黃 超，黃 珂，朱 峰，唐 影，易愛平，錢 航

(激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室； 西北核技術研究所： 西安 710024)

放電引發(fā)非鏈式 HF/DF激光器的峰值功率高，脈沖能量大，可高重復頻率運轉，在激光生物醫(yī)學、大氣檢測、激光光譜和光電對抗等領域具有廣泛的應用前景，是現(xiàn)階段備受關注的寬光譜中紅外激光源[1-9]。與其他脈沖氣體放電激光器類似，放電引發(fā)非鏈式HF/DF激光器需一個快前沿、高電壓及大電流的快放電過程，實現(xiàn)大體積均勻體放電，進而形成大脈沖能量輸出。開關作為激光器的重要部件，用于激光間隙脈沖高電壓的形成和主電容器儲能向激光介質(zhì)的高效轉移，是激光器實現(xiàn)快前沿、高電壓和大電流快放電的關鍵。

放電引發(fā)非鏈式HF/DF激光器常使用SF6混合氣體作為工作介質(zhì)，與準分子等其他氣體放電激光器相比，更難實現(xiàn)均勻放電。因此，對開關及放電引發(fā)系統(tǒng)的要求更高。氣體火花開關具有工作電壓高、通流能力強和導通快的特點，同時具備成本低廉及結構形式靈活多樣等優(yōu)點，是放電引發(fā)非鏈式HF/DF激光器較理想的選擇之一。自放電引發(fā)非鏈式HF/DF激光器誕生以來，大量研究采用氣體火花開關產(chǎn)生快前沿、大電流及高壓脈沖引燃大體積均勻放電，獲得激光輸出[10-17]。1972年，美國Los Alamos國家實驗室的Wekzel等[10]利用觸發(fā)管型氣體火花開關，建立了雙放電引發(fā)HF激光器，獲得了快放電引發(fā)過程，激光能量約為100 mJ；1973年，該實驗室的Arnold等[11]利用氣體火花開關實現(xiàn)了前沿為30 ns的快放電過程，獲得1.4 J脈沖HF激光輸出；1980年，英國艾塞克斯大學物理系Hatch[12]同樣利用觸發(fā)管型氣體火花開關研制了一臺用于半導體材料處理的HF激光器，激光能量為167 mJ；2002年，俄羅斯科學院普通物理所Apollonov等[13]采用基于氣體開關的放電系統(tǒng)，獲得了407 J的HF激光和325 J的DF激光；2010年，俄羅斯科斯米洛夫州激光測試研究中心Bulaev等[14]利用氣體火花開關研制了20 Hz重復頻率HF激光器，脈沖能量為67 J；國內(nèi)西北核技術研究所[15]、長春光學精密機械與物理研究所[16]和中國科學院電子學研究所[17]開展了基于氣體火花開關的放電引發(fā)HF/DF激光技術研究，利用自動紫外預電離放電結構，使單脈沖能量達到焦耳量級。目前，對氣體火花開關及激光器高重復頻率運行技術的研究較少，僅西北核技術研究所實現(xiàn)了100 Hz重復頻率HF/DF激光輸出[15]。

從國內(nèi)外研究情況分析，研究工作主要集中在氣體火花開關放電系統(tǒng)的結構優(yōu)化，以獲得大脈沖能量和高效HF/DF激光輸出，對氣體火花開關及放電系統(tǒng)高重復頻率運行和可靠運轉方面的研究鮮見報道，本文針對該方面開展研究工作。由于觸發(fā)管型氣體火花開關(簡稱開關)在地電極中心開孔引入觸發(fā)電極針，降低了對外部觸發(fā)脈沖的要求，易實現(xiàn)受控觸發(fā)，且電極結構有利于氣體循環(huán)，適合重復頻率運行[18-20]。本文設計了緊湊的觸發(fā)管型開關，實驗研究了開關的觸發(fā)特性和重復頻率放電特性，并用于放電引發(fā)非鏈式HF/DF激光器，實現(xiàn)了激光器100 Hz高重復頻率可靠運轉，連續(xù)運行10 s，無不受控放電現(xiàn)象發(fā)生。

