激光觸發(fā)真空開關(guān)的設(shè)計(jì)及觸發(fā)機(jī)理研究.pdf

1、激光觸發(fā)真空開關(guān)(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)作為一種先進(jìn)的高壓強(qiáng)流脈沖開關(guān)，具有介質(zhì)恢復(fù)速度快、工作電壓范圍寬、觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)短、可實(shí)現(xiàn)電氣隔離和重頻觸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。為改進(jìn)LTVS的觸發(fā)性能，減少激光觸發(fā)能量閥值，提高耐燒蝕能力及延長(zhǎng)工作壽命，本文設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)間隙的多棒極型激光觸發(fā)真空開關(guān)(Multirod Laser Triggered Vacuum Switch, MLTVS)，闡述了激光觸發(fā)

2、系統(tǒng)和開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，測(cè)試了其工作特性，并探索了開關(guān)的觸發(fā)機(jī)理。
　　本文首先介紹了LTVS設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，包括真空擊穿機(jī)理及影響因素、真空電弧的一般特性和激光觸發(fā)機(jī)理?；诶碚撗芯浚|發(fā)源選取具有良好物理-化學(xué)特性的固體Nd:YAG激光器，開關(guān)主電極選取由銅鉻合金制成的梯形多棒電極結(jié)構(gòu)，絕緣外殼選擇玻璃，靶電極采用了氯化鉀和鈦粉混合制成的圓錐型結(jié)構(gòu)并置于陰極平臺(tái)中央。由此完成了對(duì)MLTVS的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了激光器的小型化。其次，搭建

3、光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)試回路，測(cè)試了MLTVS在長(zhǎng)波長(zhǎng)1064 nm下的工作性能：延時(shí)時(shí)間最低可達(dá)17 ns，抖動(dòng)時(shí)延可達(dá)幾個(gè)納秒；激光觸發(fā)能量閥值為0.4 mJ；工作電壓范圍為30 V~20 kV；單個(gè)靶電極焦斑的觸發(fā)工作壽命為18000次。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開關(guān)工作在正極性模式下，由于主要的載流子為電子更有利于形成陰極斑點(diǎn)，降低時(shí)延，提高觸發(fā)成功率；增加激光觸發(fā)能量可降低延遲和抖動(dòng)時(shí)間；各個(gè)電壓下的延遲和抖動(dòng)時(shí)間差值較小。最后，為探究開關(guān)的觸發(fā)機(jī)理

4、，實(shí)驗(yàn)研究了焦斑能量密度、離焦、焦斑功率密度和偏振特性等對(duì)開關(guān)工作性能的影響并探測(cè)了開關(guān)的脈沖電弧和激光誘導(dǎo)擊穿光譜，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象認(rèn)為開關(guān)的導(dǎo)通觸發(fā)是熱離子發(fā)射和激光燒蝕機(jī)理共同作用的結(jié)果。隨后測(cè)試了MLTVS的觸發(fā)壽命并觀察了不同觸發(fā)次數(shù)下靶電極焦斑上殘留元素的含量變化，進(jìn)一步探討了LTVS的觸發(fā)導(dǎo)通機(jī)理。隨觸發(fā)次數(shù)的增加，焦斑上殘留的KCl含量不斷降低最終趨于0，而鈦粉含量則不斷增加，認(rèn)為開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通的初始等離子體主要來源于KCl。