300 kV激光触发多级真空开关结构设计

激光触发真空开关具有优异的工作性能,在脉冲功率系统具有很好的应用前景。本文以300 kV为设计指标,对激光触发多级真空开关进行结构设计与优化。首先进行激光触发间隙的结构设计,靶材由KCl和Ti混合制成,采用铜铬合金纵磁电极;其次进行自击穿间隙的结构设计,自击穿间隙采用平板不锈钢电极,结合不同圆角半径下的电场仿真结果,确定电极外侧圆角半径为5 mm,内侧圆角半径为3.5 mm;通过对绝缘支柱闪络机理的分析,使用带伞裙的圆柱形尼龙绝缘支柱并采用电极嵌入绝缘支柱降低三交界面电场;最后根据开关的欠压比、过压倍数和稳定性,确定自击穿间隙采用三个3.7 mm长的真空短间隙,各间隙承担电压为180、40、40、40 kV。

三间隙激光触发真空开关触发特性研究

激光触发真空开关在脉冲功率系统中有较好的应用前景,该文设计一种多级激光触发真空开关,由一个激光触发间隙与两个对称的冰壶形电极串联而成,并基于可拆卸真空腔体搭建了激光触发多级真空开关的实验平台。实验研究了不同激光能量、不同工作电压、不同分压比条件下,开关的触发时延特性。实验结果表明,多级开关的触发时延不仅与外部的激光能量以及触发电压有关,也与3个间隙之间的分压比有关。随着激光能量和工作电压的增大,开关的导通时延和抖动随之减小。在相同的外部条件下,通过3个间隙之间合适的工作参数配合,可以获得更加优化的时延特性。当激光能量为30 mJ,工作电压为30 kV时,分压比为4∶1∶1的三间隙激光触发多级真空开关触发时延低至(167±3.7)ns。

激光触发真空开关导通电感测量及特性研究

激光触发真空开关(LTVS)导通时开关本身电感参数及电弧的电感参数是影响开关导通时延、精度以及可靠性的因素。该文提出一种改进的RLC振荡电路测量LTVS导通时电感的方法,消除回路阻抗对测量的影响,并且减少了燃弧过程中电弧状态改变对测量产生的误差。搭建了LTVS导通实验平台,获得了不同工作电压、激光能量下LTVS导通的电感参数。实验结果表明:LTVS导通时,在前2个电流衰减周期内电感保持稳定,然后降低40~100 nH;LTVS的电感参数随着工作电压升高而变大,当工作电压从1.6 kV增加到3.0 kV,LTVS的电感值从240 nH增长到400 nH;改变LTVS的触发激光能量对电感参数影响并不明显。该文的研究工作为设计低电感LTVS和放电过程中等离子体通道变化提供了一定的参考价值。

激光触发真空开关触发稳定性及时延特性

为了研究影响激光触发真空开关(LTVS)导通时延及抖动特性的关键因素,搭建LTVS高电压大电流实验平台,分别改变触发激光能量、工作电压、触发极性以及触头间距等参数,考察其对LTVS导通时延和抖动特性的影响,并对LTVS的导通机制及触发稳定性进行理论分析。实验结果表明:在一定范围内,增加触发激光能量、增加主间隙电压、采用阴极触发方式或者缩短触头间距均可减少开关的导通时延及时延抖动;LTVS的导通是激光轰击触发极产生初始等离子体的热过程与主间隙两端电场加速初始等离子体扩散过程共同作用的结果,实验中所得到的结论对LTVS的优化具有重要意义。

基于高频振荡回路的激光触发真空开关开断特性

真空触发开关(TVS)是脉冲功率技术的重要开关器件,随着脉冲功率系统向更高工作频率的方向发展,要求TVS具有在高频回路中稳定工作的能力,因此采用LC高频振荡回路对一种新型激光触发真空开关(LTVS)进行实验研究,考察振荡回路频率、间隙电压以及初始等离子体浓度等因素对LTVS的开断特性的影响。实验结果表明,振荡回路频率增加和间隙电压升高将导致电流峰值及电流过零点变化率升高,电路未成功开断或者发生重击穿概率增加;重击穿时间间隔随间隙电压和回路频率升高而缩短;LTVS未成功开断或者发生重击穿概率与初始等离子体浓度无关。实验结果对于改善LTVS在高频回路中的稳定工作能力具有参考价值。

平面圆盘型激光触发真空开关触发机制研究

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 k V时,为保证LTVS可靠导通,使用激光能量为50 m J,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1μs,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。

一种激光触发真空开关的触发特性研究

为优化触发真空开关(triggered vacuum switch,TVS)性能,满足脉冲功率技术对开关器件的要求,设计了一种多棒级型激光触发真空开关(multi-electrode laser-triggered vacuum switch,LTVS)。文中详细讨论了外施电压、激光触发能量、开关极性、焦斑能量密度等对开关延迟时间、抖动时间和最低工作电压等触发特性的影响,提出开关导通是热机制和碰撞电离机制相互作用的假设,并为此类开关的优化设计提供理论依据和参考。实验表明:开关的延迟时间最低可达17 ns,抖动最低可达10 ns,最低工作电压为60 V;开关导通需满足一定的激光触发能量和外施电压要求,在触发能量一定的情况下,焦斑能量密度是影响开关触发特性主要因素;开关极性是影响触发稳定性的主要因素。

