激光触发真空开关的目标材料触发特性

毛晓坡　何正浩　王　英　曹祥薇　魏良才

(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.国网湖北省电力公司电力科学研究院　武汉　430077 3.激光技术国家重点实验室(华中科技大学)　武汉　430074) 4.武汉黄鹤楼新材料科技开发有限公司　武汉　430040)



激光触发真空开关的目标材料触发特性

毛晓坡1，2何正浩1王英3曹祥薇4魏良才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.国网湖北省电力公司电力科学研究院武汉430077 3.激光技术国家重点实验室(华中科技大学)武汉430074) 4.武汉黄鹤楼新材料科技开发有限公司武汉430040)

摘要激光触发真空开关(LTVS)和电气触发真空开关(ETVS)的关键区别是触发方式不同，由于LTVS采用激光照射目标材料产生初始等离子体的方式，不同的目标材料对LTVS的触发特性产生不同的影响。使用3种激光波长(1 064 nm、532 nm和266 nm)测试目标材料的触发特性，总体上导通时延随着激光能量的增加而减少。

关键词：激光触发真空开关目标材料触发特性

0引言

激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)是一种采用激光触发方式的脉冲功率控制器件，具有触发速度快(ns级)、电气隔离(没有误触发现象)和重频触发(MHz级)的优点[1-3]。文献[4]首次使用激光直接照射电极材料，产生初始等离子体触发导通真空开关，开关间隙距离5 mm。文献[5-11]对LTVS的触发特性进行了研究。文献[2，12]开展了LTVS的触发特性实验研究。

本文设计了多棒型LTVS，间隙距离12 mm，耐受电压30 kV，电极材料为CuCr50。激光烧蚀目标材料选择依据为材料的逸出功、活跃性、熔点和毒性，材料太活跃、有毒或熔点低都不适合做目标材料[13]。对比了8种目标材料的触发特性，圆锥形目标材料镶嵌在阴极上面，增大了目标材料的受光面积，容易观察激光照射位置和光斑大小，减小开关导通时延、抖动时延和所需激光能量。

1实验装置

多棒型LTVS结构如图1所示。图中，目标材料固定在阴极位置，激光入射窗口和目标材料同轴，阳极通孔直径略大于阴极通孔直径，有利于激光照射目标材料，开关内部真空度维持在1×10-5Pa[14，15]。

图1　多棒极LTVS结构示意图和实物图1—激光入射窗口；2—绝缘外壳；3—金属屏蔽罩；4—阳极；5—放电间隙；6—阴极；7—目标材料Fig.1　Six-gap rod electrode LTVS

实验中采用的基本光路框图如图2所示。激光器选用灯泵浦光电调Q的Nd∶YAG激光器，激光器发出的激光波长为1 064 nm，经由倍频器可得到532 nm或266 nm激光。聚焦透镜焦距为200 mm，光电探测器型号为THORLABS DET10A/M硅探测器，示波器的型号是安捷伦DSO-X3104A。

图2　基本光路框图Fig.2　The basic diagram of the optical path

实验中采用的电路图如图3所示。该电路由充电电路、放电电路和保护电路构成。电源经调压器、变压器、保护电阻R1和硅堆VD1给储能电容C1充电；储能电容C1经假负载R2和LTVS释放电能；当开关不能正常工作时，储能电容C1经水电阻R3释放电能。高压表读取储能电容电压C1两端电压值，开关电压波形通过TEKP6015高压探头测量。

图3　LTVS实验电路图Fig.3　Experimental circuit diagram

2实验及其结果分析

表1为3种波长及其最大输出能量。表2为目标材料的特性。表2中铜和铝的逸出功均小于266 nm激光的单光子能量，易发生光电效应。

表1　波长和光子能量及最大输出能量表

表2　目标材料特性

2.11 064 nm激光下目标材料的触发特性

图4是激光波长为1 064 nm时不同目标材料的导通时延。从图4中可以看出各种材料的导通时延随激光能量的上升有明显的下降。对比各种材料的最低导通时延，石墨的最低导通时延相对最小，触发特性较好，最低导通时延为3 μs，相应的激光能量为43.5 mJ；而钛的导通时延最长，最低导通时延为9 μs，相应的激光能量为43.5 mJ。每个目标材料有一个激光触发能量阈值，如表3所示。

图4　激光波长1 064 nm时，不同目标材料的导通时延Fig.4　Conduction delay of the different target materials in 1 064 nm laser

