平面圓盤型激光觸發真空開關觸發機制研究

毛曉坡 何正浩 王 英 樊文芳 林華中 宋思齊 談發力

(1.強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學) 武漢 430074 2.激光技術國家重點實驗室(華中科技大學) 武漢 430074)

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平面圓盤型激光觸發真空開關觸發機制研究

毛曉坡1何正浩1王 英2樊文芳1林華中2宋思齊1談發力1

(1.強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學) 武漢 430074 2.激光技術國家重點實驗室(華中科技大學) 武漢 430074)

高壓強流脈沖開關是脈沖功率技術的重要控制單元，觸發真空開關(Triggered Vacuum Switch，TVS)具有通流容量大，介質恢復速度快、欠壓比小等特點，但它存在導通時延長、抖動大、容易誤觸發等問題。設計了長間隙激光觸發真空開關(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)，LTVS的導通機制涉及激光燒蝕，激光照射目標材料，參與導電的物質有原子、離子、自由電子和微粒。當LTVS間隙距離為12 mm、耐受電壓為30 kV時，為保證LTVS可靠導通，使用激光能量為50 mJ，激光波長為1 064 nm，距離陰極端面為0 mm時，LTVS的導通時延為1 μs，抖動時延為50 ns，由于激光的能量穩定，保證了LTVS的抖動時延小。使用激光觸發的方式，可以縮短導通時延，隔離電磁干擾，消除開關的誤觸發現象。

激光觸發真空開關 目標電極 觸發機制 導通時延 抖動時延

0 引言

LTVS是一種具有承受高電壓和大電流的大功率脈沖開關，是采用激光觸發的真空開關。觸發真空開關存在導通時延長、抖動大和容易誤觸發的問題。與電氣觸發真空開關相比，由于采用激光觸發，觸發過程不受電磁干擾，沒有誤觸發問題，導通時延短，抖動小，具有TVS通流能力強、介質恢復速度快等優點[1-3]。P.J.Brannon等[4]提出建立兩種裝置關斷真空開關，首先熱裝置產生初始電流，然后離子再生裝置積累電流。需要指出的是，關于LTVS的研究，大都是一種原理性試探試驗，間隙距離都較小。本文設計的LTVS間隙距離為12 mm，設計的耐壓與通流能力都非常接近現有觸發真空開關參數。

觸發極的設計是激光觸發真空開關和電氣觸發真空開關的最大區別。激光觸發真空開關閉合的觸發源是激光，激光誘導目標電極，其表面燒蝕的物質以原子、離子、自由電子和微粒的形式從表面濺出，在高壓電場的作用下，形成初始等離子體[5]。在此過程中，激光燒蝕可能是產生初始等離子體的原因[6]。

1 觸發機理分析和材料與電極結構設計

目標材料組成和所在陰極位置，關系到能否觸發成功、觸發所需能量和觸發的過程。觸發極目標材料采用鈦粉(直徑8 μm)和氯化鉀(直徑300 μm)的混合物，鈦粉的作用是吸收激光的能量，傳遞給氯化鉀，當氯化鉀的表面溫度達到250°時，氯化鉀晶體揮發[7]，在電場的作用下，氯化鉀電離，氯離子向陽極運動，鉀離子向陰極運動，氯離子和鉀離子組成初始等離子體。

1.1 觸發機制分析

激光燒蝕造成目標電極發射的原因是光子的轟擊，在燒蝕期間，目標電極吸收激光的能量大于材料的消散能量，激光的照射點溫度快速上升，使得材料熔化和蒸發，從而閉合開關。激光燒蝕過程中吸收參數B為[8，9]

(1)

式中，KC為材料的熱傳導率；α為材料的吸收系數；Hv為蒸發熱；J為激光功率密度；R為反射系數；Cp為熱容量。B的相對值作為判斷材料主要是通過燒蝕揮發成氣體還是微粒形式的依據。B和相關激光變量參數的比例關系有

(2)

