Al2O3陶瓷在脉冲电压下的激光触发沿面闪络特性研究

潘如政李敏堂赵争菡汪友华王 珏 严 萍

Al2O3陶瓷在脉冲电压下的激光触发沿面闪络特性研究

潘如政1李敏堂2赵争菡1汪友华1王 珏3严 萍3

（1. 河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 天津 300130 2. 军事交通学院军事交通运输研究所 天津 300161 3. 中国科学院电工研究所 北京 100190）

为研究脉冲电压下的激光触发沿面闪络特性，在试验室中建立了精确的激光触发沿面闪络试验系统，解决了激光脉冲与试品上所加脉冲电压的同步问题，在此基础上应用平板电极和柱状绝缘材料进行了激光触发沿面闪络试验。试验中采用铜材料平板电极，试品为Al2O3材料圆柱绝缘材料，试验中激光波长为1 064/532nm并聚焦成长方形光斑，得到在不同的激光能量密度及施加电压下的闪络时延和抖动。研究表明：激光能量密度越大、施加电压越高，闪络时延和抖动越小；532nm波长激光触发的时延小于1 064nm波长激光触发的时延；真空条件下的时延和抖动均小于空气条件下的时延和抖动。

沿面闪络 脉冲电压 激光触发 时延 抖动 空气 真空

1 引言

快速闭合开关[1-3]是脉冲功率技术研究中的重要课题，也是目前制约脉冲功率技术发展的瓶颈之一。沿面闪络开关[4]具有结构简单、可以精确控制触发、开关抖动低、工作范围宽、容易实现多通道放电从而获得低开关电感等优点，闪络开关还可以集成在脉冲功率装置的部件之上（如脉冲形成线、变压器等），实现设备一体化和紧凑性。沿面闪络开关主要有电脉冲触发[5-11]和激光脉冲触发[12-14]两种触发形式，激光触发沿面闪络开关的时延和抖动小于电脉冲触发沿面闪络开关，可以应用于并联的脉冲功率装置中解决并联同步问题。快速低抖动闭合开关是实现新型加速器概念—介质壁加速器[15-16]的关键部件的方案之一，它有希望推动介质壁加速器的发展。

激光触发沿面闪络开关可以实现快速闭合和极低的抖动，对其绝缘介质特性的研究非常重要。本文建立了中脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台，取得了激光脉冲与脉冲电压之间的精确同步。解决同步问题后，应用平板电极和柱状绝缘材料进行了空气及真空中脉冲电压下激光触发沿面闪络的试验研究。

2 试验平台

建立的脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台框图如图1所示。试验采用北京镭宝光电技术有限公司的SGR-S400型激光器，以及自制的三路数字脉冲发生器、Marx发生器用触发器及Marx发生器等试验用设备。三路延时脉冲发生器触发激光器的氙灯和Marx发生器的触发器，Marx发生器的触发器触发Marx发生器，用Marx发生器输出电压控制示波器的TTL输出触发激光器的Q开关，激光器输出激光脉冲，使高压脉冲和激光脉冲同步施加在试品上。测量中所采用的示波器为Agilent infiniium-54832B DSO，脉冲电压通过变比为2 100的电阻分压器测量，电流通过灵敏度为0.007 45V/A的Rogowski线圈测量，激光脉冲通过DET210光电探头测量。

图1 试验平台框图Fig.1 Schematic diagram of experiment system

通过测量的各试验设备的时延及激光器的控制时序，调整三路延时脉冲发生器的CH1与通道CH2的延时，CH1控制激光器的氙灯，CH2触发Marx发生器的触发器，用示波器TTL触发激光器的Q开关，得到激光脉冲与Marx输出电压脉冲的同步波形如图2所示。CH1波形为Marx发生器输出电压波形，CH2波形为激光器的输出激光脉冲。激光器的输出波长为1 064nm和532nm两种，1 064nm波长时输出的能量范围为400mJ到60mJ，532nm波长时输出的能量范围为200mJ到20mJ。改变激光脉冲的波长和能量及Marx发生器的输出电压对同步没有影响。测量得出Marx输出电压脉冲和激光脉冲的时延为516.1ns，抖动为4.5ns。由试验结果看出，试验平台能达到激光脉冲与脉冲电压小于5ns抖动的稳定同步。

