激光触发变压器型脉冲调制器的实验研究

殷 毅， 刘金亮， 杨建华， 李志强

(国防科技大学光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073)

激光触发变压器型脉冲调制器的实验研究

殷 毅， 刘金亮， 杨建华， 李志强

(国防科技大学光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073)

本文设计了一台激光触发变压器型脉冲调制器并开展了单次及1Hz重频实验研究。该调制器由水介质同轴脉冲形成线、激光触发开关、脉冲变压器、假负载等组成。在调制器主开关导通电压为-795kV时，激光到达开关25ns后调制器主开关导通，在负载上得到了电压-402kV、电流26kA、脉冲宽度128ns的准方波高功率电脉冲。当调制器主开关分别为氮气、六氟化硫时对调制器激光触发气体开关的延时、抖动特性进行了实验研究，266nm激光触发时，氮气具有较小的延时和抖动；同时对自击穿和激光触发两种情况下负载电压的前沿特性进行了对比，最后对实验结果进行了分析。

延时； 抖动时间； 脉冲调制器； 激光触发； 气体开关

1 引言

变压器驱动的高功率脉冲调制器具有结构紧凑、体积小、开关结构简单等优点，作为高功率微波的驱动源得到了广泛的研究[1-3]，该种类型调制器其主开关通常采用电脉冲触发或自击穿的方式运行。由于激光触发气体开关具有延迟及抖动小、预击穿概率低、可远程控制等优点[4-6]，是多台脉冲功率装置、多个开关同步运行的关键技术，将激光用于触发该种类型脉冲功率调制器，可以提高装置运行时稳定性，为多台装置同步运行打下基础，因此开展激光触发变压器型脉冲调制器的研究具有重要意义。本文开展了激光触发变压器型脉冲调制器的单次及重频实验研究，并对调制器的延时、抖动特性进行了分析。

2 激光触发脉冲调制器结构

变压器型脉冲调制器结构如图1所示。其主要由初级触发气体开关、脉冲变压器、水介质螺旋脉冲形成线、激光触发开关[7]、负载等组成[8]。其中测量螺旋形成线充电电压和假负载电压采用电阻分压器，假负载电流测量采用Rokowski线圈，初级触发开关、主开关分别采用电脉冲触发和激光脉冲触发。加速器的初级储能为12μF的脉冲高压电容器，当电容器充电到所要求的电压时，输入高压电触发脉冲，初级触发气体火花开关导通，在变压器的初级回路产生高压大电流，通过变压器升压给水介质螺旋脉冲形成线充电。在形成线充电电压达到指定电压时，激光聚焦到开关两电极中心处，促使主开关导通，形成线向负载放电。

螺旋脉冲形成线的特征阻抗Z及特征时间τ可根据式(1)和式(2)计算[9]：

(1)

(2)

式中，εr为储能介质相对介电常数；r1和r2分别为脉冲形成线内筒和外筒的半径；φ为形成线内筒的螺旋角；c为真空中光速；l为形成线长度。

所设计的形成线储能介质为去离子水，形成线内筒的螺旋角为56°，计算可得形成线阻抗为15Ω，特征时间为128ns。

图1 激光触发脉冲调制器示意图Fig.1 Schematic of laser triggered pulse generator

实验中所用的激光器为四倍频的Nd∶YAG脉冲激光器。相比于激光波长为532nm或1064nm的激光，266nm激光有更好的触发特性[6-8]，因此实验中触发气体开关时选用激光的波长为266nm。激光通过一个焦距为64cm的透镜聚焦后，沿气体开关电极的轴向进入开关，焦点位于开关两电极中心。

3 实验研究

3.1 典型的负载实验波形

单次运行时典型实验波形如图2所示，其中图2(a)显示了形成线充电电压波形，最高电压为-795kV时(该电压即为激光触发时气体开关的击穿电压)，图2(b)为图2(a)的波形放大图。激光到达开关后延时25ns开关导通，形成线向假负载放电，负载上电压为-402kV，电流为26kA，脉冲宽度约128ns，电功率约10GW。

图2 单次运行时实验波形Fig.2 Experimental waveforms at single shot

3.2 脉冲调制器重频运行及延时和抖动

在激光波长266nm、能量6mJ、氮气欠压比78%时，重频1Hz情况下，10次实验波形如图3所示。可以看出该调制器触发条件下工作一致性较好。

图3 重频实验波形Fig.3 Experimental waveforms at repetitive shots

图4和图5给出了多次试验后，氮气和六氟化硫在不同欠压比(PSB)下其延时、抖动的实验数据。可以看出，当开关欠压比大于80%时，调制器的抖动小于1ns；相比于SF6，开关内为N2时调制器具有较小的延时和抖动特性。Martin给出的击穿延时表达式为[10]：

ρτ=97800(E/ρ)-3.44

(3)

