蔣西平 廖敏夫 趙 巖 段雄英 鄭春陽(yáng)

(1.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116024 2.國(guó)網(wǎng)重慶電力公司電力科學(xué)研究院 重慶 401121)

平板電極型激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通特性研究

蔣西平1,2廖敏夫1趙 巖1段雄英1鄭春陽(yáng)1

(1.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116024 2.國(guó)網(wǎng)重慶電力公司電力科學(xué)研究院 重慶 401121)

強(qiáng)激光觸發(fā)方式的真空開(kāi)關(guān)由于觸發(fā)精度高、可靠性好、并能有效避免觸發(fā)裝置的電磁干擾，在快速關(guān)合開(kāi)關(guān)、電磁發(fā)射、串聯(lián)補(bǔ)償電容保護(hù)等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)了一種平板電極型激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)。為了提高其觸發(fā)壽命，針對(duì)觸發(fā)電極進(jìn)行優(yōu)化。觸發(fā)電極耐燒蝕，靶材選取TiH2，其能為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通提供豐富的初始等離子體，開(kāi)關(guān)的觸發(fā)性能得到加強(qiáng)，開(kāi)關(guān)的最短時(shí)延可達(dá)650ns。詳細(xì)討論激光參數(shù)、聚焦鏡位置、主電壓值等對(duì)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)閾值、最低工作電壓和時(shí)延特性的影響，提出觸發(fā)閾值理論和電弧形成機(jī)制，為此類(lèi)開(kāi)關(guān)的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明：開(kāi)關(guān)穩(wěn)定的觸發(fā)閾值達(dá)4.5×107W/cm2，最低工作電壓為30V；采用正常聚焦模式能大幅度降低開(kāi)關(guān)的時(shí)延；電弧電流的開(kāi)始階段存在強(qiáng)烈振蕩過(guò)程，電流值大于5A后，如果外加電壓足夠高，振蕩現(xiàn)象消失，真空電弧穩(wěn)定燃燒。

激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān) 觸發(fā)閾值 最低工作電壓 時(shí)延特性 電弧形成機(jī)制

0 引言

觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)(TriggeredVacuumSwitch，TVS)具有工作電壓范圍寬、承載電荷量高(可達(dá)上千庫(kù)侖)、動(dòng)作迅速、控制精度高、介質(zhì)恢復(fù)迅速、無(wú)噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，一直是高壓大電流快速關(guān)合[1]、電磁發(fā)射[2]、串聯(lián)補(bǔ)償電容保護(hù)[3]等領(lǐng)域的重要開(kāi)關(guān)器件。其工作方式主要有沿面擊穿型、場(chǎng)擊穿型、電子束流型、激光束照射型等[4,5]。激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)(LaserTriggeredVacuumSwitch，LTVS)采用強(qiáng)激光觸發(fā)方式，由于激光的脈寬窄、上升時(shí)間小、相干性好、功率密度高，其觸發(fā)精度高，可靠性好，并能避免觸發(fā)裝置的電磁干擾[6]。精心設(shè)計(jì)的高性能LTVS作為快速關(guān)合開(kāi)關(guān)是可行的，而且潛力巨大，在其他脈沖功率領(lǐng)域同樣具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1973年，A.A.Makarevich等[7]率先把激光用于真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)領(lǐng)域，并將該開(kāi)關(guān)成功應(yīng)用到ns級(jí)脈沖整形當(dāng)中。通常，針對(duì)激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)特性研究大多是氣體開(kāi)關(guān)、水開(kāi)關(guān)，如文獻(xiàn)[8]對(duì)激光觸發(fā)空氣開(kāi)關(guān)的激光誘導(dǎo)等離子體的過(guò)程進(jìn)行了研究，平均擊穿時(shí)延能達(dá)到亞s級(jí)；文獻(xiàn)[9]提出采用固體材料作為激光氣體開(kāi)關(guān)的靶材能有效的降低激光能量，并能達(dá)到很小的抖動(dòng)；文獻(xiàn)[10]對(duì)激光觸發(fā)水介質(zhì)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)機(jī)理進(jìn)行了深入探究，激光作用點(diǎn)在水介質(zhì)中形成等離子體，在電場(chǎng)的作用下擴(kuò)散發(fā)展迅速形成電弧通道。而針對(duì)激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通機(jī)制卻少有研究，國(guó)外P.J.Brannon等[11]提出了一種在陰極采用復(fù)合材料(KCl和Ti)作為靶材的激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)運(yùn)行新模型，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通由兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程組成，即熱機(jī)制產(chǎn)生初始電流和離子再生機(jī)制形成主電流。國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)分別針對(duì)多棒極激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)[6]和長(zhǎng)間隙平板型激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)[12]的時(shí)延特性以及簡(jiǎn)單的觸發(fā)機(jī)理進(jìn)行了研究，得到的觸發(fā)性能優(yōu)于以往任何一種觸發(fā)方式的真空開(kāi)關(guān)。但是，這些研究大都是一些原理性的試探試驗(yàn)，對(duì)初始等離子體的產(chǎn)生和電弧的形成并沒(méi)有深入地涉及。

