激光觸發真空開關的目標材料觸發特性

毛曉坡　何正浩　王　英　曹祥薇　魏良才

(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.國網湖北省電力公司電力科學研究院　武漢　430077 3.激光技術國家重點實驗室(華中科技大學)　武漢　430074) 4.武漢黃鶴樓新材料科技開發有限公司　武漢　430040)

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激光觸發真空開關的目標材料觸發特性

毛曉坡1，2何正浩1王英3曹祥薇4魏良才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.國網湖北省電力公司電力科學研究院武漢430077 3.激光技術國家重點實驗室(華中科技大學)武漢430074) 4.武漢黃鶴樓新材料科技開發有限公司武漢430040)

摘要激光觸發真空開關(LTVS)和電氣觸發真空開關(ETVS)的關鍵區別是觸發方式不同，由于LTVS采用激光照射目標材料產生初始等離子體的方式，不同的目標材料對LTVS的觸發特性產生不同的影響。使用3種激光波長(1 064 nm、532 nm和266 nm)測試目標材料的觸發特性，總體上導通時延隨著激光能量的增加而減少。

關鍵詞：激光觸發真空開關目標材料觸發特性

0引言

激光觸發真空開關(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)是一種采用激光觸發方式的脈沖功率控制器件，具有觸發速度快(ns級)、電氣隔離(沒有誤觸發現象)和重頻觸發(MHz級)的優點[1-3]。文獻[4]首次使用激光直接照射電極材料，產生初始等離子體觸發導通真空開關，開關間隙距離5 mm。文獻[5-11]對LTVS的觸發特性進行了研究。文獻[2，12]開展了LTVS的觸發特性實驗研究。

本文設計了多棒型LTVS，間隙距離12 mm，耐受電壓30 kV，電極材料為CuCr50。激光燒蝕目標材料選擇依據為材料的逸出功、活躍性、熔點和毒性，材料太活躍、有毒或熔點低都不適合做目標材料[13]。對比了8種目標材料的觸發特性，圓錐形目標材料鑲嵌在陰極上面，增大了目標材料的受光面積，容易觀察激光照射位置和光斑大小，減小開關導通時延、抖動時延和所需激光能量。

1實驗裝置

多棒型LTVS結構如圖1所示。圖中，目標材料固定在陰極位置，激光入射窗口和目標材料同軸，陽極通孔直徑略大于陰極通孔直徑，有利于激光照射目標材料，開關內部真空度維持在1×10-5Pa[14，15]。

圖1　多棒極LTVS結構示意圖和實物圖1—激光入射窗口；2—絕緣外殼；3—金屬屏蔽罩；4—陽極；5—放電間隙；6—陰極；7—目標材料Fig.1　Six-gap rod electrode LTVS

實驗中采用的基本光路框圖如圖2所示。激光器選用燈泵浦光電調Q的Nd∶YAG激光器，激光器發出的激光波長為1 064 nm，經由倍頻器可得到532 nm或266 nm激光。聚焦透鏡焦距為200 mm，光電探測器型號為THORLABS DET10A/M硅探測器，示波器的型號是安捷倫DSO-X3104A。

圖2　基本光路框圖Fig.2　The basic diagram of the optical path

實驗中采用的電路圖如圖3所示。該電路由充電電路、放電電路和保護電路構成。電源經調壓器、變壓器、保護電阻R1和硅堆VD1給儲能電容C1充電；儲能電容C1經假負載R2和LTVS釋放電能；當開關不能正常工作時，儲能電容C1經水電阻R3釋放電能。高壓表讀取儲能電容電壓C1兩端電壓值，開關電壓波形通過TEKP6015高壓探頭測量。

圖3　LTVS實驗電路圖Fig.3　Experimental circuit diagram

2實驗及其結果分析

表1為3種波長及其最大輸出能量。表2為目標材料的特性。表2中銅和鋁的逸出功均小于266 nm激光的單光子能量，易發生光電效應。

表1　波長和光子能量及最大輸出能量表

表2　目標材料特性

2.11 064 nm激光下目標材料的觸發特性

圖4是激光波長為1 064 nm時不同目標材料的導通時延。從圖4中可以看出各種材料的導通時延隨激光能量的上升有明顯的下降。對比各種材料的最低導通時延，石墨的最低導通時延相對最小，觸發特性較好，最低導通時延為3 μs，相應的激光能量為43.5 mJ；而鈦的導通時延最長，最低導通時延為9 μs，相應的激光能量為43.5 mJ。每個目標材料有一個激光觸發能量閾值，如表3所示。

圖4　激光波長1 064 nm時，不同目標材料的導通時延Fig.4　Conduction delay of the different target materials in 1 064 nm laser

目標材料激光觸發能量閾值/mJ石墨12.5鎳16鉬15鎢17銅20鈦32.5鋁9銀18

2.2532 nm激光下目標材料的觸發特性

圖5是激光波長為532 nm時不同目標材料的導通時延。從圖5中可以看出，石墨的導通時延隨激光能量的上升有明顯的下降；銀在激光能量為11.5～29.5 mJ時，導通時延隨激光能量的增加而下降；在激光能量為29.5～39.5 mJ時，導通時延隨激光能量的增加而上升；其他幾種材料的導通時延隨激光能量的上升也略有下降，但基本維持在10～11 μs。石墨的最低導通時延最小，當激光能量為41 mJ時，開關的導通時延為7μs；而鎳的最低導通時延最大，為11 μs。在此波長情況下，每個目標材料的激光觸發能量閾值如表4所示。

