多棒型激光触发真空开关时延特性的研究

毛晓坡 何正浩 王 英 樊文芳 林华中 谈发力

(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074 2.激光技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074)



多棒型激光触发真空开关时延特性的研究

毛晓坡1何正浩1王 英2樊文芳1林华中2谈发力1

(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074 2.激光技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074)

介绍了激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)的基本结构和工作原理，对初始等离子体的产生和扩展所涉及的物理过程进行详细分析，并对其工作在不同的间隙电压、激光波长、激光能量和极性配置下开展了一系列实验。通过对开关结构的改进提高了开关的耐流能力；间隙距离的增加，使其耐压能力得到提高；独特的触发片结构设计，降低了开关对激光能量的依赖，减少了开关的时延。

激光触发真空开关 时延 初始等离子体

0 引言

激光触发真空开关作为一种新型的高压大电流装置中的重要控制器件，结合激光技术和脉冲功率技术，是未来强流开关发展方向之一[1-3]。目前国内外相关研究文献很少，关于LTVS特性的研究处于起步阶段，例如时延特性。LTVS由于采用激光触发，避免了触发装置的电磁干扰、激光脉宽窄、上升时间快、功率密度高，在脉冲功率技术中具有广阔的发展前景。以往的LTVS的间隙距离小于5 mm，难以承受较高电压，开关结构设计为平面型，难以耐受较高电流，触发电极位于阴极内，增加了激光能量和导通时延。本文设计的LTVS的开关结构为多棒极，间隙距离为12 mm，触发电极结构设计为圆锥型，置于阴极之上，增大了触发片面积，使触发片寿命得到提高，且减少了对激光能量的要求。触发电极的材料是5 g钛粉(直径8 μm)和5 g氯化钾(直径300 μm)的混合物。选择氯化钾的原因是其具有良好的温度—蒸汽压力特征(当达到一定温度时，固态材料蒸发为气态)和低电离能，钛粉的作用是吸收激光辐射。单独使用钛粉和氯化钾均需要很高的激光能量，而使用这种混合材料可有效减少需要的激光能量，缩短开关的抖动时延[4，5]。当触发激光聚焦在触发电极上时，钛粉吸收激光能量，将热量传递给氯化钾，氯化钾固态受热挥发成气态，在光场和电场的共同作用下，多光子电离氯化钾产生初始等离子体(Cl-和K+)，初始等离子体加速向电极运动，撞击电极表面，产生大量电子、金属离子和金属蒸汽，电子、金属离子和金属蒸汽在电场作用下，进一步发生碰撞电离，释放更多的电子、离子和金属蒸汽，放电通道形成，开关导通[6-9]。

本文通过实验研究，解释了多棒极型LTVS在不同的间隙电压、激光波长、激光能量和开关极性配置等情况下的导通时延特性，从而为优化其导通性能提供理论依据，满足精确控制度的要求。

1 实验装置

以往研究的LTVS结构都是平面型的，弊端是容易造成真空电弧集中烧蚀电极，制约了开关的通流能力，本文借鉴电气触发真空开关(Electrical Triggered Vacuum Switch，ETVS)的结构，设计了多棒极型LTVS的结构，电极之间存在多个放电间隙，真空电弧同时在多个电极之间产生，消除电弧集中烧蚀电极的难题。多棒极型激光触发真空开关的主电极由多对棒状电极并联构成，正负交错排列，呈环状排布[10-12]。开关结构如图1所示，阳极和阴极之间放电间隙如图中7所示。主要包括绝缘外壳、金属屏蔽罩、激光照射窗口、一对相距为L的主电极和触发电极，管内真空度维持在1×10-4Pa以下。而且以往研究的触发电极放置在阴极内，目的是防止开关电弧放电烧蚀触发电极，而且放置的深度越大，所需的激光能量和开关的时延越大，原因是激光烧蚀产生的初始等离子体部分消失在阴极内，不能有效参与电弧放电。这种放置方法的另一个困难是难以观察激光照射触发电极的情况，包括位置和光斑大小。而本文设计的多棒极型LTVS，因为多个放电间隙的存在，能有效减少真空电弧对于触发电极的烧蚀，通过实验观察，触发电极无电弧烧蚀的现象存在。圆锥型的触发电极放置于阴极之上，不仅有利于观察激光照射触发电极的情况，且大大减小了所需激光的能量，产生初始等离子体稳定可靠，可缩小开关时延[13-17]。

1.绝缘外壳 2.金属屏蔽罩 3.激光入射窗口4.阳极 5.阴极 6.触发电极 7.放电间隙图1 两种型式的LTVS结构Fig.1 Drawing of the LTVS

实验中采用的光学装置平台如图2所示，全反镜、电光调Q开关、偏振片、ND：YAG激光器和半透镜构成谐振腔。分束器把激光分为两束，一束经光电探测器传递到示波器，得到触发波形，示波器的型号是安捷伦DS0-X3104A。剩余的光束通过聚焦镜后照射到触发电极，得到初始等离子体。

图2 光学装置平台Fig.2 Optical device platform

实验中LTVS电路图如图3所示，电源、调压器、变压器、保护电阻、硅堆和储能电容构成充电电路，储能电容、假负载和LTVS构成放电电路。高压表读取电容电压值，开关电压波形通过TEKP6015高压探头测量。储能电容和水电阻构成保护电路，确保开关不能正常工作时，降低电容电压。