本文針對(duì)LTVS的觸發(fā)電極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其性能更加優(yōu)良。搭建LTVS實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，改變激光參數(shù)、聚焦鏡位置、主電壓值等，對(duì)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通性能進(jìn)行探究，重點(diǎn)研究開(kāi)關(guān)的觸發(fā)閾值、最低工作電壓和時(shí)延特性，進(jìn)而探究得出初始等離子體的產(chǎn)生和電弧的形成機(jī)制。

1 激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及觸發(fā)電極設(shè)計(jì)

1.1 激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

圖1為實(shí)驗(yàn)所采用的可拆LTVS整體結(jié)構(gòu)圖和剖面圖，可見(jiàn)LTVS由陶瓷絕緣外殼、金屬外殼、陽(yáng)極觸頭、陰極觸頭、靶電極、激光照射石英玻璃窗組成。絕緣外殼起到絕緣和支撐作用，金屬外殼與陶瓷外殼共同保證滅弧室真空度。滅弧室真空度由真空泵抽至1×10-4Pa以下。在金屬外殼側(cè)面留有一個(gè)玻璃觀(guān)察窗，能有效地觀(guān)察和拍攝開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)形成的電弧，并確認(rèn)激光是否準(zhǔn)確照射到靶極。開(kāi)關(guān)為平板電極結(jié)構(gòu)，兩電極采用導(dǎo)電性?xún)?yōu)良、分?jǐn)嚯娏髂芰Ω?、抗電弧熔蝕性能良好和抗表面熔焊能力強(qiáng)的銅鉻50合金制成，兩電極間隙距離為6mm(可以調(diào)節(jié))，觸頭直徑44mm。上觸頭光通孔直徑為2mm，下觸頭靶槽直徑為3mm。

1—石英玻璃和激光通孔；2—銅質(zhì)導(dǎo)桿；3—陶瓷絕緣；4—鋼材料的真空腔體蓋；5—鋼材料的真空腔體外殼；6—放有觸發(fā)材料的凹槽(靶極材料)；7—陽(yáng)極觸頭；8—玻璃窗口；9—高真空環(huán)境；10—陰極觸頭。圖1 開(kāi)關(guān)整體結(jié)構(gòu)圖和剖面圖Fig.1 Overall structure and cross-sectional diagram of switch

1.2 觸發(fā)電極優(yōu)化設(shè)計(jì)

觸發(fā)電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)是激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)和其他觸發(fā)方式真空開(kāi)關(guān)的最大不同。激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的初始等離子體源來(lái)自激光和靶材的相互作用。激光窄脈沖照射在靶材表面，在很短的時(shí)間內(nèi)，靶材吸收激光能量，然后通過(guò)熱傳導(dǎo)致使靶材表面熔化，進(jìn)而揮發(fā)產(chǎn)生熱蒸氣。當(dāng)功率密度達(dá)到一定值之后，一般在108W/cm2左右，金屬表面蒸發(fā)強(qiáng)烈，這樣去吸附氣體、電介質(zhì)薄膜和金屬蒸氣將會(huì)被電離[13]，產(chǎn)生充足的初始等離子體，致使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。

設(shè)計(jì)的靶電極位于陰極中心處，靶電極與激光入射保持垂直，激光經(jīng)過(guò)聚焦后正好能照射在靶電極中間處。文獻(xiàn)[9]指出，大多靶材無(wú)法經(jīng)受住開(kāi)關(guān)高溫電弧強(qiáng)烈的燒蝕，影響開(kāi)關(guān)的壽命。因此，本文采用了一種解決方案，如圖2a所示，即在陰極表面設(shè)計(jì)一個(gè)直徑5mm的凹槽，靶材置于其中，靶材表面距離陰極表面2mm。該距離的設(shè)計(jì)不能過(guò)大，否則會(huì)有效地增大開(kāi)關(guān)的時(shí)延、抖動(dòng)以及入射激光能量[6]。

