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文檔簡介
1、激光觸發(fā)真空開關(LTVS)結合了電氣觸發(fā)真空開關(ETVS)和激光觸發(fā)氣體開關(LTGS)技術,將可能是一種先進的高壓強流脈沖功率控制裝置,將具有通流容量大、觸發(fā)機構隔離與重頻觸發(fā)控制方便、觸發(fā)時延抖動小等顯著優(yōu)勢。但關于LTVS的觸發(fā)機理和初始等離子體特性的研究,國內外的相關研究報告不多見,研究剛剛起步,很不成熟。本文將以自行設計的激光觸發(fā)真空開關為對象,進行開關的觸發(fā)機理、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影響要素
2、與影響機制等的實驗與理論研究。針對配套激光器小型化要求,對激光觸發(fā)目標材料結構、激光光路與聚焦方式、激光波形參數(shù)等進行優(yōu)化設計方法研究,盡可能地降低需要的激光觸發(fā)能量,優(yōu)化開關的工作性能。本研究主要內容包括:
?、欧治隽薒TVS的觸發(fā)機理,分為激光燒蝕、光電效應、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;目標材料選擇的標準是
3、逸出功、活躍性、熔點和毒性,材料太活躍、有毒或者熔點低都不適合做目標材料。如果目標材料的逸出功小于4.66eV,那么選擇266nm的激光比較合適,容易發(fā)生光電效應。為了降低開關導通所需的激光能量,實驗選擇了KCl和Ti的混合物作為目標材料,選擇 KCl的原因是其良好的溫度-蒸汽壓力特征(當達到一定溫度時,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1064nm的激光聚焦在目標材料時,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,開關導通。
⑵設計了兩種類型的激光觸發(fā)真空開關,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,開關的結構設
5、計為平面型,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)開關的經(jīng)驗,將開關結構優(yōu)化設計為多棒極,避免了真空電弧的集中燒蝕難題,增加了間隙距離。同時改進了目標材料的結構,將其設計為圓錐形,置于陰極之上,這樣增大目標材料的受光面積,使目標材料壽命得到提高,且減少了對激光能量的要求。對初始等離子體的發(fā)展過程進行仿真,同時開展了兩種類型開關的電場仿真。設計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▽嶒炂脚_,完成對不同目標材料及混合目標材料、通孔直徑、凹槽深度、開關型式、聚焦長度、離焦量和偏振的實驗,并且應用了雙脈沖激光器。實驗發(fā)現(xiàn),間隙電壓、激光波長、激光能量、極性配置、開關型式、偏振作用、離焦量和聚焦長度對開關的觸發(fā)特性都有影響。間隙電壓越大,初始等離子體運動速度越快,形成流注放電速度越快,時延越短。不同激光波長產(chǎn)生初始等離子體的機理可能不同,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
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