殷 毅， 劉金亮， 楊建華， 李志強(qiáng)

(國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器的實(shí)驗(yàn)研究

殷 毅， 劉金亮， 楊建華， 李志強(qiáng)

(國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器并開(kāi)展了單次及1Hz重頻實(shí)驗(yàn)研究。該調(diào)制器由水介質(zhì)同軸脈沖形成線(xiàn)、激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)、脈沖變壓器、假負(fù)載等組成。在調(diào)制器主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電壓為-795kV時(shí)，激光到達(dá)開(kāi)關(guān)25ns后調(diào)制器主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，在負(fù)載上得到了電壓-402kV、電流26kA、脈沖寬度128ns的準(zhǔn)方波高功率電脈沖。當(dāng)調(diào)制器主開(kāi)關(guān)分別為氮?dú)?、六氟化硫時(shí)對(duì)調(diào)制器激光觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)的延時(shí)、抖動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，266nm激光觸發(fā)時(shí)，氮?dú)饩哂休^小的延時(shí)和抖動(dòng)；同時(shí)對(duì)自擊穿和激光觸發(fā)兩種情況下負(fù)載電壓的前沿特性進(jìn)行了對(duì)比，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

延時(shí)； 抖動(dòng)時(shí)間； 脈沖調(diào)制器； 激光觸發(fā)； 氣體開(kāi)關(guān)

1 引言

變壓器驅(qū)動(dòng)的高功率脈沖調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，作為高功率微波的驅(qū)動(dòng)源得到了廣泛的研究[1-3]，該種類(lèi)型調(diào)制器其主開(kāi)關(guān)通常采用電脈沖觸發(fā)或自擊穿的方式運(yùn)行。由于激光觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)具有延遲及抖動(dòng)小、預(yù)擊穿概率低、可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，是多臺(tái)脈沖功率裝置、多個(gè)開(kāi)關(guān)同步運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，將激光用于觸發(fā)該種類(lèi)型脈沖功率調(diào)制器，可以提高裝置運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性，為多臺(tái)裝置同步運(yùn)行打下基礎(chǔ)，因此開(kāi)展激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器的研究具有重要意義。本文開(kāi)展了激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器的單次及重頻實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)調(diào)制器的延時(shí)、抖動(dòng)特性進(jìn)行了分析。

2 激光觸發(fā)脈沖調(diào)制器結(jié)構(gòu)

變壓器型脈沖調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由初級(jí)觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)、脈沖變壓器、水介質(zhì)螺旋脈沖形成線(xiàn)、激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)[7]、負(fù)載等組成[8]。其中測(cè)量螺旋形成線(xiàn)充電電壓和假負(fù)載電壓采用電阻分壓器，假負(fù)載電流測(cè)量采用Rokowski線(xiàn)圈，初級(jí)觸發(fā)開(kāi)關(guān)、主開(kāi)關(guān)分別采用電脈沖觸發(fā)和激光脈沖觸發(fā)。加速器的初級(jí)儲(chǔ)能為12μF的脈沖高壓電容器，當(dāng)電容器充電到所要求的電壓時(shí)，輸入高壓電觸發(fā)脈沖，初級(jí)觸發(fā)氣體火花開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，在變壓器的初級(jí)回路產(chǎn)生高壓大電流，通過(guò)變壓器升壓給水介質(zhì)螺旋脈沖形成線(xiàn)充電。在形成線(xiàn)充電電壓達(dá)到指定電壓時(shí)，激光聚焦到開(kāi)關(guān)兩電極中心處，促使主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，形成線(xiàn)向負(fù)載放電。

螺旋脈沖形成線(xiàn)的特征阻抗Z及特征時(shí)間τ可根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算[9]：

(1)

(2)

式中，εr為儲(chǔ)能介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；r1和r2分別為脈沖形成線(xiàn)內(nèi)筒和外筒的半徑；φ為形成線(xiàn)內(nèi)筒的螺旋角；c為真空中光速；l為形成線(xiàn)長(zhǎng)度。

所設(shè)計(jì)的形成線(xiàn)儲(chǔ)能介質(zhì)為去離子水，形成線(xiàn)內(nèi)筒的螺旋角為56°，計(jì)算可得形成線(xiàn)阻抗為15Ω，特征時(shí)間為128ns。