圖2 靜電場(chǎng)仿真Fig.2 Electrostatic field simulation chart

圖3 場(chǎng)強(qiáng)特性曲線(xiàn)Fig.3 Field strength characteristic curve

對(duì)所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)間隙進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真，仿真電壓3kV，電場(chǎng)分布如圖2b所示。可以發(fā)現(xiàn)，靶電極附近的場(chǎng)強(qiáng)明顯低于陰極附近的場(chǎng)強(qiáng)。為了對(duì)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行定量分析，分別得到距離陰極表面0.2mm處直線(xiàn)1和距離陰極表面0.2mm處直線(xiàn)2的場(chǎng)強(qiáng)曲線(xiàn)，直線(xiàn)位置如圖2a所示，場(chǎng)強(qiáng)曲線(xiàn)如圖3所示。經(jīng)計(jì)算得到，直線(xiàn)1處平均場(chǎng)強(qiáng)612kV/m，直線(xiàn)2處平均場(chǎng)強(qiáng)139kV/m，即陰極附近的場(chǎng)強(qiáng)為靶電極附近的場(chǎng)強(qiáng)的4.4倍。靶電極較低的場(chǎng)強(qiáng)能有效地削弱高溫電弧對(duì)靶材的燒蝕，進(jìn)而提高了開(kāi)關(guān)的壽命。

1.3 靶材選取

靶材的選取關(guān)系到LTVS能否可靠觸發(fā)、觸發(fā)所需的能量和觸發(fā)的過(guò)程。觸發(fā)靶極材料采用觸發(fā)性能優(yōu)越的氫化鈦(直徑為74μm)。純鈦是一種比較優(yōu)良的金屬，吸氫密度高達(dá)9.2×1022/cm2，比液氫密度大1倍多。對(duì)于鈦吸氫來(lái)說(shuō)，由晶體的結(jié)構(gòu)理論來(lái)計(jì)算其飽和吸氫量是2.0，即形成TiH2。選擇氫化鈦?zhàn)鳛長(zhǎng)TVS的觸發(fā)材料是利用了它在真空高溫情況下的脫氫行為。另外，TiH2在600 ℃左右會(huì)出現(xiàn)一個(gè)吸熱峰，這表明TiH2在此600 ℃附近會(huì)分解得很劇烈；在680 ℃左右出現(xiàn)另一個(gè)吸熱高峰，分解程度更進(jìn)一步。在1 000 ℃左右時(shí)，這種氫化物可以分解形成氫。TiH2在無(wú)氧、氮存在的條件下發(fā)生如下分解反應(yīng)[14]

TiH2=Ti+H2↑

(1)

由式(1)可以看出，TiH2分解反應(yīng)發(fā)生后生成了金屬單質(zhì)Ti，鈦層逐漸形成，進(jìn)而將會(huì)逐漸包圍TiH2顆粒，分解析出的H2需穿過(guò)Ti層向外擴(kuò)散。

在LTVS觸發(fā)過(guò)程中，激光作用在靶材上的時(shí)間非常短，一般為ns級(jí)，這會(huì)使得TiH2瞬間釋放出大量的氣體，從而大大縮短結(jié)晶和內(nèi)擴(kuò)散化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，極高的反應(yīng)速度足夠提供豐富的初始等離子源。當(dāng)燃弧結(jié)束后，LTVS內(nèi)部殘余的氣體又被分解出來(lái)的純鈦吸收，恢復(fù)成TiH2粉末，同時(shí)內(nèi)部真空度和絕緣強(qiáng)度也恢復(fù)到原來(lái)的情況。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)

2.1 光學(xué)裝置

圖4為實(shí)驗(yàn)光學(xué)平臺(tái)，采用Nd：YAG固體激光器，型號(hào)DAWA-100，允許輸出激光波長(zhǎng)為1 064nm；激光脈沖寬度約為7ns，最大能量為177mJ，能量連續(xù)可調(diào)。激光器產(chǎn)生的激光先經(jīng)過(guò)全反鏡(99.99%)反射，再經(jīng)焦距為40cm、透過(guò)率為95%的聚焦透鏡會(huì)聚，會(huì)聚后透過(guò)JGS2型石英玻璃窗(90%)，最終照射到LTVS的靶電極上，產(chǎn)生初始等離子體。在進(jìn)行光路調(diào)節(jié)時(shí)，由側(cè)面的玻璃窗確認(rèn)激光是否照射到靶極上。靶極材料經(jīng)70kN強(qiáng)壓力壓制之后置于陰極中央靶槽中。

