脈沖HF/DF激光器的高重復(fù)頻率觸發(fā)管型氣體火花開關(guān)

黃 超，黃 珂，朱 峰，唐 影，易愛平，錢 航

(激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 西北核技術(shù)研究所： 西安 710024)

放電引發(fā)非鏈?zhǔn)?HF/DF激光器的峰值功率高，脈沖能量大，可高重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，在激光生物醫(yī)學(xué)、大氣檢測、激光光譜和光電對(duì)抗等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是現(xiàn)階段備受關(guān)注的寬光譜中紅外激光源[1-9]。與其他脈沖氣體放電激光器類似，放電引發(fā)非鏈?zhǔn)紿F/DF激光器需一個(gè)快前沿、高電壓及大電流的快放電過程，實(shí)現(xiàn)大體積均勻體放電，進(jìn)而形成大脈沖能量輸出。開關(guān)作為激光器的重要部件，用于激光間隙脈沖高電壓的形成和主電容器儲(chǔ)能向激光介質(zhì)的高效轉(zhuǎn)移，是激光器實(shí)現(xiàn)快前沿、高電壓和大電流快放電的關(guān)鍵。

放電引發(fā)非鏈?zhǔn)紿F/DF激光器常使用SF6混合氣體作為工作介質(zhì)，與準(zhǔn)分子等其他氣體放電激光器相比，更難實(shí)現(xiàn)均勻放電。因此，對(duì)開關(guān)及放電引發(fā)系統(tǒng)的要求更高。氣體火花開關(guān)具有工作電壓高、通流能力強(qiáng)和導(dǎo)通快的特點(diǎn)，同時(shí)具備成本低廉及結(jié)構(gòu)形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，是放電引發(fā)非鏈?zhǔn)紿F/DF激光器較理想的選擇之一。自放電引發(fā)非鏈?zhǔn)紿F/DF激光器誕生以來，大量研究采用氣體火花開關(guān)產(chǎn)生快前沿、大電流及高壓脈沖引燃大體積均勻放電，獲得激光輸出[10-17]。1972年，美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室的Wekzel等[10]利用觸發(fā)管型氣體火花開關(guān)，建立了雙放電引發(fā)HF激光器，獲得了快放電引發(fā)過程，激光能量約為100 mJ；1973年，該實(shí)驗(yàn)室的Arnold等[11]利用氣體火花開關(guān)實(shí)現(xiàn)了前沿為30 ns的快放電過程，獲得1.4 J脈沖HF激光輸出；1980年，英國艾塞克斯大學(xué)物理系Hatch[12]同樣利用觸發(fā)管型氣體火花開關(guān)研制了一臺(tái)用于半導(dǎo)體材料處理的HF激光器，激光能量為167 mJ；2002年，俄羅斯科學(xué)院普通物理所Apollonov等[13]采用基于氣體開關(guān)的放電系統(tǒng)，獲得了407 J的HF激光和325 J的DF激光；2010年，俄羅斯科斯米洛夫州激光測試研究中心Bulaev等[14]利用氣體火花開關(guān)研制了20 Hz重復(fù)頻率HF激光器，脈沖能量為67 J；國內(nèi)西北核技術(shù)研究所[15]、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所[16]和中國科學(xué)院電子學(xué)研究所[17]開展了基于氣體火花開關(guān)的放電引發(fā)HF/DF激光技術(shù)研究，利用自動(dòng)紫外預(yù)電離放電結(jié)構(gòu)，使單脈沖能量達(dá)到焦耳量級(jí)。目前，對(duì)氣體火花開關(guān)及激光器高重復(fù)頻率運(yùn)行技術(shù)的研究較少，僅西北核技術(shù)研究所實(shí)現(xiàn)了100 Hz重復(fù)頻率HF/DF激光輸出[15]。