圖1 激光觸發(fā)脈沖調(diào)制器示意圖Fig.1 Schematic of laser triggered pulse generator

實(shí)驗(yàn)中所用的激光器為四倍頻的Nd∶YAG脈沖激光器。相比于激光波長(zhǎng)為532nm或1064nm的激光，266nm激光有更好的觸發(fā)特性[6-8]，因此實(shí)驗(yàn)中觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)時(shí)選用激光的波長(zhǎng)為266nm。激光通過(guò)一個(gè)焦距為64cm的透鏡聚焦后，沿氣體開(kāi)關(guān)電極的軸向進(jìn)入開(kāi)關(guān)，焦點(diǎn)位于開(kāi)關(guān)兩電極中心。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 典型的負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形

單次運(yùn)行時(shí)典型實(shí)驗(yàn)波形如圖2所示，其中圖2(a)顯示了形成線(xiàn)充電電壓波形，最高電壓為-795kV時(shí)(該電壓即為激光觸發(fā)時(shí)氣體開(kāi)關(guān)的擊穿電壓)，圖2(b)為圖2(a)的波形放大圖。激光到達(dá)開(kāi)關(guān)后延時(shí)25ns開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，形成線(xiàn)向假負(fù)載放電，負(fù)載上電壓為-402kV，電流為26kA，脈沖寬度約128ns，電功率約10GW。

圖2 單次運(yùn)行時(shí)實(shí)驗(yàn)波形Fig.2 Experimental waveforms at single shot

3.2 脈沖調(diào)制器重頻運(yùn)行及延時(shí)和抖動(dòng)

在激光波長(zhǎng)266nm、能量6mJ、氮?dú)馇穳罕?8%時(shí)，重頻1Hz情況下，10次實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。可以看出該調(diào)制器觸發(fā)條件下工作一致性較好。

圖3 重頻實(shí)驗(yàn)波形Fig.3 Experimental waveforms at repetitive shots

圖4和圖5給出了多次試驗(yàn)后，氮?dú)夂土蛟诓煌穳罕?PSB)下其延時(shí)、抖動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯?dāng)開(kāi)關(guān)欠壓比大于80%時(shí)，調(diào)制器的抖動(dòng)小于1ns；相比于SF6，開(kāi)關(guān)內(nèi)為N2時(shí)調(diào)制器具有較小的延時(shí)和抖動(dòng)特性。Martin給出的擊穿延時(shí)表達(dá)式為[10]：

ρτ=97800(E/ρ)-3.44

(3)

式中，ρ為氣體密度(g/cm3)；τ為延時(shí)(s)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度(kV/cm)。

圖4 激光觸發(fā)時(shí)調(diào)制器不同欠壓比下的延時(shí)Fig.4 Delay time of LTGS with different PSB

圖5 激光觸發(fā)時(shí)調(diào)制器不同欠壓比下的抖動(dòng)Fig.5 Jitter time of LTGS with different PSB

根據(jù)式(3)可知，電場(chǎng)強(qiáng)度增加，激光觸發(fā)的延時(shí)時(shí)間變小。同樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下，氣體的密度越高其對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)。即使考慮到同樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下，氮?dú)獾臍怏w壓強(qiáng)高于六氟化硫，六氟化硫仍然具有較高氣體密度，所以其開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)。

SF6開(kāi)關(guān)抖動(dòng)較大是因?yàn)镾F6為電負(fù)性氣體，產(chǎn)生的電子容易被吸附形成負(fù)離子，在增大擊穿電壓的同時(shí)也增大了開(kāi)關(guān)抖動(dòng)。

3.3 負(fù)載電壓的上升前沿比較

根據(jù)Martin給出的上升時(shí)間計(jì)算公式[10]，開(kāi)關(guān)前沿時(shí)間可以表示成電阻項(xiàng)時(shí)間常數(shù)和電感項(xiàng)時(shí)間常數(shù)的和，其表達(dá)式為：

(4)

式中，τ的單位為ns；ρ/ρ0為氣體密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度之比；擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb的單位為10kV/cm；間距l(xiāng)單位為cm；Z為驅(qū)動(dòng)阻抗(傳輸線(xiàn)與負(fù)載電阻之和)，單位為Ω。

當(dāng)激光為強(qiáng)觸發(fā)方式時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度El高于弱觸發(fā)或無(wú)觸發(fā)方式電場(chǎng)強(qiáng)度E，如圖6所示[11]。

圖6 激光的弱觸發(fā)與強(qiáng)觸發(fā)Fig.6 Weakly triggered gap and strongly triggered gap

圖6中，有

E1=V/(D-X)=E/(1-X/D)

