平面圆盘型激光触发真空开关触发机制研究

毛晓坡 何正浩 王 英 樊文芳 林华中 宋思齐 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)



平面圆盘型激光触发真空开关触发机制研究

毛晓坡1何正浩1王 英2樊文芳1林华中2宋思齐1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)

高压强流脉冲开关是脉冲功率技术的重要控制单元，触发真空开关(Triggered Vacuum Switch，TVS)具有通流容量大，介质恢复速度快、欠压比小等特点，但它存在导通时延长、抖动大、容易误触发等问题。设计了长间隙激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)，LTVS的导通机制涉及激光烧蚀，激光照射目标材料，参与导电的物质有原子、离子、自由电子和微粒。当LTVS间隙距离为12 mm、耐受电压为30 kV时，为保证LTVS可靠导通，使用激光能量为50 mJ，激光波长为1 064 nm，距离阴极端面为0 mm时，LTVS的导通时延为1 μs，抖动时延为50 ns，由于激光的能量稳定，保证了LTVS的抖动时延小。使用激光触发的方式，可以缩短导通时延，隔离电磁干扰，消除开关的误触发现象。

激光触发真空开关 目标电极 触发机制 导通时延 抖动时延

0 引言

LTVS是一种具有承受高电压和大电流的大功率脉冲开关，是采用激光触发的真空开关。触发真空开关存在导通时延长、抖动大和容易误触发的问题。与电气触发真空开关相比，由于采用激光触发，触发过程不受电磁干扰，没有误触发问题，导通时延短，抖动小，具有TVS通流能力强、介质恢复速度快等优点[1-3]。P.J.Brannon等[4]提出建立两种装置关断真空开关，首先热装置产生初始电流，然后离子再生装置积累电流。需要指出的是，关于LTVS的研究，大都是一种原理性试探试验，间隙距离都较小。本文设计的LTVS间隙距离为12 mm，设计的耐压与通流能力都非常接近现有触发真空开关参数。

触发极的设计是激光触发真空开关和电气触发真空开关的最大区别。激光触发真空开关闭合的触发源是激光，激光诱导目标电极，其表面烧蚀的物质以原子、离子、自由电子和微粒的形式从表面溅出，在高压电场的作用下，形成初始等离子体[5]。在此过程中，激光烧蚀可能是产生初始等离子体的原因[6]。

1 触发机理分析和材料与电极结构设计

目标材料组成和所在阴极位置，关系到能否触发成功、触发所需能量和触发的过程。触发极目标材料采用钛粉(直径8 μm)和氯化钾(直径300 μm)的混合物，钛粉的作用是吸收激光的能量，传递给氯化钾，当氯化钾的表面温度达到250°时，氯化钾晶体挥发[7]，在电场的作用下，氯化钾电离，氯离子向阳极运动，钾离子向阴极运动，氯离子和钾离子组成初始等离子体。

1.1 触发机制分析

激光烧蚀造成目标电极发射的原因是光子的轰击，在烧蚀期间，目标电极吸收激光的能量大于材料的消散能量，激光的照射点温度快速上升，使得材料熔化和蒸发，从而闭合开关。激光烧蚀过程中吸收参数B为[8，9]

(1)

式中，KC为材料的热传导率；α为材料的吸收系数；Hv为蒸发热；J为激光功率密度；R为反射系数；Cp为热容量。B的相对值作为判断材料主要是通过烧蚀挥发成气体还是微粒形式的依据。B和相关激光变量参数的比例关系有

(2)

α的倒数是激光烧蚀目标材料的深度，α-1的值很小，是因为烧蚀的能量主要集中在目标材料的表面。当材料被加热到非常高的温度时，挥发的过程很慢，只有非常少的材料从表面逸出。为了使挥发的速度加快，使用爆炸烧蚀的方法，使得目标电极表面以下更多的材料达到最高温度，这样可增大α-1的值，此时α和激光波长关系为

(3)

(4)

式中，c为真空中的光速；λ为激光的波长；EL为激光能量；τP为激光脉宽；A为光斑面积。将式(3)和式(4)带入式(2)中得

(5)

