激光觸發(fā)真空開關的設計及觸發(fā)機理研究.pdf

1、激光觸發(fā)真空開關(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)作為一種先進的高壓強流脈沖開關，具有介質恢復速度快、工作電壓范圍寬、觸發(fā)時延和抖動短、可實現(xiàn)電氣隔離和重頻觸發(fā)的優(yōu)點。為改進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工作壽命，本文設計了一種長間隙的多棒極型激光觸發(fā)真空開關(Multirod Laser Triggered Vacuum Switch, MLTVS)，闡述了激光觸發(fā)

2、系統(tǒng)和開關結構的設計，測試了其工作特性，并探索了開關的觸發(fā)機理。
　　本文首先介紹了LTVS設計的理論基礎，包括真空擊穿機理及影響因素、真空電弧的一般特性和激光觸發(fā)機理。基于理論研究，觸發(fā)源選取具有良好物理-化學特性的固體Nd:YAG激光器，開關主電極選取由銅鉻合金制成的梯形多棒電極結構，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構并置于陰極平臺中央。由此完成了對MLTVS的設計并實現(xiàn)了激光器的小型化。其次，搭建

3、光學實驗平臺和測試回路，測試了MLTVS在長波長1064 nm下的工作性能：延時時間最低可達17 ns，抖動時延可達幾個納秒；激光觸發(fā)能量閥值為0.4 mJ；工作電壓范圍為30 V~20 kV；單個靶電極焦斑的觸發(fā)工作壽命為18000次。實驗發(fā)現(xiàn)開關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，降低時延，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時間；各個電壓下的延遲和抖動時間差值較小。最后，為探究開關的觸發(fā)機理

4、，實驗研究了焦斑能量密度、離焦、焦斑功率密度和偏振特性等對開關工作性能的影響并探測了開關的脈沖電弧和激光誘導擊穿光譜，分析實驗現(xiàn)象認為開關的導通觸發(fā)是熱離子發(fā)射和激光燒蝕機理共同作用的結果。隨后測試了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，進一步探討了LTVS的觸發(fā)導通機理。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，認為開關觸發(fā)導通的初始等離子體主要來源于KCl。