激光触发真空开关的目标材料触发特性

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。

多棒型激光触发真空开关时延特性的研究

介绍了激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS)的基本结构和工作原理,对初始等离子体的产生和扩展所涉及的物理过程进行详细分析,并对其工作在不同的间隙电压、激光波长、激光能量和极性配置下开展了一系列实验。通过对开关结构的改进提高了开关的耐流能力;间隙距离的增加,使其耐压能力得到提高;独特的触发片结构设计,降低了开关对激光能量的依赖,减少了开关的时延。

平板电极型激光触发真空开关的导通特性研究

强激光触发方式的真空开关由于触发精度高、可靠性好、并能有效避免触发装置的电磁干扰,在快速关合开关、电磁发射、串联补偿电容保护等领域具有非常广阔的应用前景。设计了一种平板电极型激光触发真空开关。为了提高其触发寿命,针对触发电极进行优化。触发电极耐烧蚀,靶材选取TiH_2,其能为开关导通提供丰富的初始等离子体,开关的触发性能得到加强,开关的最短时延可达650 ns。详细讨论激光参数、聚焦镜位置、主电压值等对开关的触发阈值、最低工作电压和时延特性的影响,提出触发阈值理论和电弧形成机制,为此类开关的性能优化提供理论依据。实验表明:开关稳定的触发阈值达4.5×10~7W/cm^2,最低工作电压为30 V;采用正常聚焦模式能大幅度降低开关的时延;电弧电流的开始阶段存在强烈振荡过程,电流值大于5 A后,如果外加电压足够高,振荡现象消失,真空电弧稳定燃烧。

激光触发真空开关时延特性优化

为了提高触发开关的触发精度和使用寿命,结合触发真空开关和激光触发气体开关的优点,设计了一种平板电极激光触发真空开关(laser triggered vacuum switch,LTVS)。为进一步优化LTVS性能,调整触发材料种类、激光波长和能量及电极间距等参数,实验研究了LTVS的触发时延特性。实验结果表明,利用KCl和Ti作为靶极材料,KCl较低的触发阈值和Ti较强的热传导能力可使LTVS获得更短的触发时延;随着激光波长的减小、激光能量的增加及电极间距的缩短,LTVS的触发时延逐渐降低。参数优化后LTVS工作电压范围可达40 V^30 kV,触发时延低于650 ns,抖动50 ns。LTVS优异的运行特性使之在宽电压范围关合大电流领域展现出良好发展前景。

不同电极激光触发真空开关高频开断能力研究

为研制综合性能更优的脉冲功率闭合开关,满足脉冲功率系统对开关重频工作能力的需求,基于可拆卸真空腔体搭建试验电路,考察电极间距、电流频率及极性配置方式对不同电极激光触发真空开关(lasertriggered vacuum switch,LTVS)高频开断能力的影响。试验结果表明,横磁电极LTVS的高频开断能力明显优于纵磁电极;开关的开断能力随着电极间距的增大逐渐降低,采用横磁电极开关的开断能力受电极间距影响更明显;受触发材料影响,靶材为KCl+Ti混合材料且开关为正极性时,电流频率增加会显著降低LTVS的高频开断能力,而负极性时,频率变化对开断能力并无明显影响;不同极性配置下,电流过零时较为活跃的触发材料释放的带电微粒会在不同程度上影响LTVS的高频开断能力。该研究结果可为后续进一步优化LTVS的综合性能提供参考和建议。

激光触发真空开关极性配置特性的研究

简单介绍了激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch——LTVS)的基本结构和工作原理,对初始等离子体的产生和扩展所涉及的物理过程进行详细地分析,并对其工作在不同的极性配置方式下开展了一系列实验。主要研究LTVS在不同极性配置方式下的导通时延大小及其分散性的关系,从而为LTVS的结构优化设计提供理论依据。实验验证了LTVS在正极性配置下的工作可靠性高、时延小,当工作在正极性配置下,有利于阴极斑点的形成,减小导通时延及其分散性,提高其可靠性,说明了等离子体的扩展过程实际上是近阴极区等离子体鞘层的增长过程。