图2 激光脉冲与电压脉冲的同步Fig.2 Synchronization of laser pulse and voltage pulse

进行激光脉冲与电压脉冲的同步试验后，利用所建立的试验平台进行脉冲电压下激光触发沿面闪络试验。试验中采用圆形的铜材料平板电极，试品为圆柱状Al2O3陶瓷，试验得到的激光触发后没发生闪络及发生闪络两种情况的试验波形分别如图3和图4所示。CH1波形为Marx发生器输出电压波形，CH2波形为电极间的电流波形，CH3波形为激光器的输出激光脉冲。由两图可以看出，在试品没有发生沿面闪络的时候，电极之间只有微小的电容位移电流；在试品发生沿面闪络的时候，试品两端电压下降并发生衰减振荡，出现衰减振荡的电流。

图3 试验波形（未闪络）Fig.3 Test waveforms (without flashover)

图4 试验波形（闪络）Fig.4 Test waveforms (flashover)

3 空气中激光触发沿面闪络试验

试验中采用60mm直径的铜材料平板电极，试品为20mm直径、8/10mm厚的Al2O3陶瓷圆柱绝缘材料，试验中激光波长为532nm和1 064nm两种，并聚焦成2mm×30mm的长方形光斑；试验中空气压力为1个大气压。试验前对试品进行20min去离子水超声波清洗，并在真空条件下进行60℃加热烘干4h。在没有激光触发的情况下，10mm厚度和8mm厚度Al2O3陶瓷的自闪络电压分别为24kV和21kV。

3.1施加电压对触发闪络特性影响

用厚度为8mm的Al2O3陶瓷在532nm波长的激光触发下进行试验，改变施加电压等级，得到不同激光能量密度下闪络的时延（激光脉冲的上升点到电压的上升点或电流的下降点）和抖动，分别如图5和图6所示。

由图5和图6可以看出，随着试品两端施加电压的升高，闪络时延和抖动都逐渐减小，激光能量密度由0.5mJ/mm2到4.5mJ/mm2变化，闪络时延逐渐下降，抖动也逐渐下降。沿面闪络开关的时延可由280ns降低到200ns，抖动可由近100ns降低到30ns。

图5 时延与激光能量密度的关系Fig.5 Delay time and laser energy density

图6 抖动与激光能量密度的关系Fig.6 Jitter time and laser energy density

3.2不同激光波长对触发闪络特性影响

用厚度为8mm的Al2O3陶瓷在532nm和1 064nm波长的激光触发下进行试验，得到不同激光能量密度与时延和不同激光能量密度与抖动的关系，分别如图7和图8所示。

图7 时延与激光能量密度的关系Fig.7 Delay time and laser energy density

由图7和图8可以看出，随着激光能量密度或施加电压的增加，闪络时延和抖动下降；在相同激光能量密度的情况下，激光脉冲在532nm波长下的闪络时延和抖动小于激光脉冲在1 064nm波长下的闪络时延和抖动，这主要由于532nm波长下的光子能量是1 064nm波长下的光子能量的2倍造成的。

图8 抖动与激光能量密度的关系Fig.8 Jitter time and laser energy density

3.3不同厚度对触发闪络特性影响

在激光波长为1 064nm的情况下对8mm和10mm两种厚度的Al2O3陶瓷进行试验，得到不同激光能量密度与时延和不同激光能量密度与抖动的关系如图9和图10所示。