從國內(nèi)外研究情況分析，研究工作主要集中在氣體火花開關(guān)放電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以獲得大脈沖能量和高效HF/DF激光輸出，對(duì)氣體火花開關(guān)及放電系統(tǒng)高重復(fù)頻率運(yùn)行和可靠運(yùn)轉(zhuǎn)方面的研究鮮見報(bào)道，本文針對(duì)該方面開展研究工作。由于觸發(fā)管型氣體火花開關(guān)(簡稱開關(guān))在地電極中心開孔引入觸發(fā)電極針，降低了對(duì)外部觸發(fā)脈沖的要求，易實(shí)現(xiàn)受控觸發(fā)，且電極結(jié)構(gòu)有利于氣體循環(huán)，適合重復(fù)頻率運(yùn)行[18-20]。本文設(shè)計(jì)了緊湊的觸發(fā)管型開關(guān)，實(shí)驗(yàn)研究了開關(guān)的觸發(fā)特性和重復(fù)頻率放電特性，并用于放電引發(fā)非鏈?zhǔn)紿F/DF激光器，實(shí)現(xiàn)了激光器100 Hz高重復(fù)頻率可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，連續(xù)運(yùn)行10 s，無不受控放電現(xiàn)象發(fā)生。

1 開關(guān)結(jié)構(gòu)

為提高開關(guān)的工作可靠性，開關(guān)主電極設(shè)計(jì)為類半球頭結(jié)構(gòu)，直徑為30 mm，觸發(fā)電極位于地電極內(nèi)部，設(shè)計(jì)為盤形尖棱結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)開關(guān)間隙場畸變的同時(shí)增加了觸發(fā)電極的燒蝕周長，有利于延長開關(guān)的使用壽命。觸發(fā)電極和地電極之間采用尼龍蓋板徑向絕緣，蓋板表面設(shè)計(jì)多個(gè)凹槽，增加沿面閃絡(luò)距離，防止觸發(fā)電極與地之間的沿面滑閃。氣流從開關(guān)絕緣筒上的吹氣窗口流過放電區(qū)，且集中于放電區(qū)，保障開關(guān)間隙氣體介質(zhì)絕緣快速恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)高重復(fù)頻率運(yùn)行。開關(guān)主電極間隙設(shè)計(jì)為3～5 mm可調(diào)，觸發(fā)間隙為1.5 mm，開關(guān)絕緣介質(zhì)為高純氮?dú)?，最大工作氣壓約為0.5 MPa。圖1為觸發(fā)管型氣體火花開關(guān)外觀和結(jié)構(gòu)。

(a) Photography

(b) Structure圖1 開關(guān)外觀與結(jié)構(gòu)Fig.1 Photography and structure of the spark gas switch

良好觸發(fā)特性是開關(guān)受控導(dǎo)通的前提，是保證開關(guān)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，開關(guān)的觸發(fā)特性與觸發(fā)結(jié)構(gòu)及其引起的電場畸變程度密切相關(guān)。為使開關(guān)具有優(yōu)異的導(dǎo)通可控性，須提高開關(guān)間隙電場的畸變程度。開關(guān)主間隙電場強(qiáng)度及觸發(fā)間隙電場強(qiáng)度可表示為

(1)

其中：Eg，Et分別為主間隙電場強(qiáng)度和觸發(fā)間隙電場強(qiáng)度；Vg，Vt分別為高壓電極和觸發(fā)電極電壓；dg，dt分別為主間隙和觸發(fā)間隙的距離。

設(shè)定開關(guān)主間隙為5 mm，主電極電壓為-30 kV，觸發(fā)電壓為30 kV，根據(jù)式(1)，利用有限元方法對(duì)開關(guān)的靜電場進(jìn)行了分析，給出了有無觸發(fā)脈沖時(shí)開關(guān)間隙的電場強(qiáng)度分布，如圖2所示。由圖2可見：在開關(guān)主電極上加直流電壓，未加觸發(fā)脈沖時(shí)，由于觸發(fā)電極位于觸發(fā)孔內(nèi)，觸發(fā)電極的分壓電位與其所在位置的電位基本相同，觸發(fā)電極引起開關(guān)間隙的電場畸變非常小，開關(guān)間隙電場近似均勻直流電場；當(dāng)施加觸發(fā)脈沖時(shí)，開關(guān)間隙形成了強(qiáng)烈的電場畸變，電場強(qiáng)度最大為246 kV·cm-1，是未加觸發(fā)脈沖時(shí)的4倍以上。