1 開關結構

為提高開關的工作可靠性，開關主電極設計為類半球頭結構，直徑為30 mm，觸發(fā)電極位于地電極內(nèi)部，設計為盤形尖棱結構，顯著增強開關間隙場畸變的同時增加了觸發(fā)電極的燒蝕周長，有利于延長開關的使用壽命。觸發(fā)電極和地電極之間采用尼龍蓋板徑向絕緣，蓋板表面設計多個凹槽，增加沿面閃絡距離，防止觸發(fā)電極與地之間的沿面滑閃。氣流從開關絕緣筒上的吹氣窗口流過放電區(qū)，且集中于放電區(qū)，保障開關間隙氣體介質(zhì)絕緣快速恢復，實現(xiàn)開關高重復頻率運行。開關主電極間隙設計為3～5 mm可調(diào)，觸發(fā)間隙為1.5 mm，開關絕緣介質(zhì)為高純氮氣，最大工作氣壓約為0.5 MPa。圖1為觸發(fā)管型氣體火花開關外觀和結構。

(a) Photography

(b) Structure圖1 開關外觀與結構Fig.1 Photography and structure of the spark gas switch

良好觸發(fā)特性是開關受控導通的前提，是保證開關可靠運行的關鍵，開關的觸發(fā)特性與觸發(fā)結構及其引起的電場畸變程度密切相關。為使開關具有優(yōu)異的導通可控性，須提高開關間隙電場的畸變程度。開關主間隙電場強度及觸發(fā)間隙電場強度可表示為

(1)

其中：Eg，Et分別為主間隙電場強度和觸發(fā)間隙電場強度；Vg，Vt分別為高壓電極和觸發(fā)電極電壓；dg，dt分別為主間隙和觸發(fā)間隙的距離。

設定開關主間隙為5 mm，主電極電壓為-30 kV，觸發(fā)電壓為30 kV，根據(jù)式(1)，利用有限元方法對開關的靜電場進行了分析，給出了有無觸發(fā)脈沖時開關間隙的電場強度分布，如圖2所示。由圖2可見：在開關主電極上加直流電壓，未加觸發(fā)脈沖時，由于觸發(fā)電極位于觸發(fā)孔內(nèi)，觸發(fā)電極的分壓電位與其所在位置的電位基本相同，觸發(fā)電極引起開關間隙的電場畸變非常小，開關間隙電場近似均勻直流電場；當施加觸發(fā)脈沖時，開關間隙形成了強烈的電場畸變，電場強度最大為246 kV·cm-1，是未加觸發(fā)脈沖時的4倍以上。

(a) Without trigger pulse

(b) With trigger pulse圖2 有無觸發(fā)脈沖時開關間隙的電場強度分布Fig.2 Distribution of electrical field strength of switch gap

理論分析結果表明，未加觸發(fā)脈沖時，開關間隙的電場畸變非常小，開關間隙電場近似為直流均勻電場，可有效降低激光器直流充電過程中開關的自擊穿概率。觸發(fā)時刻開關間隙電場畸變非常顯著，電場增強區(qū)域最大值出現(xiàn)在觸發(fā)電極尖端處，開關將因觸發(fā)脈沖引起的電場畸變迅速導通，這增強了開關導通的可控性。綜合效果將提升開關及激光器高重復頻率運行的可靠性。

2 開關實驗結果與分析

2.1 觸發(fā)特性

觸發(fā)管型開關存在慢、快2種觸發(fā)擊穿機制[18]。慢觸發(fā)機制為開關觸發(fā)首先發(fā)生在觸發(fā)電極和地電極之間，觸發(fā)間隙放電等離子體紫外輻射引起主間隙氣體的光電離，導致開關被擊穿；快觸發(fā)機制為開關觸發(fā)首先發(fā)生在觸發(fā)電極和高壓電極之間，主間隙放電由觸發(fā)電極頂部流注引起。

觸發(fā)管型開關的觸發(fā)特性受觸發(fā)擊穿機制影響很大，圖3和圖4為不同觸發(fā)機制下開關延時tdelay和抖動tjitter隨電壓U的變化關系。實驗條件：開關主間隙為4 mm；氣體介質(zhì)氣壓為0.35 MPa；開關電壓-16～-30 kV可調(diào)；觸發(fā)電壓正負30 kV可選。開關延時tdelay為單脈沖模式重復30個脈沖的平均值，抖動tjitter為該組脈沖延時的極差。由圖3和圖4可見：當開關的觸發(fā)電壓為正脈沖時，開關主間隙上的電場強度為115～150 kV·cm-1，大于開關自擊穿電場強度，開關工作在“快觸發(fā)機制”下，開關延時和抖動相對較小，在整個工作電壓范圍內(nèi)開關的延時和抖動均在100 ns以內(nèi)；當開關的觸發(fā)脈沖為負極性時，開關主間隙上的電場強度很低，小于28 kV·cm-1，低于開關自擊穿電場強度，開關工作在“慢觸發(fā)機制”下，開關延時和抖動相對較大。實驗結果表明，開關工作在快觸發(fā)機制時，導通更加容易。因此，實驗中選擇開關工作在快觸發(fā)機制下。