2.2 實(shí)驗(yàn)回路

實(shí)驗(yàn)主回路由充電回路和放電回路兩部分組成，放電回路采用LC振蕩回路，實(shí)驗(yàn)電路框圖如圖5所示。圖中，工頻交流220V的電壓通過(guò)自耦調(diào)壓器調(diào)壓，然后經(jīng)升壓變壓器，再經(jīng)高壓硅堆和充電電阻后，對(duì)高壓電容器充電。當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值，斷開(kāi)電源，停止充電，觸發(fā)激光器產(chǎn)生激光，LTVS導(dǎo)通放電，高壓電容兩端電壓下降。

電容器C的型號(hào)為MY20-9，額定電壓為20kV，實(shí)際電容值為8.7μF；高壓硅堆的反向耐壓值為30kV；水電阻的阻值為110MΩ；試驗(yàn)變壓器的型號(hào)為YD-5/50，單相，50Hz，戶(hù)內(nèi)式；負(fù)載電感采用繞組線(xiàn)圈，電感值為43.6μH。

2.3 測(cè)量電路

本實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的參數(shù)有TVS兩端電壓即主電容兩端電壓、通過(guò)LTVS的電流、激光器調(diào)Q輸出電壓。為此，采用TektronixP6015A電壓探頭測(cè)量電壓，其測(cè)量范圍為直流0～20kV(峰值可達(dá)40kV)，測(cè)量帶寬為直流至75MHz。采用TektronixA621電流探頭即電流鉗測(cè)量電流，測(cè)量范圍為0.1A～2kA(峰值電流可達(dá)5kA)，測(cè)量帶寬為直流和交流5Hz～50kHz。如圖4所示，為避免高壓的引入所帶來(lái)的危險(xiǎn)，在低電位處測(cè)量電流。所有被測(cè)量使用TektronixDPO3034示波器采樣，以激光器調(diào)Q的輸出電壓作為示波器的觸發(fā)信號(hào)。DPO3034示波器具有4通道，帶寬為500MHz，采樣率為2.5GS/s，性能優(yōu)越，可以滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)的要求。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

觸發(fā)閾值和最低工作電壓[12，15]是衡量LTVS觸發(fā)性能的兩個(gè)關(guān)鍵性因素。觸發(fā)閾值決定了產(chǎn)生的初始等離子體是否充足，最低工作電壓是等離子體擴(kuò)散的重要前提。而它們又直接或間接地影響了開(kāi)關(guān)的時(shí)延特性。因此，本文主要研究激光觸發(fā)能量、外加電壓、聚焦鏡位置等參數(shù)對(duì)觸發(fā)閾值、最低工作電壓和時(shí)延特性的影響，探究LTVS觸發(fā)導(dǎo)通的一般規(guī)律，深入分析LTVS電弧的形成過(guò)程。

圖6 LTVS導(dǎo)通成功波形Fig.6 Successful conduction waveforms of LTVS

圖7 開(kāi)關(guān)時(shí)延波形Fig.7 Time delay waveforms

圖6為激光器能量114mJ、主電極電壓400V時(shí)，LTVS觸發(fā)導(dǎo)通成功時(shí)的激光器調(diào)Q輸出電壓波形、主電極電壓波形、開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電流波形。激光調(diào)Q輸出發(fā)出信號(hào)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，主電極電壓開(kāi)始下降，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電流開(kāi)始上升。LTVS導(dǎo)通半個(gè)周期后在電流過(guò)零時(shí)成功開(kāi)斷，振蕩回路截止，電容C上殘留反向電壓。圖7為開(kāi)關(guān)的觸發(fā)時(shí)延波形。圖7中td1為激光器固有延遲時(shí)間，即從激光器調(diào)Q的電壓信號(hào)發(fā)出到激光器發(fā)出激光的時(shí)間，其值為940ns；td2為激光發(fā)出到開(kāi)關(guān)電流開(kāi)始上升的時(shí)間，其大小與激光光路、初始等離子體產(chǎn)生以及擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)，其值為681ns。本文將td2定義為開(kāi)關(guān)的總延遲時(shí)間，時(shí)延的測(cè)量為20次導(dǎo)通時(shí)延的平均值。

3.2 觸發(fā)閾值

觸發(fā)閾值是觸發(fā)開(kāi)關(guān)在一定結(jié)構(gòu)和欠電壓比情況下，所需的最小激光能通量密度[16]。在靶材、開(kāi)關(guān)參數(shù)和外施電壓一定的情況下，激光便成為了初始等離子體形成的唯一決定性因素，初始等離子體形成的多少是LTVS可靠導(dǎo)通的關(guān)鍵。因此，對(duì)觸發(fā)閾值的定量研究有著重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