(a) Without trigger pulse

(b) With trigger pulse圖2 有無觸發(fā)脈沖時(shí)開關(guān)間隙的電場強(qiáng)度分布Fig.2 Distribution of electrical field strength of switch gap

理論分析結(jié)果表明，未加觸發(fā)脈沖時(shí)，開關(guān)間隙的電場畸變非常小，開關(guān)間隙電場近似為直流均勻電場，可有效降低激光器直流充電過程中開關(guān)的自擊穿概率。觸發(fā)時(shí)刻開關(guān)間隙電場畸變非常顯著，電場增強(qiáng)區(qū)域最大值出現(xiàn)在觸發(fā)電極尖端處，開關(guān)將因觸發(fā)脈沖引起的電場畸變迅速導(dǎo)通，這增強(qiáng)了開關(guān)導(dǎo)通的可控性。綜合效果將提升開關(guān)及激光器高重復(fù)頻率運(yùn)行的可靠性。

2 開關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 觸發(fā)特性

觸發(fā)管型開關(guān)存在慢、快2種觸發(fā)擊穿機(jī)制[18]。慢觸發(fā)機(jī)制為開關(guān)觸發(fā)首先發(fā)生在觸發(fā)電極和地電極之間，觸發(fā)間隙放電等離子體紫外輻射引起主間隙氣體的光電離，導(dǎo)致開關(guān)被擊穿；快觸發(fā)機(jī)制為開關(guān)觸發(fā)首先發(fā)生在觸發(fā)電極和高壓電極之間，主間隙放電由觸發(fā)電極頂部流注引起。

觸發(fā)管型開關(guān)的觸發(fā)特性受觸發(fā)擊穿機(jī)制影響很大，圖3和圖4為不同觸發(fā)機(jī)制下開關(guān)延時(shí)tdelay和抖動(dòng)tjitter隨電壓U的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)條件：開關(guān)主間隙為4 mm；氣體介質(zhì)氣壓為0.35 MPa；開關(guān)電壓-16～-30 kV可調(diào)；觸發(fā)電壓正負(fù)30 kV可選。開關(guān)延時(shí)tdelay為單脈沖模式重復(fù)30個(gè)脈沖的平均值，抖動(dòng)tjitter為該組脈沖延時(shí)的極差。由圖3和圖4可見：當(dāng)開關(guān)的觸發(fā)電壓為正脈沖時(shí)，開關(guān)主間隙上的電場強(qiáng)度為115～150 kV·cm-1，大于開關(guān)自擊穿電場強(qiáng)度，開關(guān)工作在“快觸發(fā)機(jī)制”下，開關(guān)延時(shí)和抖動(dòng)相對(duì)較小，在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)開關(guān)的延時(shí)和抖動(dòng)均在100 ns以內(nèi)；當(dāng)開關(guān)的觸發(fā)脈沖為負(fù)極性時(shí)，開關(guān)主間隙上的電場強(qiáng)度很低，小于28 kV·cm-1，低于開關(guān)自擊穿電場強(qiáng)度，開關(guān)工作在“慢觸發(fā)機(jī)制”下，開關(guān)延時(shí)和抖動(dòng)相對(duì)較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開關(guān)工作在快觸發(fā)機(jī)制時(shí)，導(dǎo)通更加容易。因此，實(shí)驗(yàn)中選擇開關(guān)工作在快觸發(fā)機(jī)制下。

(a) tdelay vs. U

(b) tjitter vs. U圖3 觸發(fā)電壓為-30 kV時(shí)，開關(guān)的延時(shí)及抖動(dòng)隨電壓的變化關(guān)系Fig.3 Delay time and jitter time vs. voltage at triggering voltage of -30 kV

(a) tdelay vs. U

(b) tjitter vs. U圖4 觸發(fā)電壓為+30 kV時(shí)，開關(guān)的延時(shí)及抖動(dòng)隨電壓的變化關(guān)系Fig.4 Delay time and jitter time vs. voltage at triggering voltage of +30 kV

