激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器的實驗研究

殷 毅， 劉金亮， 楊建華， 李志強(qiáng)

(國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410073)

激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器的實驗研究

殷 毅， 劉金亮， 楊建華， 李志強(qiáng)

(國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410073)

本文設(shè)計了一臺激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器并開展了單次及1Hz重頻實驗研究。該調(diào)制器由水介質(zhì)同軸脈沖形成線、激光觸發(fā)開關(guān)、脈沖變壓器、假負(fù)載等組成。在調(diào)制器主開關(guān)導(dǎo)通電壓為-795kV時，激光到達(dá)開關(guān)25ns后調(diào)制器主開關(guān)導(dǎo)通，在負(fù)載上得到了電壓-402kV、電流26kA、脈沖寬度128ns的準(zhǔn)方波高功率電脈沖。當(dāng)調(diào)制器主開關(guān)分別為氮氣、六氟化硫時對調(diào)制器激光觸發(fā)氣體開關(guān)的延時、抖動特性進(jìn)行了實驗研究，266nm激光觸發(fā)時，氮氣具有較小的延時和抖動；同時對自擊穿和激光觸發(fā)兩種情況下負(fù)載電壓的前沿特性進(jìn)行了對比，最后對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。

延時； 抖動時間； 脈沖調(diào)制器； 激光觸發(fā)； 氣體開關(guān)

1 引言

變壓器驅(qū)動的高功率脈沖調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，作為高功率微波的驅(qū)動源得到了廣泛的研究[1-3]，該種類型調(diào)制器其主開關(guān)通常采用電脈沖觸發(fā)或自擊穿的方式運行。由于激光觸發(fā)氣體開關(guān)具有延遲及抖動小、預(yù)擊穿概率低、可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點[4-6]，是多臺脈沖功率裝置、多個開關(guān)同步運行的關(guān)鍵技術(shù)，將激光用于觸發(fā)該種類型脈沖功率調(diào)制器，可以提高裝置運行時穩(wěn)定性，為多臺裝置同步運行打下基礎(chǔ)，因此開展激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器的研究具有重要意義。本文開展了激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器的單次及重頻實驗研究，并對調(diào)制器的延時、抖動特性進(jìn)行了分析。

2 激光觸發(fā)脈沖調(diào)制器結(jié)構(gòu)

變壓器型脈沖調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由初級觸發(fā)氣體開關(guān)、脈沖變壓器、水介質(zhì)螺旋脈沖形成線、激光觸發(fā)開關(guān)[7]、負(fù)載等組成[8]。其中測量螺旋形成線充電電壓和假負(fù)載電壓采用電阻分壓器，假負(fù)載電流測量采用Rokowski線圈，初級觸發(fā)開關(guān)、主開關(guān)分別采用電脈沖觸發(fā)和激光脈沖觸發(fā)。加速器的初級儲能為12μF的脈沖高壓電容器，當(dāng)電容器充電到所要求的電壓時，輸入高壓電觸發(fā)脈沖，初級觸發(fā)氣體火花開關(guān)導(dǎo)通，在變壓器的初級回路產(chǎn)生高壓大電流，通過變壓器升壓給水介質(zhì)螺旋脈沖形成線充電。在形成線充電電壓達(dá)到指定電壓時，激光聚焦到開關(guān)兩電極中心處，促使主開關(guān)導(dǎo)通，形成線向負(fù)載放電。

螺旋脈沖形成線的特征阻抗Z及特征時間τ可根據(jù)式(1)和式(2)計算[9]：

(1)

(2)

式中，εr為儲能介質(zhì)相對介電常數(shù)；r1和r2分別為脈沖形成線內(nèi)筒和外筒的半徑；φ為形成線內(nèi)筒的螺旋角；c為真空中光速；l為形成線長度。