目标材料激光触发能量阈值/mJ石墨12.5镍16钼15钨17铜20钛32.5铝9银18

2.2532 nm激光下目标材料的触发特性

图5是激光波长为532 nm时不同目标材料的导通时延。从图5中可以看出，石墨的导通时延随激光能量的上升有明显的下降；银在激光能量为11.5～29.5 mJ时，导通时延随激光能量的增加而下降；在激光能量为29.5～39.5 mJ时，导通时延随激光能量的增加而上升；其他几种材料的导通时延随激光能量的上升也略有下降，但基本维持在10～11 μs。石墨的最低导通时延最小，当激光能量为41 mJ时，开关的导通时延为7μs；而镍的最低导通时延最大，为11 μs。在此波长情况下，每个目标材料的激光触发能量阈值如表4所示。

图5　激光波长532 nm时，不同目标材料的导通时延Fig.5　Conduction delay of the different target materials in 532 nm laser

目标材料激光触发能量阈值/mJ石墨10镍22钼19钨16铜15钛30铝14银11.5

2.3266 nm激光下目标材料的触发特性

图6是激光波长为266 nm时不同目标材料的导通时延。从图6中可以看出各种材料的导通时延随激光能量的上升而下降。在相同激光能量条件下，相对于其他材料，铝的导通时延最小。在此波长情况下，每个目标材料的激光触发能量阈值如表5所示。与其他两个波形相比，开关在266 nm激光的照射下，所需激光触发能量阈值最低，导通时延相对比1 064 nm波长的激光长，比532 nm的激光短。

图6　激光波长266 nm时，不同目标材料的导通时延Fig.6　Conduction delay of the different target materials in 266 nm laser

目标材料激光触发能量阈值/mJ石墨7镍9钼7.5钨9铜10钛22铝6.5银8

3目标材料触发特性分析

真空开关的触发需要满足两个条件：①目标材料在激光脉冲的照射下产生材料蒸汽；②金属蒸汽电离产生等离子体通道。

使用3种激光波长(1 064 nm、532 nm和266 nm)测试目标材料的触发特性，总体上导通时延随激光能量的增加而减少。这是由于真空开关的导通需要产生足够的等离子体形成放电等离子体通道，随激光能量的增高，产生等离子体的速度加快，因此导通时延缩短。

对于以上8种目标材料，在3种波长的激光照射下，相关的触发机制存在一定差别。当激光波长为266 nm时，除石墨和镍外，单光子的能量比其他6种材料的逸出功大，此时光电效应可能是重要的导通机制。尽管单个光子可以电离6种材料，但如果激光能量达不到一定程度，难以产生足够的初始等离子体，开关便不能导通，因此激光触发能量有一定的阈值。而波长为266 nm的激光单光子能量高，故对于这6种材料，266 nm激光触发的能量阈值低于其他两种波长的激光能量阈值。

当激光波长为532 nm或1 064 nm时，单个光子的光电效应难以电离目标材料，此时发挥作用的导通机制是多光子电离，即532 nm激光照射目标材料时，同时吸收2个光子；1 064 nm激光照射目标材料时，同时吸收4个光子。然而随着吸收光子数量的增加，开关的导通时延应相应地增长。

但是从实验结果来看，在1064nm激光照射下，开关的导通时延最短。当激光波长为532 nm或1 064 nm时，激光能量阈值相对较高，这是由于初始等离子体的产生和目标材料的表面温度有关，这两种波长的激光作用使得开关导通发挥作用的导通机制是激光烧蚀或热离子发射。

从本次实验的结果中并不能得出反射系数和开关的导通时延的关系，当激光波长为532 nm或1 064 nm时，石墨的反射系数最小，而且导通时延最小；然而钛的反射系数比剩余的6种材料小，但导通时延最长。当激光波长为266 nm时，铝的反射系数最高，然而导通时延最小。

4结论

1)使用的3种激光波长(1 064 nm、532 nm和266 nm)测试研究了8种常用目标材料的触发特性，实验结果表明导通时延随激光能量的增加而减少。

2)激光波长为266 nm时，由于单光子能量高，激光触发的能量阈值最低，有利于触发激光器的小型化优化设计。在此波长下铝的导通时延最短。

3)当激光波长为1 064 nm时，激光的热效应是重要的触发机制，此波长下石墨触发时延为3 μs，在本次实验中最短。

4)当激光波长为532 nm时，其导通时延和激光触发能量阈值相较其他两种波长的激光没有优势，不适合作为触发激光的波长。

5)当激光波长为266 nm和1 064 nm时，铜作为目标材料的导通时延和激光触发能量阈值居中，且开关的主电极材料大多采用铜，因此用铜直接作为触发材料在简化设计的同时也具有较好的触发特性。

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Mao Xiaopo，He Zhenghao，Wang Ying，et al.Research on the trigger mechanism of parallel disc type laser triggered vacuum switch[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(9)：87-90.

作者简介

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。

E-mail：mxp2004@163.com

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。

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

中图分类号：TM46

国家自然科学基金(51377071)和中央高校基本科研业务费(HUST：2010JC018)资助项目。

收稿日期2015-04-10改稿日期2015-06-05