α的倒數是激光燒蝕目標材料的深度，α-1的值很小，是因為燒蝕的能量主要集中在目標材料的表面。當材料被加熱到非常高的溫度時，揮發的過程很慢，只有非常少的材料從表面逸出。為了使揮發的速度加快，使用爆炸燒蝕的方法，使得目標電極表面以下更多的材料達到最高溫度，這樣可增大α-1的值，此時α和激光波長關系為

(3)

(4)

式中，c為真空中的光速；λ為激光的波長；EL為激光能量；τP為激光脈寬；A為光斑面積。將式(3)和式(4)帶入式(2)中得

(5)

吸收參數B值大，在燒蝕過程中產生的主要為慢蒸汽。導致更小B值的激光參數，有利于更大更多的目標材料參與激光燒蝕過程。然而，特別小的吸收參數B不利于發生大規模的材料濺射。如果激光燒蝕在激光目標觸發中起作用，那么導致更小B值的激光參數將有利于觸發。

1.2 目標材料制作與電極設計

觸發目標材料是由2.5 g鈦粉和氯化鉀晶體充分混合，在一定壓力下，成為圓柱形，所受壓力如表1所示。確定采用70 kN的壓力，對模具中的鈦和氯化鉀粉末加壓180 s，制成圓柱形觸發極，如圖1所示。

表1 目標材料制作表Tab.1 The target material production

圖1 觸發極目標材料Fig.1 Diagram of trigger electrode target materials

把制作的觸發極材料放入平面形開關中，如圖2所示。激光從陽極射入，照射到鑲嵌在陰極的觸發極，觸發極頂端距陰極頂端的距離為D，D值過大，會增加導通時間、抖動時間和激光能量。主電極材料采用CuCr50，耐燒蝕，通流能力強，除氣效果好。主間隙距離12 mm，耐壓30 kV，內部真空1×10-5Pa。

2 實驗裝置和技術

實驗中采用的光學裝置圖、電路框圖及光學裝置平臺，如圖3所示。圖3a中，電源控制Nd∶YAG激光器工作，在分束鏡的作用下，一束激光經燒蝕目標材料使開關導通，另一束照射光電二極管檢測器，通過示波器得到開始觸發信號的時間。圖3b中，首先交流220 V的電壓經過調壓器調壓，然后通過變壓器，經硅堆整流后，給電容充電，當電容兩端的電壓達到一定值后，激光照在LTVS的觸發極材料上，使LTVS導通放電，電容兩端電壓下降。

圖3 LTVS光學裝置和電路圖Fig.3 Diagram of LTVS optical setup and circuit

3 實驗結果和分析

取D為0 mm，Nd∶YAG激光器的單脈沖能量50 mJ，脈寬20 ns，波長1 064 nm，光斑直徑2 mm，焦距120 mm，照射觸發極材料，主電壓為19 kV，電容為40 μF，放電采集波形如圖4所示。由圖4可知，當發出觸發信號1 μs后，開關開始放電。

圖4 LTVS放電波形Fig.4 Diagram of LTVS discharge waveform

在不同的激光能量下開關的導通情況如圖5。由圖5可知，開關的導通時延和抖動時延隨激光能量的增加而減少，主要原因是激光能量越高，產生的初始等離子體越多，開關放電速度越快。當激光能量低于50 mJ時，因產生的初始等離子體數量不足，開關不能100%觸發導通。當激光能量在50 mJ時，激光波長為1 064 nm的導通時延和抖動時延分別為1 μs和50 ns。

圖5 開關導通和抖動時延Fig.5 Diagram of switch conduction delay and jitter delay

分別取D為3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0 mm。采用激光能量50 mJ，波長1 064 nm，由圖6可知，隨著距離的增大，開關的抖動時延和導通時延都變大。主要原因是當觸發極材料鑲嵌在陰極內時，隨著距離變大，電勢逐漸變小，初始等離子體運動距離變大，不能及時充分地作用于主電極，而且有相當一部分消失在陰極內，在初始等離子體不足的情況下，抖動時延和導通時延變長。

圖6 不同距離下開關抖動時延Fig.6 Diagram of the different distance switch conduction delay and jitter delay

