平面圓盤型激光觸發(fā)真空開關(guān)觸發(fā)機(jī)制研究

毛曉坡 何正浩 王 英 樊文芳 林華中 宋思齊 談發(fā)力

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)) 武漢 430074 2.激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)) 武漢 430074)

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平面圓盤型激光觸發(fā)真空開關(guān)觸發(fā)機(jī)制研究

毛曉坡1何正浩1王 英2樊文芳1林華中2宋思齊1談發(fā)力1

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)) 武漢 430074 2.激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)) 武漢 430074)

高壓強(qiáng)流脈沖開關(guān)是脈沖功率技術(shù)的重要控制單元，觸發(fā)真空開關(guān)(Triggered Vacuum Switch，TVS)具有通流容量大，介質(zhì)恢復(fù)速度快、欠壓比小等特點(diǎn)，但它存在導(dǎo)通時(shí)延長(zhǎng)、抖動(dòng)大、容易誤觸發(fā)等問(wèn)題。設(shè)計(jì)了長(zhǎng)間隙激光觸發(fā)真空開關(guān)(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)，LTVS的導(dǎo)通機(jī)制涉及激光燒蝕，激光照射目標(biāo)材料，參與導(dǎo)電的物質(zhì)有原子、離子、自由電子和微粒。當(dāng)LTVS間隙距離為12 mm、耐受電壓為30 kV時(shí)，為保證LTVS可靠導(dǎo)通，使用激光能量為50 mJ，激光波長(zhǎng)為1 064 nm，距離陰極端面為0 mm時(shí)，LTVS的導(dǎo)通時(shí)延為1 μs，抖動(dòng)時(shí)延為50 ns，由于激光的能量穩(wěn)定，保證了LTVS的抖動(dòng)時(shí)延小。使用激光觸發(fā)的方式，可以縮短導(dǎo)通時(shí)延，隔離電磁干擾，消除開關(guān)的誤觸發(fā)現(xiàn)象。

激光觸發(fā)真空開關(guān) 目標(biāo)電極 觸發(fā)機(jī)制 導(dǎo)通時(shí)延 抖動(dòng)時(shí)延

0 引言

LTVS是一種具有承受高電壓和大電流的大功率脈沖開關(guān)，是采用激光觸發(fā)的真空開關(guān)。觸發(fā)真空開關(guān)存在導(dǎo)通時(shí)延長(zhǎng)、抖動(dòng)大和容易誤觸發(fā)的問(wèn)題。與電氣觸發(fā)真空開關(guān)相比，由于采用激光觸發(fā)，觸發(fā)過(guò)程不受電磁干擾，沒(méi)有誤觸發(fā)問(wèn)題，導(dǎo)通時(shí)延短，抖動(dòng)小，具有TVS通流能力強(qiáng)、介質(zhì)恢復(fù)速度快等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。P.J.Brannon等[4]提出建立兩種裝置關(guān)斷真空開關(guān)，首先熱裝置產(chǎn)生初始電流，然后離子再生裝置積累電流。需要指出的是，關(guān)于LTVS的研究，大都是一種原理性試探試驗(yàn)，間隙距離都較小。本文設(shè)計(jì)的LTVS間隙距離為12 mm，設(shè)計(jì)的耐壓與通流能力都非常接近現(xiàn)有觸發(fā)真空開關(guān)參數(shù)。

觸發(fā)極的設(shè)計(jì)是激光觸發(fā)真空開關(guān)和電氣觸發(fā)真空開關(guān)的最大區(qū)別。激光觸發(fā)真空開關(guān)閉合的觸發(fā)源是激光，激光誘導(dǎo)目標(biāo)電極，其表面燒蝕的物質(zhì)以原子、離子、自由電子和微粒的形式從表面濺出，在高壓電場(chǎng)的作用下，形成初始等離子體[5]。在此過(guò)程中，激光燒蝕可能是產(chǎn)生初始等離子體的原因[6]。