图9 时延与激光能量密度的关系Fig.9 Delay time and laser energy density

图10 抖动与激光能量密度的关系Fig.10 Jitter time and laser energy density

由图9和图10可以看出，在相同的激光能量密度的情况下，两种厚度的Al2O3陶瓷试品的闪络时延和抖动差不多；随着激光能量密度的逐渐增大，闪络时延逐渐下降，抖动也逐渐下降。

4 真空中激光触发沿面闪络试验

试验中采用40mm直径的铜材料平板电极，试品为20mm直径、4/6mm厚的Al2O3陶瓷圆柱绝缘材料，试验中激光波长为532nm和1 064nm两种，并聚焦成0.1mm×30mm的长方形光斑；试验中真空压力小于4×10-3Pa。试验前对试品进行20min去离子水超声波清洗，并在真空条件下进行60℃加热烘干4h。在没有激光触发的情况下，6mm厚度和4mm厚度Al2O3陶瓷的自闪络电压分别为30kV和27.3kV。

4.1施加电压对触发闪络特性影响

用厚度为4mm的Al2O3陶瓷在1 064nm波长的激光触发下进行试验，改变施加电压等级，得到不同激光能量密度下闪络的时延和抖动，分别如图11和图12所示。

图11 时延与激光能量密度的关系Fig.11 Delay time and laser energy density

图12 抖动与激光能量密度的关系Fig.12 Jitter time and laser energy density

由图11和图12可以看出，随着试品两端施加电压的升高，闪络时延和抖动都逐渐减小，激光能量密度由16.5mJ/mm2到134mJ/mm2变化，闪络时延逐渐下降，抖动也逐渐下降。沿面闪络开关的时延可由25ns降低到15ns，抖动可由近2ns降低到小于1ns。

4.2不同激光波长对触发闪络特性影响

用厚度为6mm的Al2O3陶瓷在532nm和1 064nm波长的激光触发下进行试验，得到不同激光能量密度与时延和不同激光能量密度与抖动的关系，分别如图13和图14所示。

图13 时延与激光能量密度的关系Fig.13 Delay time and laser energy density

图14 抖动与激光能量密度的关系Fig.14 Jitter time and laser energy density

由图13和图14可以看出，随着激光能量密度或施加电压的增加，闪络时延和抖动下降；在相同激光能量密度的情况下，激光脉冲在532nm波长下的闪络时延和抖动小于激光脉冲在1 064nm波长下的闪络时延和抖动，这主要由于532nm波长下的光子能量是1 064nm波长下的光子能量的2倍造成的。

4.3不同厚度对触发闪络特性影响

在激光波长为532nm的情况下对4mm和6mm两种厚度的Al2O3陶瓷进行试验，得到不同激光能量密度与时延和不同激光能量密度与抖动的关系如图15和图16所示。

图15 时延与激光能量密度的关系Fig.15 Delay time and laser energy density

图16 抖动与激光能量密度的关系Fig.16 Jitter time and laser energy density

由图15和图16可以看出，在相同的激光能量密度的情况下，两种厚度的Al2O3陶瓷试品的闪络时延和抖动差不多；随着激光能量密度的逐渐增大，闪络时延逐渐下降，抖动也逐渐下降，趋势一致。

5 结论

在激光触发沿面闪络开关的研究中，对绝缘介质的激光触发沿面闪络特性研究尤为重要。本文建立了脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台，取得了激光脉冲与脉冲电压小于5ns抖动的稳定同步。解决同步问题后，应用铜材料平板电极和Al2O3陶瓷柱状绝缘材料进行了空气及真空中脉冲电压下激光触发沿面闪络的试验研究，得出闪络时延和抖动与激光能量密度、施加电压及厚度的关系，为激光触发沿面闪络开关的研究打下基础。

[1] Mesyats G A. Pulsed power[M]. New York: KluwerAcademic/Plenum Publishers, 2005.

[2] Bluhm H. Pulsed power systems: principles and applications[M]. Berlin: Springer Publishers, 2006.

[3] 刘锡三. 高功率脉冲技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005.

[4] Schaefer G, Kristiansen M, Guenther A. Gas discharge closing switch[M]. New York: Plenum Press, 1990.