电弧参数对激光触发真空开关重频开断特性的影响

激光触发真空开关(LTVS)的电弧特性受外电路参数和触发材料的综合作用,影响其开断性能。该文基于可拆卸真空腔体搭建实验电路,改变电流频率、工作电压、电流峰值、电极结构及触发材料种类等因素,对比相应条件下LTVS的完全开断时间差异,分析不同电弧参数对LTVS重频开断特性的影响,讨论LTVS开断过程中真空电弧与触发材料的作用关系。实验结果表明,LTVS的完全开断时间随电流峰值和工作电压的上升而增长,随电流频率的增加而缩短;纵磁电极对LTVS开断能力的提升效果随电流频率变化;LTVS的开断特性受触发材料种类影响明显,NaCl、KCl、TiH2和Ti+KCl几种材料中,热传导能力最佳的Ti+KCl开断特性最差,开断频率1.4kHz,峰值2.6kA的电流所需时间约为7ms。研究结果可为LTVS产品设计提供参考。

脉冲激光波形和能量对多棒极型激光触发真空开关性能影响的实验研究

研究了脉冲波形对自行设计的多棒极型激光触发真空开关的时延、抖动和最低导通电压等参量的影响。理论分析并且实验研究了单峰脉冲与双峰脉冲在开关的触发阶段和导通阶段对主电路导通特性的影响。结果证明相同能量且脉宽较短的单峰脉冲导致的时延、抖动均比双峰脉冲小,两者最低导通电压相等,为优化触发激光脉冲波形提供依据和参考。通过改变照射的单峰脉冲能量,并且用场致发射扫描电子显微镜观测,研究了不同能量脉冲对靶电极质量损耗以及成分损耗比例的区别,为进一步提高靶电极寿命提供依据和参考。

不同极性激光触发真空开关触发机制研究

激光触发真空开关(LTVS)的触发特性主要取决于初始等离子体的产生及发展特性。基于可拆卸真空腔体搭建实验电路,改变激光功率密度、激光焦斑面积、电场强度、电极间距等参数,结合不同极性下LTVS内初始等离子体产生及发展过程,分析相应条件下锥靶LTVS的触发特性。实验结果表明:正极性LTVS触发特性明显优于负极性LTVS。增加激光功率密度、增加激光焦斑面积、增加间隙内电场强度及缩短电极间距可有效减少LTVS触发时延。随着激光功率密度的增加,LTVS触发时延逐渐降低且趋于稳定;正负极性LTVS触发时延差距随激光功率密度增加明显减小,在激光功率密度为14.98×10~7W/cm^2时两者差距仅为6.5ns。

激光触发真空开关光谱和导通特性实验研究

为了研究激光触发真空开关的靶材激光诱导击穿光谱和电弧光谱,分析影响时延抖动的微观因素,利用单脉冲纳秒激光轰击位于开关阴极的靶材激发等离子体,采用滤光片和光电倍增管组合使用的方法,取得了离散波长光强的数据,建立拟合曲线,进行了理论分析。结果表明,脉冲激光能量增大可以提高靶材激光诱导击穿光谱的强度,但几乎不影响电弧光谱的强度;增大开关两端电压可以提高电弧光谱强度;在开关强电场作用下,电弧等离子体碰撞激发,等离子体的成分比例随电压大小发生变化;时延抖动与电压大小无关,与自由电子运动状态和电弧离子种类无关,主要在触发阶段受影响,而相比激光能量,开关电压大小对导通时的电压下降沿陡度起主要作用。这一结果对激光触发真空开关中激光与靶材相互作用、脉冲电弧和时延抖动的进一步研究是有帮助的。

激光触发真空开关的微电流研究

从微电流的角度分析激光触发真空开关(laser triggered vacuum switch,LTVS)的触发特性。通过设计微电流测试电路,在开关两端施加一定的电压,施加电压值不能使开关导通,这样可以更好的分析开关导通前,开关内部初始等离子体的发展情况。通过实验发现,在双脉冲激光作用下,平面型LTVS的微电流随着施加电压的增加而增加,连续两次脉冲激光照射平面型LTVS的目标材料,产生更多的初始等离子体。结果表明,双脉冲激光的触发模式,有利于降低开关导通所需的触发能量,微电流的产生是ns级,使得开关可以高速稳定的导通,从而有利于开关整体装置的小型化与实用化设计。

激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性

研究了激光触发多级多通道开关的触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验参量的依赖关系,建立了零维数值模拟模型对实验现象进行了理论解释。实验结果表明:触发延迟时间及其抖动随激光脉冲能量、工作电压、气压上升呈下降趋势;随SF6 N2混合气中SF6体积百分含量上升呈上升趋势。欠压比大于等于90%时200kV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟时间抖动小于1ns。

4MV激光触发多级多通道开关特性

报道了4 MV激光触发多级多通道开关的结构设计和初步的实验结果及分析。该开关采用轴向聚焦触发方式,设计为匀场结构,采用场调整环与匀压环调整开关间隙电场分布,电极-绝缘子序列采用堆栈结构替代榫接结构,独立定位、紧固。实验结果表明:4 MV激光触发多级多通道开关的自击穿电压偏差小于5%,自击穿电压与工作气压呈良好的线性关系;触发延迟时间约25 ns,极差小于±2.5 ns,抖动1.5 ns;等工作电压-气压比条件下,随着气压和工作电压的上升触发延迟时间及其抖动趋向下降。