2.2 重復(fù)頻率特性

通常情況下，開關(guān)運(yùn)行頻率越高，絕緣恢復(fù)時(shí)間越短，則自放電概率越大，重復(fù)頻率運(yùn)行穩(wěn)定性也就越差，反之則越好。開關(guān)重復(fù)頻率特性主要由氣體介質(zhì)的絕緣恢復(fù)速度決定，而絕緣恢復(fù)速度又與氣壓、工作電壓和吹氣速率等因素密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)中通過改變以上實(shí)驗(yàn)條件來研究開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行可靠性。

2.2.1 氣壓對(duì)重復(fù)頻率的影響

首先對(duì)無吹氣開關(guān)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。重復(fù)頻率不同時(shí)，開關(guān)連續(xù)運(yùn)行100個(gè)脈沖的自擊穿概率隨氣壓的變化關(guān)系如圖5所示。實(shí)驗(yàn)條件：開關(guān)主間隙為4 mm；充電電壓為-30 kV；氣壓為0.3～0.45 MPa；觸發(fā)電壓為30 kV。由圖5可見，3種重復(fù)頻率下，開關(guān)擊穿概率均呈隨氣壓升高而減小的趨勢。當(dāng)氣壓大于0.425 MPa時(shí)，開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行相對(duì)可靠，此時(shí)基本無自擊穿現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)于重復(fù)頻率氣體火花開關(guān)，開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行的自擊穿概率與開關(guān)欠壓比和開關(guān)絕緣恢復(fù)相關(guān)。一方面氣體的氣壓越高，開關(guān)的欠壓比越小，開關(guān)工作越穩(wěn)定，自擊穿概率越?。涣硪环矫鏆鈮荷邔?dǎo)致氣體分子密度增大，氣體分子間碰撞的概率增大，原放電通道內(nèi)沉積的熱量更易通過傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射傳遞出去，有利于開關(guān)間隙氣體在脈沖間隔時(shí)間內(nèi)的絕緣性能恢復(fù)，即在下一個(gè)脈沖達(dá)到時(shí)，開關(guān)氣體間隙的絕緣能力達(dá)到與前一個(gè)脈沖相當(dāng)?shù)乃?，進(jìn)而改善開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖5 重復(fù)頻率不同時(shí)，開關(guān)連續(xù)運(yùn)行100個(gè)脈沖的自擊穿概率隨氣壓的變化關(guān)系Fig.5 Self discharge ratio vs. air pressure of the switch at different frequencies with 100 pulses

2.2.2 電壓對(duì)重復(fù)頻率的影響

開關(guān)導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的熱量取決于放電弧柱產(chǎn)生的熱量，而電壓對(duì)放電弧柱產(chǎn)生的熱量有很大影響。當(dāng)電壓為-23～-30 kV，開關(guān)主間隙為4 mm，氣壓為0.3 MPa，觸發(fā)電壓為+30 kV，重復(fù)頻率為100 Hz是，開關(guān)自放電概率隨電壓的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行時(shí)自放電概率隨電壓的變化關(guān)系Fig.6 Self discharge ratio vs. voltage of the switch

由圖6可見，開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行時(shí)，自放電概率隨電壓的升高而迅速上升，電壓越高，曲線的斜率越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高電壓條件下，重復(fù)頻率運(yùn)行穩(wěn)定性迅速下降。這是因?yàn)?，隨著電壓的升高，放電弧柱產(chǎn)生的熱量增多，相應(yīng)的氣體介質(zhì)溫度上升和放電殘余物濃度增高，導(dǎo)致氣體絕緣恢復(fù)難度增大和恢復(fù)時(shí)間增長，開關(guān)間隙在脈沖間隔時(shí)間內(nèi)不能完全回復(fù)，重復(fù)頻率運(yùn)行穩(wěn)定性降低。

