激光触发开关的电参数测量

为进行PTS装置单路样机激光触发开关的调试,设计安装了相应的电压电流探头。通过对比分析了探头测量结果,解释了开关出口D-dot电压探头波形畸变的原因,并运算得到了正确的波形。B-dot探头得到了与模拟结果符合的电流微分信号和电流信号。实验结果表明:D-dot探头适合MV量级的高电压脉冲测量,但当该探头工作在开关区时,设计中需要对比探头与被测电极以及其它电极的结构电容,只有满足结构电容远大于与其它高压电极的电容时,才能获得较真实的信号。如果结构设计中难以满足该要求,可以采用软件处理方法得到正确的波形。使用B-dot探头输出的电流微分信号可以较为准确地得到开关导通延迟时间,测量误差小于0.7ns。

圆柱电极激光触发开关击穿前的模拟计算

在加入SF6气体与电子的碰撞反应截面后,利用基于PIC-MCC方法的XOOPIC程序,对天光Ⅰ号激光装置预放大器上的圆柱电极激光触发开关进行击穿前流柱形成过程的模拟计算。详述了模拟条件的选择及激光触发条件的等效,并给出了模拟结果。模拟结果表明,在弧道初始半径约为250μm的条件下,经过0.15 ns后正离子到达阴极,开关导通。因此验证了通过PIC-MCC方法模拟,可以为开关弧道的电阻的动态变化的电路模拟给出初始条件,使之能够更为准确的预测开关的导通行为,为开关设计提供了一个新的工具。

高压大电流SF_6激光触发开关中透镜的污染

研究了高压大电流SF6激光触发开关在使用过程中透镜污染的问题,通过对激光触发开关中被污染透镜透过率的测量、透镜表面附着物的分析和透镜使用寿命的数据积累,总结出氟化氢的腐蚀和开关粉尘附着是造成激光开关透镜透过率降低、以致失效的主要原因。通过三种激光触发开关结构参数分析和开关运行数据的比较,认为采用氟化钙透镜、低吸水性绝缘材料、选择轴向绝缘V/N型辅助间隙多电极开关结构、铜钨合金电极、脱水处理等措施,可以降低氟化氢和粉尘的产额,从而增加开关的工作寿命。

强光一号激光触发开关的触发系统

介绍了基于强光一号实验平台的2MV级激光触发开关(LTGS)实验中触发系统的设计与应用情况。系统中使用了一台266nm四倍频Nd:YAG激光器,单次触发输出参数为80mJ,7ns,0.5mrad的激光脉冲,用于触发LTGS。激光器的触发源为两台DG535脉冲发生器,联合强光一号触发信号发生装置使用,保证了激光脉冲与开关电压峰值的同步性。触发系统在自击穿电压波峰前200ns将激光脉冲馈入开关,在充气0.2～0.3MPa条件下均能成功触发,得到了充气0.3MPa时触发抖动3.86ns的结果。

火花通道长度对激光触发开关特性的影响

利用超高速相机,在曝光时间100ns时,对不同能量下激光在氮气气体开关中形成的火花通道进行拍照,得到了不同焦距下激光波长266nm时激光火花通道长度与激光能量的关系。开展了激光触发气体火花开关的实验研究,激光触发开关延时、抖动随激光能量的增加而减小。将火花通道长度与激光触发开关的特性进行了分析,气体开关的抖动随着激光火花通道长度的增加而减小,当火花通道沿电极间轴向长度达到开关电极间距40%时,开关的抖动为亚ns量级。

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。

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。

XeCl激光触发气体开关的实验研究

通过实验研究了在自流工作状态下,XeCl准分子激光(λ=308nm,FWHM=21ns)对N_2和SF_6两种气体开关的触发特性。实验结果表明:(1)在p=0.1MPa,开关工作电压90％V_(SB)(V_(SB)为开关的自击穿电压)时,XeCl激光对N_2和SF_6两种气体开关的触发阈值约为10~8W/cm^2。(2)开关的触发延时和抖动随着激光能量和开关欠压比的增大而减小,当激光能量为33.8mJ,开关工作电压90％V_(SB)(V(SB)=36.5kV)时,充N_2开关的延时和抖动分别为85.5ns和400ps。相同欠压比下,SF_6气体开关(V_(SB)=52kV)的最小抖动度为2ns。(3)SF_6气体开关的触发延时与用T.H.Martin公式计算的结果一致。

KrF激光触发气体开关的实验研究

本文主要介绍一台激光触发气体开关在直流电压下其延迟及抖动时间随输入激光功率、开关欠压比的变化以及在不同的工作条件（工作气体、欠压比等）下测量开关触发阈值的实验。文章给出了实验结果以及山这些结果得出的结论，并对一些结果进行了分析讨论。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。