[5] Earley L M, Scott G L. Low-cost, 3kV, triggered, stripline, surface-discharge switch[C]. Proceedings of the IEEE 8th Pulsed Power Conference, San Diego, California, 1991.

[6] Kellogg J C, Boiler J R, Commisso R J, et al. Triggered vacuum flashover switch for high-power applications[J]. Review of Scientific Instruments, 1991, 62(11): 2689-2694.

[7] Carleton E J, Huebner W. Surface switching characteristics of variable permittivity dielectrics[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2002, 9(2): 253-262.

[8] Etlicher B, Frescaline L, Lamain H, et al. Low inductance triggered multichannel surface switch for inductive energy storage generator[C]. Proceedings of the IEEE 10th Pulsed Power Conference, Albuquerque, New Mexico, 1995.

[9] Frescaline L, Lamain H, Auvray P, et al. A very low inductance triggered multichannel surface switch[C]. Proceedings of the Forty-First IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, Montreal, 1995.

[10] Bergmann H M. Triggered multichannel surface spark gaps[J]. Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1982, 15: 243-247.

[11] Burkes T R, Craig J P, Hagler M O, et al. A review of high-power switch technology[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 1979, 26(10): 1401-1411.

[12] Nunnally W C, Neurath R, Holmes C, et al. Investigation of UV laser triggered, nanosecond, surface flashover switches[C]. Proceedings of the IEEE 14th Pulsed Power Conference, Dallas, Texas, 2003, 2: 1355-1358.

[13] Sampayan S, Caporaso G, Carder B, et al. Optically induced surface flashover switching for the dielectric wall accelerator[C]. Proceedings of the Particle Accelerator Conference, Dallas, Texas, 1995.

[14] Kanabe T, Yoshida K, Kato Y, et al. Development of a reliable fast response laser-triggered dielectric switch [J]. Review of Scientific Instruments, 1986, 57(2): 173-176.

[15] 严萍, 王珏, 张适昌. 新型介质壁加速器[J]. 电工电能新技术, 2005, 24(4): 43-46.

Yan Ping, Wang Jue, Zhang Shichang. Dielectric wall accelerator[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2005, 24(4): 43-46.

[16] Caporaso G J. Progress in induction linacs[C]. Proceedings of the XX International Linac Conference, Monterey, California, 2000: 658-662.

Study of Al2O3Ceramics’ Laser-Triggered Surface Flashover Characteristics with Pulsed Voltage

Pan Ruzheng1 Li Mintang2 Zhao Zhenghan1 Wang Youhua1 Wang Jue3 Yan Ping3
（1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Institute of Military Transportation, Military Transportation University Tianjin 300161 China 3. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China）

With the aim of studying the characteristics of laser-triggered surface flashover with pulsed voltage, synchronization problem of laser pulse and voltage pulse is solved through a high precision laser trigger system is built up in test system. Experiment of laser-triggered surface flashover is carried out using the flat electrodes and columned insulators based on the test system. The material of electrode is copper and the material of insulator is Al2O3. Laser pulse’s wavelengths are 532nm and 1 064nm, and laser is focused with rectangle. The flashover delay time and jitter time are obtained through experiment, and the results of experiment show that flashover delay time and jitter time decrease with increase of pulsed voltage or laser energy density, the delay time of 1 064nm laser trigger is larger than that of 532nm laser trigger, and the delay time and jitter time in vacuum condition are less than the delay time and jitter time in air condition.

Surface flashover, pulsed voltage, laser triggered, delay time, jitter time, air, vacuum

TM89

潘如政 男，1977年生，博士，讲师，研究方向为高电压绝缘及脉冲功率技术。

国家自然科学基金（50907068）、河北省自然科学基金（E2012202011）和河北省博士后基金资助项目。

2013-11-22

李敏堂 男，1975年生，博士，讲师，研究方向为脉冲功率技术及电磁驱动技术。