2.2.3 吹氣速率對(duì)重復(fù)頻率的影響

主間隙氣體絕緣恢復(fù)是開關(guān)重復(fù)頻率穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，吹氣是提高主間隙氣體絕緣恢復(fù)的重要技術(shù)途徑之一，為確保在脈沖間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)主間隙氣體介質(zhì)的有效置換，吹氣速率是需研究的重要參數(shù)之一。當(dāng)開關(guān)主間隙為4 mm，氣壓為0.3 MPa，電壓為-27 kV，觸發(fā)電壓為+30 kV，重復(fù)頻率為100 Hz時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究了吹氣速率對(duì)開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。開關(guān)自放電概率隨吹氣速率的變化關(guān)系如圖7所示。由圖7可見，吹氣時(shí)，開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行的自放電概率可得到有效抑制，但過快的吹氣速率并不能帶來好的效果。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)吹氣速率大于5 m·s-1時(shí)，開關(guān)100 Hz重復(fù)頻率運(yùn)行的自放電概率反而逐漸增大，開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性變差。這是因?yàn)橥ㄟ^吹氣置換開關(guān)主間隙的氣體，加速了開關(guān)主間隙氣體絕緣恢復(fù)速率，在重復(fù)頻率脈沖間隔時(shí)間內(nèi)，主間隙內(nèi)氣體絕緣恢復(fù)更加充分，開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行穩(wěn)定性逐漸變好。然而，由于開關(guān)氣路較簡單，設(shè)計(jì)為單個(gè)相對(duì)進(jìn)出氣口，吹氣速率較高時(shí)，開關(guān)間隙內(nèi)部氣體流程紊流，將影響開關(guān)間隙電場分布，使開關(guān)自放電概率增加。為獲得更好的吹氣效果，后續(xù)將對(duì)開關(guān)吹氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖7 開關(guān)自放電概率隨吹氣速率的變化關(guān)系Fig.7 Self discharge ratio vs. flowing rate of the switch

2.3 討論

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，高電壓和高重復(fù)頻率均大大提高了開關(guān)重復(fù)頻率穩(wěn)定運(yùn)行的難度，其根源在于開關(guān)主間隙內(nèi)氣體絕緣恢復(fù)不充分，間隙絕緣性能下降。提升開關(guān)間隙氣體壓強(qiáng)和利用吹氣實(shí)現(xiàn)開關(guān)主間隙氣體有效置換等技術(shù)方法，可加速開關(guān)間隙氣體絕緣恢復(fù)，降低或避免開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行過程中出現(xiàn)自擊穿現(xiàn)象的概率。對(duì)于放電引發(fā)非鏈?zhǔn)紿F/DF激光器，設(shè)計(jì)的最大工作電壓為-30 kV，本文重點(diǎn)考慮開關(guān)電壓為-30 kV時(shí)的運(yùn)行參數(shù)。不吹氣時(shí)，開關(guān)實(shí)現(xiàn)-30 kV重復(fù)頻率100 Hz無自放電現(xiàn)象穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所需的氣壓為0.425 MPa；且吹氣速率適當(dāng)時(shí)，可進(jìn)一步增強(qiáng)開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外，考慮到氣體放電具有一定隨機(jī)性，且開關(guān)工作系數(shù)太低不利于觸發(fā)導(dǎo)通，因此，選定開關(guān)在電壓為-30 kV條件下的最佳工作參數(shù)：主間隙為4 mm；絕緣氣體為高純氮?dú)猓粴鈮簽?.425～0.45 MPa；觸發(fā)電壓為+30 kV；吹氣速率為3～5 m·s-1。

3 開關(guān)的應(yīng)用

用觸發(fā)管型氣體火花開關(guān)作為放電引發(fā)脈沖HF/DF激光器的主開關(guān)，HF/DF激光器等效電路如圖8所示。激光器運(yùn)行時(shí)，負(fù)極性高壓電源給激光器儲(chǔ)能電容充電至設(shè)定電壓，此時(shí)開關(guān)加載了相應(yīng)的直流高壓；然后，觸發(fā)器發(fā)出異極性高壓觸發(fā)脈沖，觸發(fā)開關(guān)受控導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容上的電壓反向作用到放電腔室的陽極高壓電極上，峰化間隙導(dǎo)通，在激光器放電區(qū)域形成強(qiáng)烈的紫外預(yù)電離，主間隙導(dǎo)通輸出HF激光。按照要求的頻率重復(fù)上述過程，激光器實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖8 HF/DF激光器等效電路Fig.8 Equivalent circuit of HF/DF laser