(a) tdelay vs. U

(b) tjitter vs. U圖3 觸發(fā)電壓為-30 kV時，開關的延時及抖動隨電壓的變化關系Fig.3 Delay time and jitter time vs. voltage at triggering voltage of -30 kV

(a) tdelay vs. U

(b) tjitter vs. U圖4 觸發(fā)電壓為+30 kV時，開關的延時及抖動隨電壓的變化關系Fig.4 Delay time and jitter time vs. voltage at triggering voltage of +30 kV

2.2 重復頻率特性

通常情況下，開關運行頻率越高，絕緣恢復時間越短，則自放電概率越大，重復頻率運行穩(wěn)定性也就越差，反之則越好。開關重復頻率特性主要由氣體介質(zhì)的絕緣恢復速度決定，而絕緣恢復速度又與氣壓、工作電壓和吹氣速率等因素密切相關。實驗中通過改變以上實驗條件來研究開關重復頻率運行可靠性。

2.2.1 氣壓對重復頻率的影響

首先對無吹氣開關進行了實驗研究。重復頻率不同時，開關連續(xù)運行100個脈沖的自擊穿概率隨氣壓的變化關系如圖5所示。實驗條件：開關主間隙為4 mm；充電電壓為-30 kV；氣壓為0.3～0.45 MPa；觸發(fā)電壓為30 kV。由圖5可見，3種重復頻率下，開關擊穿概率均呈隨氣壓升高而減小的趨勢。當氣壓大于0.425 MPa時，開關重復頻率運行相對可靠，此時基本無自擊穿現(xiàn)象發(fā)生。對于重復頻率氣體火花開關，開關重復頻率運行的自擊穿概率與開關欠壓比和開關絕緣恢復相關。一方面氣體的氣壓越高，開關的欠壓比越小，開關工作越穩(wěn)定，自擊穿概率越?。涣硪环矫鏆鈮荷邔е職怏w分子密度增大，氣體分子間碰撞的概率增大，原放電通道內(nèi)沉積的熱量更易通過傳導、對流及輻射傳遞出去，有利于開關間隙氣體在脈沖間隔時間內(nèi)的絕緣性能恢復，即在下一個脈沖達到時，開關氣體間隙的絕緣能力達到與前一個脈沖相當?shù)乃剑M而改善開關重復頻率運行的穩(wěn)定性。

圖5 重復頻率不同時，開關連續(xù)運行100個脈沖的自擊穿概率隨氣壓的變化關系Fig.5 Self discharge ratio vs. air pressure of the switch at different frequencies with 100 pulses

2.2.2 電壓對重復頻率的影響

開關導通時產(chǎn)生的熱量取決于放電弧柱產(chǎn)生的熱量，而電壓對放電弧柱產(chǎn)生的熱量有很大影響。當電壓為-23～-30 kV，開關主間隙為4 mm，氣壓為0.3 MPa，觸發(fā)電壓為+30 kV，重復頻率為100 Hz是，開關自放電概率隨電壓的變化關系如圖6所示。

圖6 開關重復頻率運行時自放電概率隨電壓的變化關系Fig.6 Self discharge ratio vs. voltage of the switch

由圖6可見，開關重復頻率運行時，自放電概率隨電壓的升高而迅速上升，電壓越高，曲線的斜率越大。實驗結果表明，高電壓條件下，重復頻率運行穩(wěn)定性迅速下降。這是因為，隨著電壓的升高，放電弧柱產(chǎn)生的熱量增多，相應的氣體介質(zhì)溫度上升和放電殘余物濃度增高，導致氣體絕緣恢復難度增大和恢復時間增長，開關間隙在脈沖間隔時間內(nèi)不能完全回復，重復頻率運行穩(wěn)定性降低。