圖5　激光波長532 nm時，不同目標材料的導通時延Fig.5　Conduction delay of the different target materials in 532 nm laser

目標材料激光觸發能量閾值/mJ石墨10鎳22鉬19鎢16銅15鈦30鋁14銀11.5

2.3266 nm激光下目標材料的觸發特性

圖6是激光波長為266 nm時不同目標材料的導通時延。從圖6中可以看出各種材料的導通時延隨激光能量的上升而下降。在相同激光能量條件下，相對于其他材料，鋁的導通時延最小。在此波長情況下，每個目標材料的激光觸發能量閾值如表5所示。與其他兩個波形相比，開關在266 nm激光的照射下，所需激光觸發能量閾值最低，導通時延相對比1 064 nm波長的激光長，比532 nm的激光短。

圖6　激光波長266 nm時，不同目標材料的導通時延Fig.6　Conduction delay of the different target materials in 266 nm laser

目標材料激光觸發能量閾值/mJ石墨7鎳9鉬7.5鎢9銅10鈦22鋁6.5銀8

3目標材料觸發特性分析

真空開關的觸發需要滿足兩個條件：①目標材料在激光脈沖的照射下產生材料蒸汽；②金屬蒸汽電離產生等離子體通道。

使用3種激光波長(1 064 nm、532 nm和266 nm)測試目標材料的觸發特性，總體上導通時延隨激光能量的增加而減少。這是由于真空開關的導通需要產生足夠的等離子體形成放電等離子體通道，隨激光能量的增高，產生等離子體的速度加快，因此導通時延縮短。

對于以上8種目標材料，在3種波長的激光照射下，相關的觸發機制存在一定差別。當激光波長為266 nm時，除石墨和鎳外，單光子的能量比其他6種材料的逸出功大，此時光電效應可能是重要的導通機制。盡管單個光子可以電離6種材料，但如果激光能量達不到一定程度，難以產生足夠的初始等離子體，開關便不能導通，因此激光觸發能量有一定的閾值。而波長為266 nm的激光單光子能量高，故對于這6種材料，266 nm激光觸發的能量閾值低于其他兩種波長的激光能量閾值。

當激光波長為532 nm或1 064 nm時，單個光子的光電效應難以電離目標材料，此時發揮作用的導通機制是多光子電離，即532 nm激光照射目標材料時，同時吸收2個光子；1 064 nm激光照射目標材料時，同時吸收4個光子。然而隨著吸收光子數量的增加，開關的導通時延應相應地增長。

但是從實驗結果來看，在1064nm激光照射下，開關的導通時延最短。當激光波長為532 nm或1 064 nm時，激光能量閾值相對較高，這是由于初始等離子體的產生和目標材料的表面溫度有關，這兩種波長的激光作用使得開關導通發揮作用的導通機制是激光燒蝕或熱離子發射。

從本次實驗的結果中并不能得出反射系數和開關的導通時延的關系，當激光波長為532 nm或1 064 nm時，石墨的反射系數最小，而且導通時延最小；然而鈦的反射系數比剩余的6種材料小，但導通時延最長。當激光波長為266 nm時，鋁的反射系數最高，然而導通時延最小。

4結論

1)使用的3種激光波長(1 064 nm、532 nm和266 nm)測試研究了8種常用目標材料的觸發特性，實驗結果表明導通時延隨激光能量的增加而減少。

2)激光波長為266 nm時，由于單光子能量高，激光觸發的能量閾值最低，有利于觸發激光器的小型化優化設計。在此波長下鋁的導通時延最短。

3)當激光波長為1 064 nm時，激光的熱效應是重要的觸發機制，此波長下石墨觸發時延為3 μs，在本次實驗中最短。

4)當激光波長為532 nm時，其導通時延和激光觸發能量閾值相較其他兩種波長的激光沒有優勢，不適合作為觸發激光的波長。

5)當激光波長為266 nm和1 064 nm時，銅作為目標材料的導通時延和激光觸發能量閾值居中，且開關的主電極材料大多采用銅，因此用銅直接作為觸發材料在簡化設計的同時也具有較好的觸發特性。

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作者簡介

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。

E-mail：mxp2004@163.com

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。

E-mail：hzh@hust.edu.cn(通信作者)

Triggered Characteristics of the Target Material Within Laser Triggered Vacuum Switches

Mao Xiaopo1，2He Zhenghao1Wang Ying3Cao Xiangwei4Wei Liangcai1

(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and TechnologyWuhan430074China 2.Electric Power Research Institute State Grid Hubei Electric Power CorporationWuhan430077China 3.State Key Laboratory of Laser TechnologyHuazhong University of Science and Technology Wuhan430074China 4.Huanghelou New Materials Science Technology Development Ltd. in WuhanWuhan430040China)

AbstractThe key difference of the laser triggered vacuum switch (LTVS) and the electrical triggered vacuum switch (ETVS) is the different triggering way.Because the initial plasma is generated by using the laser to irradiate the target material within the LTVS，different target materials may have different impacts on the triggered characteristics of the LTVS.Three laser wavelengths，i.e.1064nm，532 nm and 266 nm，are used to test the triggered characteristics of the target materials.On the whole，the conduction time delay is decreased with the increase of the laser energy.

Keywords：Laser triggered vacuum switch，target material，triggered characteristics

中圖分類號：TM46

國家自然科學基金(51377071)和中央高校基本科研業務費(HUST：2010JC018)資助項目。

收稿日期2015-04-10改稿日期2015-06-05