吸收参数B值大，在烧蚀过程中产生的主要为慢蒸汽。导致更小B值的激光参数，有利于更大更多的目标材料参与激光烧蚀过程。然而，特别小的吸收参数B不利于发生大规模的材料溅射。如果激光烧蚀在激光目标触发中起作用，那么导致更小B值的激光参数将有利于触发。

1.2 目标材料制作与电极设计

触发目标材料是由2.5 g钛粉和氯化钾晶体充分混合，在一定压力下，成为圆柱形，所受压力如表1所示。确定采用70 kN的压力，对模具中的钛和氯化钾粉末加压180 s，制成圆柱形触发极，如图1所示。

表1 目标材料制作表Tab.1 The target material production

图1 触发极目标材料Fig.1 Diagram of trigger electrode target materials

把制作的触发极材料放入平面形开关中，如图2所示。激光从阳极射入，照射到镶嵌在阴极的触发极，触发极顶端距阴极顶端的距离为D，D值过大，会增加导通时间、抖动时间和激光能量。主电极材料采用CuCr50，耐烧蚀，通流能力强，除气效果好。主间隙距离12 mm，耐压30 kV，内部真空1×10-5Pa。

2 实验装置和技术

实验中采用的光学装置图、电路框图及光学装置平台，如图3所示。图3a中，电源控制Nd∶YAG激光器工作，在分束镜的作用下，一束激光经烧蚀目标材料使开关导通，另一束照射光电二极管检测器，通过示波器得到开始触发信号的时间。图3b中，首先交流220 V的电压经过调压器调压，然后通过变压器，经硅堆整流后，给电容充电，当电容两端的电压达到一定值后，激光照在LTVS的触发极材料上，使LTVS导通放电，电容两端电压下降。

图3 LTVS光学装置和电路图Fig.3 Diagram of LTVS optical setup and circuit

3 实验结果和分析

取D为0 mm，Nd∶YAG激光器的单脉冲能量50 mJ，脉宽20 ns，波长1 064 nm，光斑直径2 mm，焦距120 mm，照射触发极材料，主电压为19 kV，电容为40 μF，放电采集波形如图4所示。由图4可知，当发出触发信号1 μs后，开关开始放电。

图4 LTVS放电波形Fig.4 Diagram of LTVS discharge waveform

在不同的激光能量下开关的导通情况如图5。由图5可知，开关的导通时延和抖动时延随激光能量的增加而减少，主要原因是激光能量越高，产生的初始等离子体越多，开关放电速度越快。当激光能量低于50 mJ时，因产生的初始等离子体数量不足，开关不能100%触发导通。当激光能量在50 mJ时，激光波长为1 064 nm的导通时延和抖动时延分别为1 μs和50 ns。

图5 开关导通和抖动时延Fig.5 Diagram of switch conduction delay and jitter delay

分别取D为3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0 mm。采用激光能量50 mJ，波长1 064 nm，由图6可知，随着距离的增大，开关的抖动时延和导通时延都变大。主要原因是当触发极材料镶嵌在阴极内时，随着距离变大，电势逐渐变小，初始等离子体运动距离变大，不能及时充分地作用于主电极，而且有相当一部分消失在阴极内，在初始等离子体不足的情况下，抖动时延和导通时延变长。

图6 不同距离下开关抖动时延Fig.6 Diagram of the different distance switch conduction delay and jitter delay

4 结论

本文通过激光照射目标电极材料的方式触发真空开关，开关的触发机制为激光烧蚀，开关导通的过程中，有原子、离子、自由电子和微粒参与导电。触发材料的制作需要70 kN的力，开关电极间隙距离12 mm，耐受电压高，为保证开关可靠触发，最低的激光能量为50 mJ。随着目标电极材料在阴极放置位置的不同，开关的导通时延和抖动时延不同，当D为0 mm时，初始等离子体的运动距离和损失最小。

[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] 周正阳，廖敏夫，董华军，等.基于电子发射原理的场击穿型触发真空开关[J].电气应用，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] 毛晓坡，何正浩，王英，等.多棒型激光触发真空开关时延特性的研究[J].电工技术学报，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

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。

2014-11-25 改稿日期2015-01-29

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、脉冲功率技术和环境等离子体技术。(通信作者)