1 觸發(fā)機(jī)理分析和材料與電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目標(biāo)材料組成和所在陰極位置，關(guān)系到能否觸發(fā)成功、觸發(fā)所需能量和觸發(fā)的過(guò)程。觸發(fā)極目標(biāo)材料采用鈦粉(直徑8 μm)和氯化鉀(直徑300 μm)的混合物，鈦粉的作用是吸收激光的能量，傳遞給氯化鉀，當(dāng)氯化鉀的表面溫度達(dá)到250°時(shí)，氯化鉀晶體揮發(fā)[7]，在電場(chǎng)的作用下，氯化鉀電離，氯離子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，鉀離子向陰極運(yùn)動(dòng)，氯離子和鉀離子組成初始等離子體。

1.1 觸發(fā)機(jī)制分析

激光燒蝕造成目標(biāo)電極發(fā)射的原因是光子的轟擊，在燒蝕期間，目標(biāo)電極吸收激光的能量大于材料的消散能量，激光的照射點(diǎn)溫度快速上升，使得材料熔化和蒸發(fā)，從而閉合開關(guān)。激光燒蝕過(guò)程中吸收參數(shù)B為[8，9]

(1)

式中，KC為材料的熱傳導(dǎo)率；α為材料的吸收系數(shù)；Hv為蒸發(fā)熱；J為激光功率密度；R為反射系數(shù)；Cp為熱容量。B的相對(duì)值作為判斷材料主要是通過(guò)燒蝕揮發(fā)成氣體還是微粒形式的依據(jù)。B和相關(guān)激光變量參數(shù)的比例關(guān)系有

(2)

α的倒數(shù)是激光燒蝕目標(biāo)材料的深度，α-1的值很小，是因?yàn)闊g的能量主要集中在目標(biāo)材料的表面。當(dāng)材料被加熱到非常高的溫度時(shí)，揮發(fā)的過(guò)程很慢，只有非常少的材料從表面逸出。為了使揮發(fā)的速度加快，使用爆炸燒蝕的方法，使得目標(biāo)電極表面以下更多的材料達(dá)到最高溫度，這樣可增大α-1的值，此時(shí)α和激光波長(zhǎng)關(guān)系為

(3)

(4)

式中，c為真空中的光速；λ為激光的波長(zhǎng)；EL為激光能量；τP為激光脈寬；A為光斑面積。將式(3)和式(4)帶入式(2)中得

(5)

吸收參數(shù)B值大，在燒蝕過(guò)程中產(chǎn)生的主要為慢蒸汽。導(dǎo)致更小B值的激光參數(shù)，有利于更大更多的目標(biāo)材料參與激光燒蝕過(guò)程。然而，特別小的吸收參數(shù)B不利于發(fā)生大規(guī)模的材料濺射。如果激光燒蝕在激光目標(biāo)觸發(fā)中起作用，那么導(dǎo)致更小B值的激光參數(shù)將有利于觸發(fā)。

1.2 目標(biāo)材料制作與電極設(shè)計(jì)

觸發(fā)目標(biāo)材料是由2.5 g鈦粉和氯化鉀晶體充分混合，在一定壓力下，成為圓柱形，所受壓力如表1所示。確定采用70 kN的壓力，對(duì)模具中的鈦和氯化鉀粉末加壓180 s，制成圓柱形觸發(fā)極，如圖1所示。

表1 目標(biāo)材料制作表Tab.1 The target material production

圖1 觸發(fā)極目標(biāo)材料Fig.1 Diagram of trigger electrode target materials

把制作的觸發(fā)極材料放入平面形開關(guān)中，如圖2所示。激光從陽(yáng)極射入，照射到鑲嵌在陰極的觸發(fā)極，觸發(fā)極頂端距陰極頂端的距離為D，D值過(guò)大，會(huì)增加導(dǎo)通時(shí)間、抖動(dòng)時(shí)間和激光能量。主電極材料采用CuCr50，耐燒蝕，通流能力強(qiáng)，除氣效果好。主間隙距離12 mm，耐壓30 kV，內(nèi)部真空1×10-5Pa。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)

