激光触发开关同步特性的研究

殷毅，杨杰，钟辉煌，刘金亮，李志强，黄俊

(国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙410073)

激光触发开关同步特性的研究

殷毅，杨杰，钟辉煌，刘金亮，李志强，黄俊

(国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙410073)

利用高压电容放电开关试验平台，对两个氮气气体开关在266nm脉冲激光触发作用下开关的工作特性进行了研究。实验结果表明:两个开关的延时、抖动随激光能量的增加、欠压比的增大而减小。激光能量5.5mJ时，每个开关电压抖动时间达到了亚纳秒量级，但是两个开关的延时时间差大于1ns;当激光能量大于8mJ时，两开关导通的延时时间差达到了亚纳秒量级，可认为两开关同步导通。

延时;抖动;同步特性;激光触发;气体开关

1 引言

气体火花开关结构简单、工作电压高，并且具有较高的dI/dt，在高功率脉冲功率系统中得到广泛的应用［1-3］，其工作方式主要有自击穿、电脉冲触发或激光脉冲触发［4-6］。由于激光触发开关(LTGS)具有延迟及抖动小、预击穿概率低、可远程控制等优点，是今后多台脉冲功率装置、多个开关同步运行的关键技术，因此开展激光触发开关的研究具有重要意义。国内外对激光触发开关开展了较多研究，如激光触发沿面闪络开关［7］、针对于SF6气体的激光触发开关的研究等等［8-10］。本文利用搭建的激光触发开关的实验平台，对两个氮气气体开关在266nm脉冲激光作用下，开关的同步工作特性进行了研究。

2 激光触发开关实验平台

搭建了激光触发气体开关的实验平台，实验装置等效电路如图1所示［11］，其中R1、R2分别为水电阻分压器的高压臂、低压臂电阻，L1、L2为相应回路中电感，RL为负载电阻，C为高压电容器，电容大小为80nF;实验装置结构图如图2所示，激光依次通过两片全反镜、聚焦透镜、两片高透光率石英玻璃后，聚焦于两电极中心处。实验中所使用的激光器是一台氙灯放电泵浦、晶体电光调Q的Nd:YAG激光器，激光脉冲宽度约10ns。开关外筒内直径为368mm，与负载相连接电极直径为70mm，留有直径4mm的激光通孔，另一侧开关电极直径为50mm。

图1 激光触发开关实验平台等效电路图Fig．1Equivalent circuit of LTGS test-bed

根据静电场条件下满足的物理方程式(1)，利用有限元软件对开关静电场分布进行模拟。

式中，ε0、εr为介质的介电常数和相对介电常数;V为电压值;q为电荷。

假设左侧电极电势为600kV，右侧电极接地，电极间距2.5cm，图3给出了开关中沿着两电极间轨迹线1、2、3上电场强度的数值大小，可以看出开关两电极间电场基本均匀分布，右侧电极中心开有直径为4mm的激光通孔，激光通孔的存在对开关电极中心电场强度基本没有影响，仅在靠近通孔的1～2mm处电场强度有变化。

图2 激光触发开关实验平台结构图Fig．2Schematic of LTGS test-bed

图3 开关中心处不同轨迹上电场强度分布Fig．3Electric field distribution along centre line of two electrodes

3 典型试验波形以及数据处理方法

在开关电极间距1.1cm、开关内气体为0.1MPa氮气、自击穿电压约32kV时，进行了不同参数下实验研究，主要测量了开关导通的延时和抖动。开关的延时是指激光脉冲到达时刻与放电电压起始时刻之差，实验中给出的延时平均值为该参数下至少十次以上数据的平均值，采用式(2)计算;开关的抖动是击穿时延的标准差，采用式(3)计算。

式中，td为开关的平均延时时间;tdi为开关每次实验时的延时时间;tj即为开关的抖动;n为同一条件下开关的工作次数。

图4为实验中典型波形，激光脉冲信号的测量采用DET210光电二极管，负载电压测量采用具有纳秒响应时间的水电阻分压器。为保证测量结果的准确性，实验中测量电压与光信号的电缆长度一致。

图4 激光触发开关实验典型实验波形Fig．4Typical waveforms of LTGS

4 实验研究

4.1 不同激光波长触发实验研究

在焦距72cm(532nm和1064nm激光)和64cm (266nm激光)情况下，将不同波长激光触发下开关的工作特性进行比较，得到的延时和抖动特性如图5和图6所示。可以看出，266nm激光触发能量阈值明显小于1064nm和532nm，且延时、抖动小，如对于8.5mJ@266nm激光，其延时时间为9ns，抖动在亚纳秒;对于99.5mJ@532nm和107.1mJ@ 1064nm激光，其延时时间分别为10.4ns、11.8ns，抖动在亚纳秒。