图3 LTVS实验电路图Fig.3 Experimental circuit diagram

2 实验及其结果分析

LTVS的时延特性与激光触发脉冲的波长、能量、间隙电压及极性等有着紧密联系。LTVS的时延定义为触发激光脉冲波形开始到主电压开始下降所经历的时间，时延的测量为20次导通时延的平均值[18-20]。图4为多棒极LTVS放电电压波形，正极性下，主电压为5.5 kV，激光能量为22.4 mJ，波长为1 064 nm，从得到激光触发信号到主电压开始下降的时延td为20 ns。

图4 LTVS时延波形Fig.4 The discharge waveform of LTVS

2.1 时延和波长及电压的关系

电光调Q开关600 V，相应激光能量22.4 mJ，正极性(触发极位于阴极)。图5中，随着激光波长的减小，开关的导通时延缩短。开关的触发延迟时间随激光波长的减小而迅速下降。这是因为激光波长变短，光子能量增大，多光子电离效应增强，同样激光功率密度下，自由电子产额上升，放电通道的形成时延减小。当间隙电压大于4 kV时，开关的时延趋于稳定。同时，在激光脉冲能量不变的情况下，开关的时延随电压上升呈逐步下降趋势。这是因为在开关闭合过程中，激光只是起触发作用，提供初始电子，当聚焦于激光触发隙的激光脉冲到达时，焦点处的触发极材料挥发成气体，并被电离，而开关的闭合是在电场作用下形成流注的过程。工作电压越高，流注形成速度越快，开关延迟也就越小。

图5 两种波长的LTVS时延Fig.5 LTVS time delay under two kinds of waveform

2.2 时延和激光能量的关系

激光的脉冲波长为1 064 nm，正极性(触发极位于阴极)。图6中，当激光能量为11.9 mJ时，LTVS时延最大，大于30 ns，其他情况下，时延均在25 ns以下。随着激光能量的增加，触发时延有减小的趋势。这是由于激光辐照能量的提高，引起更多的触发材料挥发，产生的初始等离子体增多，以使放电通道更快地形成。当激光能量大于22.4 mJ后，初始等离子体数量和主电压大小对时延的影响相对不大，这是时延受开关本体参数影响。

图6 不同激光能量的多棒极LTVS时延Fig.6 LTVS time delay under different laser energy

2.3 开关的极性效应

激光脉冲波长为1 064 nm，负极性下(触发极位于阳极)，激光能量分别为22.4 mJ、27.6 mJ、37.6 mJ和41.5 mJ，间隙电压分别从1 kV上升到7 kV。通过实验可观察到，开关在各条件下均可导通，但不能稳定导通，常需要多次脉冲才可导通。开关导通时的时延比在正极性情况下长了很多。图7是负极性下典型波形。

图7 负极性时LTVS波形Fig.7 Waveform under negative mode

从图7中可看出，在负极性模式下，主电压为5 kV，导通时延4.5 μs，下降过程伴随着剧烈的振荡，而且下降过程持续时间较长，放电时延较大。分析比较在负极性模式下，主间隙的导通时延比正极性模式的长。虽然在激光触发的情况下，产生的初始等离子体都是氯离子和钾离子，但在正极性模式下，初始等离子体产生以后，钾离子向阴极运动，运动距离短，高温的钾离子轰击阴极表面，使其大量蒸发和溅射，产生大量电子、金属离子和金属蒸汽，金属原子和电子离开阴极，而正离子则被阴极所吸引，扩散到主间隙的带电粒子主要以电子为主，电子的质量远小于正离子的质量，因此在相同电场作用下，其扩散的速度比正离子快很多。而在负极性模式下，氯离子撞击主阳极表面，扩散到主间隙的带电粒子主要以离子为主，但离子的质量远大于电子的质量，其形成和扩散都较缓慢。

3 结论

和以往LTVS相比，本文设计的多棒极型LTVS的开关间隙距离大，增加了开关的耐受电压值，多棒极型电极结构提高了开关的通流能力；独特的触发片结构，增大了触发面积，提高了触发寿命，更利于观察光斑的位置；触发片置于电极之上，而不是内置于电极，有效减小激光触发能量，缩小初始等离子体运动距离，减少初始等离子体在电极内的损失，从而减小触发时延。

本文对多棒极型LTVS工作在不同间隙电压、激光波长、激光能量和开关极性效应的时延进行了测试。结果表明，间隙电压越大，初始等离子体运动速度越快，导通时延小；激光波长越小，单光子能量越大，产生的初始等离子体越多，导通时延小；当工作在正极性配置下，有利于阴极斑点的形成，工作可靠性高，导通时延小；多棒极LTVS实现了电弧的多间隙同时发展，避免了主电弧的快速集聚，从而具备更大的通流能力；触发片置于电极之上，减少了初始等离子体的损失，导通时延小。

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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

国家自然科学基金(51377071)、中央高校基本科研业务费(HUST：2010JC018)资助项目。

2014-11-24 改稿日期2014-12-26

TM46

毛晓坡 男，1983年生，博士研究生，研究方向为高电压绝缘与放电、脉冲功率技术。

何正浩 男，1957年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压绝缘与放电、脉冲功率和环境等离子体技术。(通信作者)