在一定的電壓和真空度下，觸發(fā)閾值Jth可以按照如下的公式計(jì)算

(2)

式中，Qmin為觸發(fā)開(kāi)關(guān)所需的最小激光能量；τ為激光脈沖半高寬度；A為光斑面積。

文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)果表明電光調(diào)Q開(kāi)關(guān)的電源電壓對(duì)激光脈沖的性能有影響，可能進(jìn)而影響到開(kāi)關(guān)的臨界觸發(fā)能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)DAWA-100型激光器的調(diào)Q電源電壓小于360V，即能量低于30mJ，開(kāi)關(guān)已不能觸發(fā)，也就是說(shuō)此調(diào)Q電源電壓下的激光器性能下降嚴(yán)重。當(dāng)激光正常聚焦時(shí)測(cè)得的最小激光觸發(fā)能量都為30mJ，也就是說(shuō)如果采用性能更加優(yōu)良的激光器最小觸發(fā)能量值應(yīng)更小。因此，為了排除設(shè)備局限性帶來(lái)的不利影響，并準(zhǔn)確分析LTVS的觸發(fā)閾值，實(shí)驗(yàn)采用不聚焦模式。

本實(shí)驗(yàn)中使用的脈沖調(diào)Q固體激光器的激光脈沖束腰半徑為3mm，激光脈沖波長(zhǎng)為1 064nm，激光脈沖半高寬度7ns。當(dāng)不使用聚焦鏡時(shí)，激光發(fā)出的激光為平行光，此時(shí)照射到靶電極上的光斑半徑即為激光脈沖束腰半徑3mm。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)得開(kāi)關(guān)外施電壓為50、100、200、300、400、500V下的最小激光觸發(fā)能量為131、111、103、89、89、89mJ。激光能量的調(diào)節(jié)是由調(diào)節(jié)調(diào)Q電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)，調(diào)Q電壓步長(zhǎng)為5V，不能對(duì)能量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，所得最小激光能量存在調(diào)Q電壓±5V所產(chǎn)生的能量變化范圍。每個(gè)電壓下最小激光能量取10次實(shí)驗(yàn)的平均值。

圖8為不同工作電壓下LTVS的觸發(fā)閾值?？梢?jiàn)，在開(kāi)關(guān)外施電壓較低的情況下，LTVS的觸發(fā)閾值隨著電壓的增加而減少；當(dāng)電壓值超過(guò)300V，開(kāi)關(guān)的觸發(fā)閾值趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為4.5×107W/cm2。這個(gè)可以由LTVS的導(dǎo)通機(jī)制來(lái)解釋。開(kāi)關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通是熱機(jī)制和碰撞電離機(jī)制相互作用的結(jié)果[11]：熱機(jī)制指靶材在一定激光能量作用下產(chǎn)生初始等離子體，碰撞電離機(jī)制是指初始等離子體在外電場(chǎng)的作用下撞擊陽(yáng)極產(chǎn)生正離子，然后這些正離子反過(guò)來(lái)撞擊靶材，二次發(fā)射形成更多的等離子體，如此反復(fù)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。在外施電壓比較低的情況下，電壓越低，電極間電場(chǎng)強(qiáng)度就越弱，二次發(fā)射系數(shù)也就越小，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通就需要更多的初始等離子體，因此觸發(fā)閾值越高。當(dāng)電壓達(dá)到一定值之后，電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，二次發(fā)射產(chǎn)生的等離子體足夠多，此時(shí)熱機(jī)制起主要作用，只要產(chǎn)生的初始等離子體滿(mǎn)足觸發(fā)要求，開(kāi)關(guān)就能導(dǎo)通，因此觸發(fā)閾值基本保持不變。

圖8 不同工作電壓下LTVS的觸發(fā)閾值Fig.8 Trigger threshold of LTVS at different voltages

3.3 最低工作電壓

最低工作電壓是指LTVS在結(jié)構(gòu)參數(shù)、激光能量一定的情況下，能夠正常導(dǎo)通的最低外施電壓。對(duì)其進(jìn)行研究具有兩方面的現(xiàn)實(shí)意義：一是通過(guò)對(duì)最低工作電壓的探究能夠指導(dǎo)研究LTVS電弧形成機(jī)制，尤其是初始等離子體的擴(kuò)散過(guò)程；二是能夠得到LTVS工作的電壓范圍，有效地判斷LTVS的導(dǎo)通性能。