4 結論

本文通過激光照射目標電極材料的方式觸發真空開關，開關的觸發機制為激光燒蝕，開關導通的過程中，有原子、離子、自由電子和微粒參與導電。觸發材料的制作需要70 kN的力，開關電極間隙距離12 mm，耐受電壓高，為保證開關可靠觸發，最低的激光能量為50 mJ。隨著目標電極材料在陰極放置位置的不同，開關的導通時延和抖動時延不同，當D為0 mm時，初始等離子體的運動距離和損失最小。

[1] Makarevich，et al.A vacuum spark gap with laser firing[J].Instruments and Experimental Techniques，1973，16(1-6)：1716-1717.

[2] Mao Xiaopo，He Zhenghao，Wang Ying，et al.Research on the interaction of primary plasma and main electrode for laser triggered vacuum switch[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2014，42(11)：3592-3597.

[3] 周正陽，廖敏夫，董華軍，等.基于電子發射原理的場擊穿型觸發真空開關[J].電氣應用，2010，29(17)：76-80. Zhou Zhengyang，Liao Minfu，Dong Huajun，et al.Based on the mechanism of electron emission field breakdown triggered vacuum switch[J].Electrical Applications，2010，29(17)：76-80.

[4] Brannon P J，Cowgill D F.Low-jitter laser-triggered vacuum switch using a composite target[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1988，16(2)：325-327.

[5] 毛曉坡，何正浩，王英，等.多棒型激光觸發真空開關時延特性的研究[J].電工技術學報，2015，30(5)：106-110. Mao Xiaopo，He Zhenghao，Wang Ying，et al.Research on the time delay characteristics of the six-gap rod electrode laser triggered vacuum switch[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(5)：106-110.

[6] Brannon Paul J，Riley Merle E.A model for the operation of a laser-triggered vacuum low inductance switch[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1989，17(6)：859-862.

[7] Okuyama F，Wong S S，Rollgen F W.Emission of positive ions from KCl and NaCl crystals exposed to high electric fields[J].Surface Science，1985，151(1)：131-136.

[8] Dabby F，Paek U C.High-intensity laser-induced vaporization and explosion of solid material[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，1972，8(2)：106-111.

[9] Gagliano F，Paek U.Observation of laser-induced explosion of solid materials and correlation with theory[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，1974，9(6)：274-279.

Research on the Trigger Mechanism of Parallel Disc Type Laser Triggered Vacuum Switch

MaoXiaopo1HeZhenghao1WangYing2FanWenfang1LinHuazhong2SongSiqi1TanFali1

(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)

High intensity pulsed switching is an important control unit of the pulsed power technology.The triggered vacuum switch (TVS) has the advantages of large flow capacity，fast media recovery rate，and little under voltage ratio.But it also suffers the problems of long conduction delay，big jitter，and easy false trigger.This paper designs a long gap distance laser triggered vacuum switch (LTVS).The conduction mechanism of the LTVS is related to laser ablation.Substances involved in conducting are atom，ion，free electron，and particle.When the gap distance of the LTVS is 12 mm，the withstand voltage is 30 kV.In order to assure the reliable conduction of the LTVS，50 mJ laser energy and 1 064 nm wavelength is used.When the distance to the cathode surface is 0 mm，the conduction delay of the LTVS is 1 μs and the jitter delay is 50 ns.The stable energy of laser ensures the little jitter delay.In this laser triggered way，the conduction delay can be shortened，the electromagnetic interference can be isolated，and the false triggering of switch can be eliminated.

Laser triggered vacuum switch，target electrode，trigger mechanism，conduction delay，jitter delay

國家自然科學基金(51377071)，中央高?；究蒲袠I務費(HUST：2010JC018)資助項目。

2014-11-25 改稿日期2015-01-29

TM46

毛曉坡 男，1983年生，博士研究生，研究方向為高電壓絕緣與放電、脈沖功率技術。

何正浩 男，1957年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓絕緣與放電、脈沖功率技術和環境等離子體技術。(通信作者)