實(shí)驗(yàn)中采用的光學(xué)裝置圖、電路框圖及光學(xué)裝置平臺(tái)，如圖3所示。圖3a中，電源控制Nd∶YAG激光器工作，在分束鏡的作用下，一束激光經(jīng)燒蝕目標(biāo)材料使開關(guān)導(dǎo)通，另一束照射光電二極管檢測(cè)器，通過(guò)示波器得到開始觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間。圖3b中，首先交流220 V的電壓經(jīng)過(guò)調(diào)壓器調(diào)壓，然后通過(guò)變壓器，經(jīng)硅堆整流后，給電容充電，當(dāng)電容兩端的電壓達(dá)到一定值后，激光照在LTVS的觸發(fā)極材料上，使LTVS導(dǎo)通放電，電容兩端電壓下降。

圖3 LTVS光學(xué)裝置和電路圖Fig.3 Diagram of LTVS optical setup and circuit

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

取D為0 mm，Nd∶YAG激光器的單脈沖能量50 mJ，脈寬20 ns，波長(zhǎng)1 064 nm，光斑直徑2 mm，焦距120 mm，照射觸發(fā)極材料，主電壓為19 kV，電容為40 μF，放電采集波形如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)1 μs后，開關(guān)開始放電。

圖4 LTVS放電波形Fig.4 Diagram of LTVS discharge waveform

在不同的激光能量下開關(guān)的導(dǎo)通情況如圖5。由圖5可知，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)延和抖動(dòng)時(shí)延隨激光能量的增加而減少，主要原因是激光能量越高，產(chǎn)生的初始等離子體越多，開關(guān)放電速度越快。當(dāng)激光能量低于50 mJ時(shí)，因產(chǎn)生的初始等離子體數(shù)量不足，開關(guān)不能100%觸發(fā)導(dǎo)通。當(dāng)激光能量在50 mJ時(shí)，激光波長(zhǎng)為1 064 nm的導(dǎo)通時(shí)延和抖動(dòng)時(shí)延分別為1 μs和50 ns。

圖5 開關(guān)導(dǎo)通和抖動(dòng)時(shí)延Fig.5 Diagram of switch conduction delay and jitter delay

分別取D為3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0 mm。采用激光能量50 mJ，波長(zhǎng)1 064 nm，由圖6可知，隨著距離的增大，開關(guān)的抖動(dòng)時(shí)延和導(dǎo)通時(shí)延都變大。主要原因是當(dāng)觸發(fā)極材料鑲嵌在陰極內(nèi)時(shí)，隨著距離變大，電勢(shì)逐漸變小，初始等離子體運(yùn)動(dòng)距離變大，不能及時(shí)充分地作用于主電極，而且有相當(dāng)一部分消失在陰極內(nèi)，在初始等離子體不足的情況下，抖動(dòng)時(shí)延和導(dǎo)通時(shí)延變長(zhǎng)。

圖6 不同距離下開關(guān)抖動(dòng)時(shí)延Fig.6 Diagram of the different distance switch conduction delay and jitter delay

4 結(jié)論

本文通過(guò)激光照射目標(biāo)電極材料的方式觸發(fā)真空開關(guān)，開關(guān)的觸發(fā)機(jī)制為激光燒蝕，開關(guān)導(dǎo)通的過(guò)程中，有原子、離子、自由電子和微粒參與導(dǎo)電。觸發(fā)材料的制作需要70 kN的力，開關(guān)電極間隙距離12 mm，耐受電壓高，為保證開關(guān)可靠觸發(fā)，最低的激光能量為50 mJ。隨著目標(biāo)電極材料在陰極放置位置的不同，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)延和抖動(dòng)時(shí)延不同，當(dāng)D為0 mm時(shí)，初始等離子體的運(yùn)動(dòng)距離和損失最小。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金(51377071)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(HUST：2010JC018)資助項(xiàng)目。

2014-11-25 改稿日期2015-01-29

TM46

毛曉坡 男，1983年生，博士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷航^緣與放電、脈沖功率技術(shù)。

何正浩 男，1957年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷航^緣與放電、脈沖功率技術(shù)和環(huán)境等離子體技術(shù)。(通信作者)