重復(fù)頻率調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，放電引發(fā)非鏈?zhǔn)紿F/DF激光器及開關(guān)的具體工作條件：電壓為-30 kV；絕緣氣體為高純氮?dú)?；氣壓?.45 MPa；開關(guān)主間隙為4 mm；吹氣速率為5 m·s-1；觸發(fā)電壓為+30 kV。實(shí)驗(yàn)獲得HF/DF激光器100 Hz連續(xù)運(yùn)行1 000個(gè)脈沖的觸發(fā)和放電電壓的包絡(luò)波形，如圖9所示。由圖9可見，放電引發(fā)非鏈?zhǔn)紿F/DF激光器重復(fù)頻率運(yùn)行過程中，開關(guān)未出現(xiàn)自擊穿現(xiàn)象和誤觸發(fā)問題，異常放電概率為0，開關(guān)工作狀態(tài)良好。圖10為HF/DF激光器輸出1 000個(gè)脈沖的能量曲線。由圖10可見，開關(guān)及激光器實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間重復(fù)頻率可靠放電，100 Hz重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性良好。另外，發(fā)現(xiàn)開關(guān)的延時(shí)抖動(dòng)有所增加，約為592 ns，這可能是長時(shí)間放電導(dǎo)致開關(guān)氣體溫度升高所致。

圖9 HF/DF激光器100 Hz連續(xù)運(yùn)行1 000個(gè)脈沖的觸發(fā)和放電電壓的包絡(luò)波形Fig.9 Envelope waveforms of trigger and discharge voltage of 1 000 pulses for HF/DF laser at 100 Hz

圖10 HF/DF激光器輸出1 000個(gè)脈沖的能量曲線Fig.10 Energy curve of 1 000 pulses for HF/DF laser

4 結(jié)論

本文研制了一種用于放電引發(fā)脈沖HF/DF激光器的觸發(fā)管型氣體火花開關(guān)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了開關(guān)的觸發(fā)結(jié)構(gòu)，利用有限元方法分析了開關(guān)間隙的電場分布，發(fā)現(xiàn)僅加載直流高壓時(shí)開關(guān)間隙電場近似為直流均勻電場，當(dāng)觸發(fā)脈沖到達(dá)后開關(guān)間隙形成了強(qiáng)烈的場畸變，這有利于實(shí)現(xiàn)開關(guān)重復(fù)頻率穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)研究了開關(guān)的觸發(fā)特性，獲得了開關(guān)快/慢2種觸發(fā)機(jī)制下的延時(shí)與抖動(dòng)。發(fā)現(xiàn)開關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)在快觸發(fā)機(jī)制時(shí)，導(dǎo)通快，延時(shí)抖動(dòng)小，有利于開關(guān)觸發(fā)受控導(dǎo)通，可增強(qiáng)開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行穩(wěn)定性。

在快觸發(fā)機(jī)制下，對(duì)開關(guān)重復(fù)頻率穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)提高電壓和重復(fù)頻率，開關(guān)重復(fù)頻率穩(wěn)定運(yùn)行難度大大提升，主要原因是開關(guān)主間隙內(nèi)氣體絕緣恢復(fù)不充分，間隙絕緣性能下降。增大絕緣氣體壓強(qiáng)和利用吹氣可加速開關(guān)間隙氣體絕緣恢復(fù)，改善開關(guān)重復(fù)頻率運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)氣體氣壓小于0.425 MPa，工作電壓為-30 kV時(shí)，開關(guān)實(shí)現(xiàn)了100 Hz重復(fù)頻率可靠運(yùn)行。

將開關(guān)用于放電引發(fā)非鏈?zhǔn)紿F/DF激光器，當(dāng)電壓為-30 kV，氣壓為0.45 MPa，開關(guān)主間隙為4 mm，吹氣速率為5 m·s-1，觸發(fā)電壓為+30 kV時(shí)，開關(guān)及激光器實(shí)現(xiàn)了100 Hz重復(fù)頻率長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，并獲得了焦耳量級(jí)的激光輸出。