激光觸發(fā)真空開關的觸發(fā)特性研究.pdf

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