图5 三个波长激光不同能量下延时对比Fig．5Delay time of LTGS with different wavelengths

4.2 两个开关的同步触发特性研究

图6 三个波长激光不同能量下抖动对比Fig．6Jitter time of LTGS with different wavelengths

开关的同步性是脉冲功率装置同步运行的关键技术。本文开展了单束激光分成两束同步触发两个气体开关的研究。实验装置示意图如图7所示，实物图如图8所示。根据前面的研究，选择266nm激光，激光透镜焦距64cm，进行两开关的触发实验。激光光路通过等光程设计，保证激光同时到达两开关内。通过对激光光信号和两个开关负载上电压进行测量，可得到两开关的延时、抖动特性，进而分析两开关的同步工作特性。

图7 两开关同步触发实验装置示意图Fig．7Schematic of synchronous operated LTGSs

实验中所用的电容器与触发单个开关时一致，为80nF。保持激光能量15mJ不变，在不同欠压比(PSB)下实验波形如图9所示;保持开关欠压比85%不变，不同激光能量下得到的实验波形如图10所示。图中波形是利用示波器的余辉模式，重频1Hz时，10次波形的叠加图。图9和图10中纳秒数表示示波器横轴每格代表的时间。

图8 两开关同步触发实验装置实物图Fig．8Picture of synchronous operated LTGSs

图9 不同欠压比下两负载波形Fig．9Waveforms of load voltage with different percentages of self-breakdown voltage

图10 不同能量下两负载波形Fig．10Waveforms of load voltage with different laser energy

假设开关1、2对应的平均延时时间分别为Td1和Td2，两开关延时时间Td1和Td2差的绝对值表示为delt(t)。实验中由于半透半反镜、多个全反镜的调节精度，以及开关结构、位置等方面不是完全一致，因此触发两个开关的能量会略有差别，开关1的入射激光相对开关2略大约3%，因此延时时间Td1略小于Td2。实验中激光能量取两开关入射能量的平均值，不同欠压比下、不同能量下实验数据如图11和图12所示。

从图9和图11可以看出在50%欠压比下两个电脉冲延时时间不一致，而且每个脉冲都存在抖动，图中直观表现就是波形重叠性不好;70%欠压比下每个脉冲抖动基本在亚纳秒，但延时时间不一致; 80%欠压比时，两开关延时时间趋于一致，图中直观表现就是所有波形一致性好、重叠在一起。从图10和图12中可以看出当激光能量5.5mJ时，每个开关电压波形基本重合在一起，但延时时间不一致，当激光能量大于8mJ时，两开关导通的延时时间基本一致，可认为此时两开关同步导通。

图11 不同欠压比下两开关延时Fig．11Delay times of switches with different percentages of self-breakdown voltage

图12 不同激光能量下两开关延时Fig．12Delay time of switches with different laser energy

5 结论

利用高压电容放电开关试验平台，对两个氮气气体开关在266nm脉冲激光触发作用下开关的同步工作特性进行了研究。给出了重频1Hz运行时，不同欠压比、不同激光能量下的开关负载电压波形叠加图。通过实验研究表明:两个开关的延时、抖动随激光能量的增加、欠压比的增大而减小。激光能量5.5mJ时，每个开关电压抖动时间达到了亚纳秒量级，但是两个开关的延时时间并不一致;当激光能量大于8mJ时，两开关导通的延时时间小于1ns。实验结果为今后开展多个开关的同步运行提供了参考。

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Investigation of synchronous characteristic of laser triggered gas switches

YIN Yi，YANG Jie，ZHONG Hui-huang，LIU Jin-liang，LI Zhi-qiang，HUANG Jun
(College of Opto-electric Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Using the high voltage capacitor discharge gas switch test bed，the synchronous characteristics of two nitrogen filled laser triggered gas switches are experimentally investigated．The laser pulse with wavelength of 266 nm and pulse width～10 ns is used to trigger the gas switch．The results show that the delay time and jitter time of the gas switch are both decreased as the laser energy increasing．As the percentage of self-breakdown voltage increasing，the delay and jitter time are also decreased．At the laser energy 5.5 mJ，the jitter time of the single gas switch breakdown voltage is at the range of sub-nanosecond，however，the difference of two delay times of the two switches are greater than one nanosecond．At the laser energy of 8.8 mJ，the difference of two delay times of the two switches is at the range of sub-nanosecond;therefore the two switches can be regarded as synchronously operated．

delay time;jitter time;synchronous;laser triggered;gas switch

TN242

A

1003-3076(2014)11-0056-05

2013-05-23

国家自然科学基金资助项目(11075209;11075210)

殷毅(1979-)，男，辽宁籍，副研究员，博士，研究方向为脉冲功率技术;杨杰(1985-)，男，陕西籍，博士研究生，从事高功率微波研究。