所設(shè)計的形成線儲能介質(zhì)為去離子水，形成線內(nèi)筒的螺旋角為56°，計算可得形成線阻抗為15Ω，特征時間為128ns。

圖1 激光觸發(fā)脈沖調(diào)制器示意圖Fig.1 Schematic of laser triggered pulse generator

實驗中所用的激光器為四倍頻的Nd∶YAG脈沖激光器。相比于激光波長為532nm或1064nm的激光，266nm激光有更好的觸發(fā)特性[6-8]，因此實驗中觸發(fā)氣體開關(guān)時選用激光的波長為266nm。激光通過一個焦距為64cm的透鏡聚焦后，沿氣體開關(guān)電極的軸向進(jìn)入開關(guān)，焦點位于開關(guān)兩電極中心。

3 實驗研究

3.1 典型的負(fù)載實驗波形

單次運行時典型實驗波形如圖2所示，其中圖2(a)顯示了形成線充電電壓波形，最高電壓為-795kV時(該電壓即為激光觸發(fā)時氣體開關(guān)的擊穿電壓)，圖2(b)為圖2(a)的波形放大圖。激光到達(dá)開關(guān)后延時25ns開關(guān)導(dǎo)通，形成線向假負(fù)載放電，負(fù)載上電壓為-402kV，電流為26kA，脈沖寬度約128ns，電功率約10GW。

圖2 單次運行時實驗波形Fig.2 Experimental waveforms at single shot

3.2 脈沖調(diào)制器重頻運行及延時和抖動

在激光波長266nm、能量6mJ、氮氣欠壓比78%時，重頻1Hz情況下，10次實驗波形如圖3所示?？梢钥闯鲈撜{(diào)制器觸發(fā)條件下工作一致性較好。

圖3 重頻實驗波形Fig.3 Experimental waveforms at repetitive shots

圖4和圖5給出了多次試驗后，氮氣和六氟化硫在不同欠壓比(PSB)下其延時、抖動的實驗數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯?dāng)開關(guān)欠壓比大于80%時，調(diào)制器的抖動小于1ns；相比于SF6，開關(guān)內(nèi)為N2時調(diào)制器具有較小的延時和抖動特性。Martin給出的擊穿延時表達(dá)式為[10]：

ρτ=97800(E/ρ)-3.44

(3)

式中，ρ為氣體密度(g/cm3)；τ為延時(s)；E為電場強(qiáng)度(kV/cm)。

圖4 激光觸發(fā)時調(diào)制器不同欠壓比下的延時Fig.4 Delay time of LTGS with different PSB

圖5 激光觸發(fā)時調(diào)制器不同欠壓比下的抖動Fig.5 Jitter time of LTGS with different PSB

根據(jù)式(3)可知，電場強(qiáng)度增加，激光觸發(fā)的延時時間變小。同樣的擊穿場強(qiáng)下，氣體的密度越高其對應(yīng)的延時時間越長。即使考慮到同樣的擊穿場強(qiáng)下，氮氣的氣體壓強(qiáng)高于六氟化硫，六氟化硫仍然具有較高氣體密度，所以其開關(guān)延時時間較長。

SF6開關(guān)抖動較大是因為SF6為電負(fù)性氣體，產(chǎn)生的電子容易被吸附形成負(fù)離子，在增大擊穿電壓的同時也增大了開關(guān)抖動。

3.3 負(fù)載電壓的上升前沿比較

根據(jù)Martin給出的上升時間計算公式[10]，開關(guān)前沿時間可以表示成電阻項時間常數(shù)和電感項時間常數(shù)的和，其表達(dá)式為：

(4)

式中，τ的單位為ns；ρ/ρ0為氣體密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度之比；擊穿場強(qiáng)Eb的單位為10kV/cm；間距l(xiāng)單位為cm；Z為驅(qū)動阻抗(傳輸線與負(fù)載電阻之和)，單位為Ω。

當(dāng)激光為強(qiáng)觸發(fā)方式時，電場強(qiáng)度El高于弱觸發(fā)或無觸發(fā)方式電場強(qiáng)度E，如圖6所示[11]。

圖6 激光的弱觸發(fā)與強(qiáng)觸發(fā)Fig.6 Weakly triggered gap and strongly triggered gap

圖6中，有

E1=V/(D-X)=E/(1-X/D)

(5)