在開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)一定的情況下，最低工作電壓與激光參數(shù)和光路有關(guān)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)激光調(diào)Q開(kāi)關(guān)的電源電壓來(lái)改變激光的能量，選取激光器工作性能良好的能量范圍。光路的改變則由改變聚焦鏡的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于激光光路結(jié)構(gòu)和實(shí)際條件限制，實(shí)驗(yàn)采用四種配置方式，即正常聚焦方式、不聚焦方式、聚焦鏡上移40mm方式、聚焦鏡下移50mm方式。實(shí)驗(yàn)所得不同工作方式和不同激光能量下的最低工作電壓為10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)所取的平均值。圖9為不同工作方式和不同激光能量下的最低工作電壓。

圖9 不同工作方式和不同激光能量下的最低工作電壓Fig.9 Minimum operating voltage in different working modes and different laser energies

從圖9可以看出，在正常聚焦工作方式下，隨著能量的增加，最低工作電壓基本保持不變，并且電壓值較其他方式低，最低工作電壓值為30V。主要原因是在正常聚焦的情況下，能量密度遠(yuǎn)大于LTVS的觸發(fā)閾值，即熱機(jī)制作用顯著，產(chǎn)生的初始等離子體數(shù)量最為充分，開(kāi)關(guān)最容易導(dǎo)通。在不聚焦的情況下，較低激光能量不能使LTVS導(dǎo)通，即無(wú)論施加多高的電壓，開(kāi)關(guān)都無(wú)法導(dǎo)通，此現(xiàn)象很好地說(shuō)明了LTVS的觸發(fā)閾值理論。當(dāng)激光能量較低時(shí)，光斑能量密度還未達(dá)到開(kāi)關(guān)的觸發(fā)閾值，初始等離子體不能有效地形成，開(kāi)關(guān)不導(dǎo)通。除了正常焦距方式外，其他幾種方式的最低工作電壓隨激光能量的增加而下降，原因是激光能量增高，光斑功率密度越大，引起更多的觸發(fā)材料揮發(fā)，產(chǎn)生的初始等離子體數(shù)量增多，開(kāi)關(guān)越容易導(dǎo)通。

3.4 時(shí)延特性

保持激光能量為103mJ不變，進(jìn)行不同電壓下LTVS觸發(fā)實(shí)驗(yàn)，所得觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)如圖10所示?？梢?jiàn)，開(kāi)關(guān)的時(shí)延抖動(dòng)隨電壓上升呈逐步下降趨勢(shì)，在最低工作電壓附近，時(shí)延抖動(dòng)明顯較大。原因是在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通過(guò)程中，激光只是起觸發(fā)作用，提供初始等離子體，而開(kāi)關(guān)的閉合是在外加電場(chǎng)作用下形成流注的過(guò)程。工作電壓越高，流注形成速度越快，開(kāi)關(guān)延遲也就越小。工作電壓較低的情況下，電場(chǎng)作用微弱，流注形成較慢，開(kāi)關(guān)時(shí)延抖動(dòng)也就明顯較大。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在不聚焦方式下的開(kāi)關(guān)時(shí)延抖動(dòng)很大，約為正常聚焦方式下開(kāi)關(guān)時(shí)延的兩倍。這是因?yàn)榇思す饽芰肯拢痪劢狗绞较鹿獍吣芰棵芏葹?.2×107W/cm2，正常聚焦方式下光斑能量密度為2.3×1011W/cm2，由此正常聚焦時(shí)激光與觸發(fā)材料的作用時(shí)間也就小于不聚焦方式，開(kāi)關(guān)時(shí)延抖動(dòng)更短。

圖10 不同電壓下開(kāi)關(guān)觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)Fig.10 Time delay and jitter at different voltages

4 LTVS的觸發(fā)導(dǎo)通理論探討

4.1 觸發(fā)閾值理論

針對(duì)LTVS觸發(fā)閾值的產(chǎn)生，這里通過(guò)熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行解釋[13，18]。激光照射到靶材表面可以類(lèi)比于汽化潛熱現(xiàn)象。當(dāng)材料蒸發(fā)還比較弱時(shí)，如果只考慮表面加熱初始階段，靶材的光學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)等同于冷材料。

(3)

式中，ΔQ為激光脈沖能量；Δm為激光脈沖期間加熱材料表層質(zhì)量；A為有效的光斑面積；α為光吸收率；ρ為靶材質(zhì)量密度；Δx為熱擴(kuò)散長(zhǎng)度。

