激光觸發(fā)真空開關(guān)的觸發(fā)特性研究.pdf

1、激光觸發(fā)真空開關(guān)（LTVS）結(jié)合了電氣觸發(fā)真空開關(guān)（ETVS）和激光觸發(fā)氣體開關(guān)（LTGS）技術(shù)，將可能是一種先進(jìn)的高壓強(qiáng)流脈沖功率控制裝置，將具有通流容量大、觸發(fā)機(jī)構(gòu)隔離與重頻觸發(fā)控制方便、觸發(fā)時(shí)延抖動小等顯著優(yōu)勢。但關(guān)于LTVS的觸發(fā)機(jī)理和初始等離子體特性的研究，國內(nèi)外的相關(guān)研究報(bào)告不多見，研究剛剛起步，很不成熟。本文將以自行設(shè)計(jì)的激光觸發(fā)真空開關(guān)為對象，進(jìn)行開關(guān)的觸發(fā)機(jī)理、初始等離子體特性及發(fā)展過程、主間隙引弧過程以及有關(guān)影響要素

2、與影響機(jī)制等的實(shí)驗(yàn)與理論研究。針對配套激光器小型化要求，對激光觸發(fā)目標(biāo)材料結(jié)構(gòu)、激光光路與聚焦方式、激光波形參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究，盡可能地降低需要的激光觸發(fā)能量，優(yōu)化開關(guān)的工作性能。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴分析了LTVS的觸發(fā)機(jī)理，分為激光燒蝕、光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射、多光子電離和級聯(lián)電離五種方式；對比了三種不同工作物質(zhì)的激光器：固體激光器、氣體激光器和染料激光器，選用固體Nd:YAG激光器作為觸發(fā)源；目標(biāo)材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)是

3、逸出功、活躍性、熔點(diǎn)和毒性，材料太活躍、有毒或者熔點(diǎn)低都不適合做目標(biāo)材料。如果目標(biāo)材料的逸出功小于4.66eV，那么選擇266nm的激光比較合適，容易發(fā)生光電效應(yīng)。為了降低開關(guān)導(dǎo)通所需的激光能量，實(shí)驗(yàn)選擇了KCl和Ti的混合物作為目標(biāo)材料，選擇 KCl的原因是其良好的溫度-蒸汽壓力特征（當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，固態(tài)材料蒸發(fā)為氣態(tài)）和低電離能，鈦粉的作用是吸收激光輻射。當(dāng)1064nm的激光聚焦在目標(biāo)材料時(shí)，鈦粉吸收激光能量，將熱量傳遞給氯化鉀，

4、氯化鉀固態(tài)受熱揮發(fā)成氣態(tài)，在光場和電場的共同作用下，熱離子發(fā)射或者多光子電離氯化鉀產(chǎn)生初始等離子體，初始等離子體加速向電極運(yùn)動，撞擊電極表面，產(chǎn)生大量電子、金屬離子和金屬蒸汽，電子、金屬離子和金屬蒸汽在電場的作用下，進(jìn)一步發(fā)生碰撞電離，釋放更多的電子、離子、原子和微粒，放電通道形成，開關(guān)導(dǎo)通。
　?、圃O(shè)計(jì)了兩種類型的激光觸發(fā)真空開關(guān)，平面型LTVS和多棒型LTVS。以往的LTVS間隙距離小于5mm，難以承受很高的電壓，開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)

5、計(jì)為平面型，真空電弧容易積聚，難以耐受很高的電流，本文借鑒真空觸發(fā)開關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，將開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為多棒極，避免了真空電弧的集中燒蝕難題，增加了間隙距離。同時(shí)改進(jìn)了目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu)，將其設(shè)計(jì)為圓錐形，置于陰極之上，這樣增大目標(biāo)材料的受光面積，使目標(biāo)材料壽命得到提高，且減少了對激光能量的要求。對初始等離子體的發(fā)展過程進(jìn)行仿真，同時(shí)開展了兩種類型開關(guān)的電場仿真。設(shè)計(jì)了初始等離子體電流測量的電路，并且分析了初始等離子體和真空電弧的發(fā)展過程。

6、>　?、谴罱▽?shí)驗(yàn)平臺，完成對不同目標(biāo)材料及混合目標(biāo)材料、通孔直徑、凹槽深度、開關(guān)型式、聚焦長度、離焦量和偏振的實(shí)驗(yàn)，并且應(yīng)用了雙脈沖激光器。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，間隙電壓、激光波長、激光能量、極性配置、開關(guān)型式、偏振作用、離焦量和聚焦長度對開關(guān)的觸發(fā)特性都有影響。間隙電壓越大，初始等離子體運(yùn)動速度越快，形成流注放電速度越快，時(shí)延越短。不同激光波長產(chǎn)生初始等離子體的機(jī)理可能不同，激光能量越大，產(chǎn)生的初始等離子體越多。在正極性模式下，有利于形成陰極斑點(diǎn)