式中，D為間距；X為受到激光加熱和電離的部分短路的間隙長度；V為兩電極間電壓。

因此激光觸發(fā)可以使電阻項時間減小。此外激光觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通通道為一條直線，相比于自擊穿開關(guān)導(dǎo)通通道的隨機(jī)曲線，導(dǎo)通距離更短，因此激光觸發(fā)條件下其電感項時間更小。所以激光觸發(fā)開關(guān)應(yīng)有較小的前沿時間。

實驗中測得的激光觸發(fā)與自擊穿條件下負(fù)載波形對比如圖7所示?？梢钥闯?，負(fù)載上電壓上升前沿約30ns(0～100%)，激光觸發(fā)對負(fù)載波形前沿影響較小，基本可以忽略。

圖7 負(fù)載電壓前沿時間比較Fig.7 Rise time comparison of load voltages

下面對激光觸發(fā)下相比自擊穿條件下前沿減小的時間進(jìn)行估算。對于電阻項前沿，根據(jù)文獻(xiàn)[12]中266nm激光在相同焦距下對0.3MPa SF6氣體開關(guān)的拍照圖像的分析結(jié)果，6mJ激光形成火花通道長度約1.7cm。實驗中開關(guān)電極間距3.5cm，假設(shè)電場強(qiáng)度由230kV/cm增加到460kV/cm，SF6氣體密度取6.5×10-3g/cm3，計算可得電阻項時間減小引起前沿減小的時間為1.1ns。對于電感項前沿，假設(shè)火花通道導(dǎo)致開關(guān)間距減小2cm，計算可得電感項減小時間為0.9ns。

考慮到激光觸發(fā)下電阻項與電感項前沿減小時間之和約2ns，相比于調(diào)制器本身30ns前沿，所以其前沿時間減小不明顯。

4 結(jié)論

本文對激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器開展了單次及1Hz下的重頻實驗研究。單次工作開關(guān)導(dǎo)通電壓-795kV時，負(fù)載上得到了電壓-402kV、電流26kA、脈寬128ns的準(zhǔn)方波脈沖輸出，激光觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通延時為25ns。重頻條件下，該調(diào)制器可穩(wěn)定工作；當(dāng)調(diào)制器主開關(guān)分別為N2、SF6時對調(diào)制器激光觸發(fā)氣體開關(guān)的延時、抖動特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明N2具有較小的延時和抖動；同時對自擊穿和激光觸發(fā)兩種情況下負(fù)載電壓的前沿特性進(jìn)行了對比，實驗表明激光觸發(fā)開關(guān)與自擊穿開關(guān)負(fù)載電壓前沿時間基本一致。

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Experimental investigation of a laser triggered transformer type pulse generator

YIN Yi, LIU Jin-liang, YANG Jian-hua, LI Zhi-qiang

(College of Opto-electric Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

A laser triggered transformer type high voltage pulse accelerator is built and experimentally investigated. The pulse accelerator consists of a water dielectric coaxial pulse forming line (PFL), a laser triggered gas switch (LTGS), a pulse transformer, capacitors and a dummy load. When the pulse accelerator is charged to the voltage of -795kV, the LTGS is triggered by the laser, then a quasi-square electrical pulse with voltage -402kV, current 26kA and pulse width 128ns is obtained at the load. The delay time from the laser pulse to the load electrical pulse is 25ns. Gas switch filled with N2has smaller delay and jitter time compared with switch filled with SF6. Jitter time of the pulse is less than 1ns, when the accelerator is operated in the repetitive mode. Rise times of the output pulses voltage are also analyzed when the switch is self breakdown or laser triggered.

delay time; jitter time; pulse generator; laser triggered; gas switch

2015-12-16

國家自然科學(xué)基金項目(51177167)

殷 毅(1979-)， 男， 遼寧籍， 副研究員， 博士， 研究方向為脈沖功率技術(shù)及強(qiáng)流電子束源； 劉金亮(1964-)， 男， 湖南籍， 研究員， 博士， 研究方向脈沖功率技術(shù)及強(qiáng)流電子束源。

TN242

A

1003-3076(2016)11-0025-04