將材料表層的能量增加ΔQ/Δm與材料的蒸發(fā)潛熱qev進(jìn)行比較。此處引入2個(gè)參數(shù)：材料蒸發(fā)閾值Jth，激光蒸發(fā)閾值Jlaser。只有Jlaser的值大于Jth時(shí)，材料才能蒸發(fā)，產(chǎn)生初始等離子體。由此得到

(4)

推導(dǎo)式(3)和式(4)，可以得出任何一種材料激光蒸發(fā)閾值Jth的近似簡(jiǎn)化計(jì)算式為

(5)

由此，根據(jù)不同材料的熱力學(xué)特性[15]，可以計(jì)算得出它們各自的蒸發(fā)閾值Jth，見(jiàn)表1。

表1 不同材料的蒸發(fā)閾值

Tab.1Evaporationthresholdofmaterials

觸發(fā)材料Jth/(W/cm2)Al1.03×109C6.71×107Cu1.83×109Ti9.55×107W6.00×108

本實(shí)驗(yàn)采用的材料為T(mén)iH2，其在400 ℃就開(kāi)始受熱發(fā)生分解，生成氫氣和鈦單質(zhì)。其蒸發(fā)閾值由氫氣和鈦單質(zhì)共同決定，由于混合物的熱力學(xué)過(guò)程尤為復(fù)雜，這里不再做深入分析，但值得注意的是TiH2的蒸發(fā)閾值應(yīng)接近于Ti的蒸發(fā)閾值(9.55×107W/cm2)，但較這個(gè)值低。理論值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的電壓300V時(shí)TiH2的觸發(fā)閾值4.5×107W/cm2吻合。由此可以看出，激光作用下，觸發(fā)材料蒸發(fā)是電弧產(chǎn)生的必要條件。計(jì)算的蒸發(fā)閾值，能夠作為判斷激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)是否導(dǎo)通的重要參數(shù)。

4.2 電弧形成機(jī)制

電弧的發(fā)展過(guò)程就是激光產(chǎn)生的初始等離子體擴(kuò)散發(fā)展的過(guò)程。為了研究電弧的形成，對(duì)電弧電流進(jìn)行了測(cè)量，圖11為激光能量為83mJ，電壓分別為100、200、30V時(shí)的電弧電流波形。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，電流的開(kāi)始階段振蕩強(qiáng)烈，此時(shí)陰極斑點(diǎn)還未形成，該階段并不依賴(lài)于外施電壓的大小。在電弧電流達(dá)到一定值之后，如果外加電壓足夠高，真空電弧才能建立。如圖11c所示，電弧電流開(kāi)始階段連續(xù)振蕩，由于外加電壓低至30V，不足以建立起自持燃燒的電弧，電弧很快熄滅。

電弧形成的初始決定條件是激光產(chǎn)生等離子體形成的陰極表面電流值大小。也就是說(shuō)，初始電弧電流的形成是初始等離子體與陰極表面相互作用的結(jié)果。文獻(xiàn)[17]發(fā)現(xiàn)，單電極電弧被點(diǎn)燃時(shí)，電極表面有凈離子電流的最小值存在，為104～105A/m2。激光真空電弧形成機(jī)制和單電極電弧相似，其凈離子電流由激光與靶材熱作用產(chǎn)生。

電弧電流初期的振蕩是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，只要真空電弧還沒(méi)有完全貫穿整個(gè)間隙，電弧電流值的上升就會(huì)受到空間電荷限制。由于等離子體的擴(kuò)散，電極間隙越來(lái)越小，因此電流值會(huì)一定程度增加。但是由于此階段未形成自持燃燒的電弧，電弧會(huì)在很短的時(shí)間熄滅，接著又被點(diǎn)燃，如此反復(fù)形成振蕩波電弧電流，如圖11所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)電流值大于5A，電流振蕩波消失，電弧穩(wěn)定燃燒。

圖11 正常聚焦模式下的電弧電流Fig.11 Arc current of normal focus mode

由上述的分析，可以得出激光觸發(fā)電弧形成機(jī)制。在主間隙電場(chǎng)的作用下，激光產(chǎn)生的初始等離子體向陽(yáng)極擴(kuò)展。由于電子和離子質(zhì)量上的差異以及由此引起的運(yùn)動(dòng)遷移性上的差異，在擴(kuò)展等離子體和陰極之間集中了大量的正離子，即空間電荷，形成所謂的近陰極正離子鞘層即陰極鞘層。由此，等離子體擴(kuò)展的過(guò)程實(shí)際上就是陰極鞘層向陽(yáng)極的增長(zhǎng)過(guò)程。當(dāng)鞘層中的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，以至超過(guò)了鞘層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，鞘層被擊穿，在陰極表面形成強(qiáng)烈發(fā)射的陰極斑點(diǎn)[20]。隨即電流密度迅速增加，形成弧光放電，建立起金屬蒸汽電弧，主間隙導(dǎo)通。

