓷，試驗得到的激光觸發(fā)后沒發(fā)生閃絡(luò)及發(fā)生閃絡(luò)兩種情況的試驗波形分別如圖3和圖4所示。CH1波形為Marx發(fā)生器輸出電壓波形，CH2波形為電極間的電流波形，CH3波形為激光器的輸出激光脈沖。由兩圖可以看出，在試品沒有發(fā)生沿面閃絡(luò)的時候，電極之間只有微小的電容位移電流；在試品發(fā)生沿面閃絡(luò)的時候，試品兩端電壓下降并發(fā)生衰減振蕩，出現(xiàn)衰減振蕩的電流。

圖3 試驗波形（未閃絡(luò)）Fig.3 Test waveforms (without flashover)

圖4 試驗波形（閃絡(luò)）Fig.4 Test waveforms (flashover)

3 空氣中激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)試驗

試驗中采用60mm直徑的銅材料平板電極，試品為20mm直徑、8/10mm厚的Al2O3陶瓷圓柱絕緣材料，試驗中激光波長為532nm和1 064nm兩種，并聚焦成2mm×30mm的長方形光斑；試驗中空氣壓力為1個大氣壓。試驗前對試品進行20min去離子水超聲波清洗，并在真空條件下進行60℃加熱烘干4h。在沒有激光觸發(fā)的情況下，10mm厚度和8mm厚度Al2O3陶瓷的自閃絡(luò)電壓分別為24kV和21kV。

3.1施加電壓對觸發(fā)閃絡(luò)特性影響

用厚度為8mm的Al2O3陶瓷在532nm波長的激光觸發(fā)下進行試驗，改變施加電壓等級，得到不同激光能量密度下閃絡(luò)的時延（激光脈沖的上升點到電壓的上升點或電流的下降點）和抖動，分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可以看出，隨著試品兩端施加電壓的升高，閃絡(luò)時延和抖動都逐漸減小，激光能量密度由0.5mJ/mm2到4.5mJ/mm2變化，閃絡(luò)時延逐漸下降，抖動也逐漸下降。沿面閃絡(luò)開關(guān)的時延可由280ns降低到200ns，抖動可由近100ns降低到30ns。

圖5 時延與激光能量密度的關(guān)系Fig.5 Delay time and laser energy density

圖6 抖動與激光能量密度的關(guān)系Fig.6 Jitter time and laser energy density

3.2不同激光波長對觸發(fā)閃絡(luò)特性影響

用厚度為8mm的Al2O3陶瓷在532nm和1 064nm波長的激光觸發(fā)下進行試驗，得到不同激光能量密度與時延和不同激光能量密度與抖動的關(guān)系，分別如圖7和圖8所示。

圖7 時延與激光能量密度的關(guān)系Fig.7 Delay time and laser energy density

由圖7和圖8可以看出，隨著激光能量密度或施加電壓的增加，閃絡(luò)時延和抖動下降；在相同激光能量密度的情況下，激光脈沖在532nm波長下的閃絡(luò)時延和抖動小于激光脈沖在1 064nm波長下的閃絡(luò)時延和抖動，這主要由于532nm波長下的光子能量是1 064nm波長下的光子能量的2倍造成的。

圖8 抖動與激光能量密度的關(guān)系Fig.8 Jitter time and laser energy density

3.3不同厚度對觸發(fā)閃絡(luò)特性影響

在激光波長為1 064nm的情況下對8mm和10mm兩種厚度的Al2O3陶瓷進行試驗，得到不同激光能量密度與時延和不同激光能量密度與抖動的關(guān)系如圖9和圖10所示。

圖9 時延與激光能量密度的關(guān)系Fig.9 Delay time and laser energy density

圖10 抖動與激光能量密度的關(guān)系Fig.10 Jitter time and laser energy density

由圖9和圖10可以看出，在相同的激光能量密度的情況下，兩種厚度的Al2O3陶瓷試品的閃絡(luò)時延和抖動差不多；隨著激光能量密度的逐漸增大，閃絡(luò)時延逐漸下降，抖動也逐漸下降。

4 真空中激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)試驗

試驗中采用40mm直徑的銅材料平板電極，試品為20mm直徑、4/6mm厚的Al2O3陶瓷圓柱絕緣材料，試驗中激光波長為532nm和1 064nm兩種，并聚焦成0.1mm×30mm的長方形光斑；試驗中真空壓力小于4×10-3Pa。試驗前對試品進行20min去離子水超聲波清洗，并在真空條件下進行60℃加熱烘干4h。在沒有激光觸發(fā)的情況下，6mm厚度和4mm厚度Al2O3陶瓷的自閃絡(luò)電壓分別為30kV和27.3kV。