(5)

式中，D為間距；X為受到激光加熱和電離的部分短路的間隙長(zhǎng)度；V為兩電極間電壓。

因此激光觸發(fā)可以使電阻項(xiàng)時(shí)間減小。此外激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通道為一條直線(xiàn)，相比于自擊穿開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通道的隨機(jī)曲線(xiàn)，導(dǎo)通距離更短，因此激光觸發(fā)條件下其電感項(xiàng)時(shí)間更小。所以激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)應(yīng)有較小的前沿時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的激光觸發(fā)與自擊穿條件下負(fù)載波形對(duì)比如圖7所示?？梢钥闯?，負(fù)載上電壓上升前沿約30ns(0～100%)，激光觸發(fā)對(duì)負(fù)載波形前沿影響較小，基本可以忽略。

圖7 負(fù)載電壓前沿時(shí)間比較Fig.7 Rise time comparison of load voltages

下面對(duì)激光觸發(fā)下相比自擊穿條件下前沿減小的時(shí)間進(jìn)行估算。對(duì)于電阻項(xiàng)前沿，根據(jù)文獻(xiàn)[12]中266nm激光在相同焦距下對(duì)0.3MPa SF6氣體開(kāi)關(guān)的拍照?qǐng)D像的分析結(jié)果，6mJ激光形成火花通道長(zhǎng)度約1.7cm。實(shí)驗(yàn)中開(kāi)關(guān)電極間距3.5cm，假設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度由230kV/cm增加到460kV/cm，SF6氣體密度取6.5×10-3g/cm3，計(jì)算可得電阻項(xiàng)時(shí)間減小引起前沿減小的時(shí)間為1.1ns。對(duì)于電感項(xiàng)前沿，假設(shè)火花通道導(dǎo)致開(kāi)關(guān)間距減小2cm，計(jì)算可得電感項(xiàng)減小時(shí)間為0.9ns。

考慮到激光觸發(fā)下電阻項(xiàng)與電感項(xiàng)前沿減小時(shí)間之和約2ns，相比于調(diào)制器本身30ns前沿，所以其前沿時(shí)間減小不明顯。

4 結(jié)論

本文對(duì)激光觸發(fā)變壓器型脈沖調(diào)制器開(kāi)展了單次及1Hz下的重頻實(shí)驗(yàn)研究。單次工作開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電壓-795kV時(shí)，負(fù)載上得到了電壓-402kV、電流26kA、脈寬128ns的準(zhǔn)方波脈沖輸出，激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通延時(shí)為25ns。重頻條件下，該調(diào)制器可穩(wěn)定工作；當(dāng)調(diào)制器主開(kāi)關(guān)分別為N2、SF6時(shí)對(duì)調(diào)制器激光觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)的延時(shí)、抖動(dòng)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明N2具有較小的延時(shí)和抖動(dòng)；同時(shí)對(duì)自擊穿和激光觸發(fā)兩種情況下負(fù)載電壓的前沿特性進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)表明激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)與自擊穿開(kāi)關(guān)負(fù)載電壓前沿時(shí)間基本一致。

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Experimental investigation of a laser triggered transformer type pulse generator

YIN Yi, LIU Jin-liang, YANG Jian-hua, LI Zhi-qiang

(College of Opto-electric Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

A laser triggered transformer type high voltage pulse accelerator is built and experimentally investigated. The pulse accelerator consists of a water dielectric coaxial pulse forming line (PFL), a laser triggered gas switch (LTGS), a pulse transformer, capacitors and a dummy load. When the pulse accelerator is charged to the voltage of -795kV, the LTGS is triggered by the laser, then a quasi-square electrical pulse with voltage -402kV, current 26kA and pulse width 128ns is obtained at the load. The delay time from the laser pulse to the load electrical pulse is 25ns. Gas switch filled with N2has smaller delay and jitter time compared with switch filled with SF6. Jitter time of the pulse is less than 1ns, when the accelerator is operated in the repetitive mode. Rise times of the output pulses voltage are also analyzed when the switch is self breakdown or laser triggered.

delay time; jitter time; pulse generator; laser triggered; gas switch

2015-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177167)

殷 毅(1979-)， 男， 遼寧籍， 副研究員， 博士， 研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)及強(qiáng)流電子束源； 劉金亮(1964-)， 男， 湖南籍， 研究員， 博士， 研究方向脈沖功率技術(shù)及強(qiáng)流電子束源。

TN242

A

1003-3076(2016)11-0025-04