5 結(jié)論

1)本文通過(guò)靜電場(chǎng)分析對(duì)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，靶電極耐燒蝕，擁有較高的開(kāi)關(guān)壽命。靶材選取TiH2，其能為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通提供豐富的初始等離子體，提高了開(kāi)關(guān)的觸發(fā)性能，開(kāi)關(guān)的最短時(shí)延達(dá)到650ns。

2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析得出，LTVS在一定結(jié)構(gòu)和欠電壓比情況下存在觸發(fā)閾值。觸發(fā)閾值隨著電壓的增加而減少；當(dāng)電壓值超過(guò)300V，開(kāi)關(guān)的觸發(fā)閾值趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為4.5×107W/cm2。計(jì)算的蒸發(fā)閾值能夠作為判斷激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)是否導(dǎo)通的重要參數(shù)。

3)在正常聚焦工作方式下，隨著能量的增加，最低工作電壓基本保持不變，并且電壓值較其他方式低，最低工作電壓值為30V。在未聚焦方式、聚焦鏡上移40mm方式、聚焦鏡下移50mm方式下的最低工作電壓隨激光能量的增加而下降。

4)開(kāi)關(guān)的時(shí)延隨電壓上升呈逐步下降趨勢(shì)，在最低工作電壓附近，時(shí)延明顯較大。在不聚焦方式下的開(kāi)關(guān)時(shí)延很大，約為正常聚焦方式下開(kāi)關(guān)時(shí)延的兩倍。

5)電弧電流的開(kāi)始階段存在強(qiáng)烈振蕩過(guò)程，電流值大于5A后，如果外加電壓足夠高，振蕩現(xiàn)象消失，真空電弧穩(wěn)定燃燒。

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Research on Conduction Characteristics of Plate Electrode Type Laser Triggered Vacuum Switch

Jiang Xiping1,2Liao Minfu1Zhao Yan1Duan Xiongying1Zheng Chunyang1

(1.SchoolofElectricalEngineeringDalianUniversityofTechnologyDalian116024China2.StateGridElectricPowerReseachInstituteofChongqingElectricPowerCompanyChongqing401121China)

Highpowerlasertriggeredvacuumswitch，duetoitsaccuracy，reliabilityandanti-electromagneticinterference，hasaverybroadapplicationprospectsinmanyfield，suchasfastclosingswitch，electromagneticemissions，seriescompensationcapacitorprotection.Aflatelectrodetypelasertriggeredvacuumswitchispresented.Inordertoimproveitstriggerlife，thedesignofthetriggerelectrodeisoptimized.Thedesignedtriggerelectrodecanbeeffectivelyablativeresistant.TiH2isusedastargetmaterial，whichcanprovideextensiveinitialplasmafortheswitch.Thetriggerperformanceofswitchisimproved，andtheshortestdelayisupto650ns.Therelationshipamongthelaserparameters，focuslenspositions，appliedvoltagesandthetriggercharacteristicswhichmainlycontainthetriggerthreshold，minimumoperatingvoltageandthedelaytimeisanalyzedindetail.Triggerthresholdtheoryandarcignitionmechanismareproposedtoexplaintheswitchconduction，whichcanprovidethetheorybasisofthedesignoftheLTVS.Istheexperimentcanconcludedthatthestabletriggerthresholdcanreach4.5×107W/cm2，andtheminimumoperatingvoltageobservedis30V.Timedelayunderthenormalfocusmodecanbeeffectivelyreduced.Furthermore，itisfoundthattheprocessoflaser-stimulatedarcinitiationisofarandomnature.Ashorttransitionphaseofstronglyfluctuatingexists.Whenthearccurrentvalueisbeyond5Aandtheexternalvoltageishighenough，theoscillationphenomenondisappearsandthevacuumarcisignitedstably.

Lasertriggeredvacuumswitch，triggerthreshold，minimumoperatingvoltage，delaycharacteristics，arcignitionmechanism

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51277020，51477024，51337001)。

2015-07-07 改稿日期2015-09-14

TM89

蔣西平 男，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)及激光觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)。

E-mail：996579270@qq.com

廖敏夫 男，1975年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芑邏弘娖骷案唠妷盒录夹g(shù)。

E-mail：mfliao@dlut.edu.cn(通信作者)