4.1施加電壓對觸發(fā)閃絡(luò)特性影響

用厚度為4mm的Al2O3陶瓷在1 064nm波長的激光觸發(fā)下進行試驗，改變施加電壓等級，得到不同激光能量密度下閃絡(luò)的時延和抖動，分別如圖11和圖12所示。

圖11 時延與激光能量密度的關(guān)系Fig.11 Delay time and laser energy density

圖12 抖動與激光能量密度的關(guān)系Fig.12 Jitter time and laser energy density

由圖11和圖12可以看出，隨著試品兩端施加電壓的升高，閃絡(luò)時延和抖動都逐漸減小，激光能量密度由16.5mJ/mm2到134mJ/mm2變化，閃絡(luò)時延逐漸下降，抖動也逐漸下降。沿面閃絡(luò)開關(guān)的時延可由25ns降低到15ns，抖動可由近2ns降低到小于1ns。

4.2不同激光波長對觸發(fā)閃絡(luò)特性影響

用厚度為6mm的Al2O3陶瓷在532nm和1 064nm波長的激光觸發(fā)下進行試驗，得到不同激光能量密度與時延和不同激光能量密度與抖動的關(guān)系，分別如圖13和圖14所示。

圖13 時延與激光能量密度的關(guān)系Fig.13 Delay time and laser energy density

圖14 抖動與激光能量密度的關(guān)系Fig.14 Jitter time and laser energy density

由圖13和圖14可以看出，隨著激光能量密度或施加電壓的增加，閃絡(luò)時延和抖動下降；在相同激光能量密度的情況下，激光脈沖在532nm波長下的閃絡(luò)時延和抖動小于激光脈沖在1 064nm波長下的閃絡(luò)時延和抖動，這主要由于532nm波長下的光子能量是1 064nm波長下的光子能量的2倍造成的。

4.3不同厚度對觸發(fā)閃絡(luò)特性影響

在激光波長為532nm的情況下對4mm和6mm兩種厚度的Al2O3陶瓷進行試驗，得到不同激光能量密度與時延和不同激光能量密度與抖動的關(guān)系如圖15和圖16所示。

圖15 時延與激光能量密度的關(guān)系Fig.15 Delay time and laser energy density

圖16 抖動與激光能量密度的關(guān)系Fig.16 Jitter time and laser energy density

由圖15和圖16可以看出，在相同的激光能量密度的情況下，兩種厚度的Al2O3陶瓷試品的閃絡(luò)時延和抖動差不多；隨著激光能量密度的逐漸增大，閃絡(luò)時延逐漸下降，抖動也逐漸下降，趨勢一致。

5 結(jié)論

在激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)的研究中，對絕緣介質(zhì)的激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)特性研究尤為重要。本文建立了脈沖電壓下激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)試驗平臺，取得了激光脈沖與脈沖電壓小于5ns抖動的穩(wěn)定同步。解決同步問題后，應(yīng)用銅材料平板電極和Al2O3陶瓷柱狀絕緣材料進行了空氣及真空中脈沖電壓下激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)的試驗研究，得出閃絡(luò)時延和抖動與激光能量密度、施加電壓及厚度的關(guān)系，為激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)的研究打下基礎(chǔ)。

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Study of Al2O3Ceramics’ Laser-Triggered Surface Flashover Characteristics with Pulsed Voltage

Pan Ruzheng1 Li Mintang2 Zhao Zhenghan1 Wang Youhua1 Wang Jue3 Yan Ping3
（1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Institute of Military Transportation, Military Transportation University Tianjin 300161 China 3. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China）

With the aim of studying the characteristics of laser-triggered surface flashover with pulsed voltage, synchronization problem of laser pulse and voltage pulse is solved through a high precision laser trigger system is built up in test system. Experiment of laser-triggered surface flashover is carried out using the flat electrodes and columned insulators based on the test system. The material of electrode is copper and the material of insulator is Al2O3. Laser pulse’s wavelengths are 532nm and 1 064nm, and laser is focused with rectangle. The flashover delay time and jitter time are obtained through experiment, and the results of experiment show that flashover delay time and jitter time decrease with increase of pulsed voltage or laser energy density, the delay time of 1 064nm laser trigger is larger than that of 532nm laser trigger, and the delay time and jitter time in vacuum condition are less than the delay time and jitter time in air condition.

Surface flashover, pulsed voltage, laser triggered, delay time, jitter time, air, vacuum

TM89

潘如政 男，1977年生，博士，講師，研究方向為高電壓絕緣及脈沖功率技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金（50907068）、河北省自然科學(xué)基金（E2012202011）和河北省博士后基金資助項目。

2013-11-22

李敏堂 男，1975年生，博士，講師，研究方向為脈沖功率技術(shù)及電磁驅(qū)動技術(shù)。