式中，ρ为气体密度(g/cm3)；τ为延时(s)；E为电场强度(kV/cm)。

图4 激光触发时调制器不同欠压比下的延时Fig.4 Delay time of LTGS with different PSB

图5 激光触发时调制器不同欠压比下的抖动Fig.5 Jitter time of LTGS with different PSB

根据式(3)可知，电场强度增加，激光触发的延时时间变小。同样的击穿场强下，气体的密度越高其对应的延时时间越长。即使考虑到同样的击穿场强下，氮气的气体压强高于六氟化硫，六氟化硫仍然具有较高气体密度，所以其开关延时时间较长。

SF6开关抖动较大是因为SF6为电负性气体，产生的电子容易被吸附形成负离子，在增大击穿电压的同时也增大了开关抖动。

3.3 负载电压的上升前沿比较

根据Martin给出的上升时间计算公式[10]，开关前沿时间可以表示成电阻项时间常数和电感项时间常数的和，其表达式为：

(4)

式中，τ的单位为ns；ρ/ρ0为气体密度与标准状态下空气密度之比；击穿场强Eb的单位为10kV/cm；间距l单位为cm；Z为驱动阻抗(传输线与负载电阻之和)，单位为Ω。

当激光为强触发方式时，电场强度El高于弱触发或无触发方式电场强度E，如图6所示[11]。

图6 激光的弱触发与强触发Fig.6 Weakly triggered gap and strongly triggered gap

图6中，有

E1=V/(D-X)=E/(1-X/D)

(5)

式中，D为间距；X为受到激光加热和电离的部分短路的间隙长度；V为两电极间电压。

因此激光触发可以使电阻项时间减小。此外激光触发开关导通通道为一条直线，相比于自击穿开关导通通道的随机曲线，导通距离更短，因此激光触发条件下其电感项时间更小。所以激光触发开关应有较小的前沿时间。

实验中测得的激光触发与自击穿条件下负载波形对比如图7所示。可以看出，负载上电压上升前沿约30ns(0～100%)，激光触发对负载波形前沿影响较小，基本可以忽略。

图7 负载电压前沿时间比较Fig.7 Rise time comparison of load voltages

下面对激光触发下相比自击穿条件下前沿减小的时间进行估算。对于电阻项前沿，根据文献[12]中266nm激光在相同焦距下对0.3MPa SF6气体开关的拍照图像的分析结果，6mJ激光形成火花通道长度约1.7cm。实验中开关电极间距3.5cm，假设电场强度由230kV/cm增加到460kV/cm，SF6气体密度取6.5×10-3g/cm3，计算可得电阻项时间减小引起前沿减小的时间为1.1ns。对于电感项前沿，假设火花通道导致开关间距减小2cm，计算可得电感项减小时间为0.9ns。

考虑到激光触发下电阻项与电感项前沿减小时间之和约2ns，相比于调制器本身30ns前沿，所以其前沿时间减小不明显。

4 结论

本文对激光触发变压器型脉冲调制器开展了单次及1Hz下的重频实验研究。单次工作开关导通电压-795kV时，负载上得到了电压-402kV、电流26kA、脉宽128ns的准方波脉冲输出，激光触发开关导通延时为25ns。重频条件下，该调制器可稳定工作；当调制器主开关分别为N2、SF6时对调制器激光触发气体开关的延时、抖动特性进行了研究，结果表明N2具有较小的延时和抖动；同时对自击穿和激光触发两种情况下负载电压的前沿特性进行了对比，实验表明激光触发开关与自击穿开关负载电压前沿时间基本一致。

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Experimental investigation of a laser triggered transformer type pulse generator

YIN Yi, LIU Jin-liang, YANG Jian-hua, LI Zhi-qiang

(College of Opto-electric Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

A laser triggered transformer type high voltage pulse accelerator is built and experimentally investigated. The pulse accelerator consists of a water dielectric coaxial pulse forming line (PFL), a laser triggered gas switch (LTGS), a pulse transformer, capacitors and a dummy load. When the pulse accelerator is charged to the voltage of -795kV, the LTGS is triggered by the laser, then a quasi-square electrical pulse with voltage -402kV, current 26kA and pulse width 128ns is obtained at the load. The delay time from the laser pulse to the load electrical pulse is 25ns. Gas switch filled with N2has smaller delay and jitter time compared with switch filled with SF6. Jitter time of the pulse is less than 1ns, when the accelerator is operated in the repetitive mode. Rise times of the output pulses voltage are also analyzed when the switch is self breakdown or laser triggered.

delay time; jitter time; pulse generator; laser triggered; gas switch

2015-12-16

国家自然科学基金项目(51177167)

殷 毅(1979-)， 男， 辽宁籍， 副研究员， 博士， 研究方向为脉冲功率技术及强流电子束源； 刘金亮(1964-)， 男， 湖南籍， 研究员， 博士， 研究方向脉冲功率技术及强流电子束源。

TN242

A

1003-3076(2016)11-0025-04