2.2.3 吹氣速率對重復頻率的影響

主間隙氣體絕緣恢復是開關重復頻率穩(wěn)定運行的關鍵，吹氣是提高主間隙氣體絕緣恢復的重要技術途徑之一，為確保在脈沖間隔內(nèi)實現(xiàn)主間隙氣體介質(zhì)的有效置換，吹氣速率是需研究的重要參數(shù)之一。當開關主間隙為4 mm，氣壓為0.3 MPa，電壓為-27 kV，觸發(fā)電壓為+30 kV，重復頻率為100 Hz時，實驗研究了吹氣速率對開關重復頻率運行穩(wěn)定性的影響。開關自放電概率隨吹氣速率的變化關系如圖7所示。由圖7可見，吹氣時，開關重復頻率運行的自放電概率可得到有效抑制，但過快的吹氣速率并不能帶來好的效果。實驗中，當吹氣速率大于5 m·s-1時，開關100 Hz重復頻率運行的自放電概率反而逐漸增大，開關重復頻率運轉穩(wěn)定性變差。這是因為通過吹氣置換開關主間隙的氣體，加速了開關主間隙氣體絕緣恢復速率，在重復頻率脈沖間隔時間內(nèi)，主間隙內(nèi)氣體絕緣恢復更加充分，開關重復頻率運行穩(wěn)定性逐漸變好。然而，由于開關氣路較簡單，設計為單個相對進出氣口，吹氣速率較高時，開關間隙內(nèi)部氣體流程紊流，將影響開關間隙電場分布，使開關自放電概率增加。為獲得更好的吹氣效果，后續(xù)將對開關吹氣結構進行優(yōu)化，提升開關重復頻率運行穩(wěn)定性。

圖7 開關自放電概率隨吹氣速率的變化關系Fig.7 Self discharge ratio vs. flowing rate of the switch

2.3 討論

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，高電壓和高重復頻率均大大提高了開關重復頻率穩(wěn)定運行的難度，其根源在于開關主間隙內(nèi)氣體絕緣恢復不充分，間隙絕緣性能下降。提升開關間隙氣體壓強和利用吹氣實現(xiàn)開關主間隙氣體有效置換等技術方法，可加速開關間隙氣體絕緣恢復，降低或避免開關重復頻率運行過程中出現(xiàn)自擊穿現(xiàn)象的概率。對于放電引發(fā)非鏈式HF/DF激光器，設計的最大工作電壓為-30 kV，本文重點考慮開關電壓為-30 kV時的運行參數(shù)。不吹氣時，開關實現(xiàn)-30 kV重復頻率100 Hz無自放電現(xiàn)象穩(wěn)定運轉所需的氣壓為0.425 MPa；且吹氣速率適當時，可進一步增強開關重復頻率運行的穩(wěn)定性。另外，考慮到氣體放電具有一定隨機性，且開關工作系數(shù)太低不利于觸發(fā)導通，因此，選定開關在電壓為-30 kV條件下的最佳工作參數(shù)：主間隙為4 mm；絕緣氣體為高純氮氣；氣壓為0.425～0.45 MPa；觸發(fā)電壓為+30 kV；吹氣速率為3～5 m·s-1。

3 開關的應用

用觸發(fā)管型氣體火花開關作為放電引發(fā)脈沖HF/DF激光器的主開關，HF/DF激光器等效電路如圖8所示。激光器運行時，負極性高壓電源給激光器儲能電容充電至設定電壓，此時開關加載了相應的直流高壓；然后，觸發(fā)器發(fā)出異極性高壓觸發(fā)脈沖，觸發(fā)開關受控導通，儲能電容上的電壓反向作用到放電腔室的陽極高壓電極上，峰化間隙導通，在激光器放電區(qū)域形成強烈的紫外預電離，主間隙導通輸出HF激光。按照要求的頻率重復上述過程，激光器實現(xiàn)重復頻率運轉。

圖8 HF/DF激光器等效電路Fig.8 Equivalent circuit of HF/DF laser

重復頻率調(diào)試實驗中，放電引發(fā)非鏈式HF/DF激光器及開關的具體工作條件：電壓為-30 kV；絕緣氣體為高純氮氣；氣壓為0.45 MPa；開關主間隙為4 mm；吹氣速率為5 m·s-1；觸發(fā)電壓為+30 kV。實驗獲得HF/DF激光器100 Hz連續(xù)運行1 000個脈沖的觸發(fā)和放電電壓的包絡波形，如圖9所示。由圖9可見，放電引發(fā)非鏈式HF/DF激光器重復頻率運行過程中，開關未出現(xiàn)自擊穿現(xiàn)象和誤觸發(fā)問題，異常放電概率為0，開關工作狀態(tài)良好。圖10為HF/DF激光器輸出1 000個脈沖的能量曲線。由圖10可見，開關及激光器實現(xiàn)了長時間重復頻率可靠放電，100 Hz重復頻率運轉穩(wěn)定性良好。另外，發(fā)現(xiàn)開關的延時抖動有所增加，約為592 ns，這可能是長時間放電導致開關氣體溫度升高所致。

圖9 HF/DF激光器100 Hz連續(xù)運行1 000個脈沖的觸發(fā)和放電電壓的包絡波形Fig.9 Envelope waveforms of trigger and discharge voltage of 1 000 pulses for HF/DF laser at 100 Hz

圖10 HF/DF激光器輸出1 000個脈沖的能量曲線Fig.10 Energy curve of 1 000 pulses for HF/DF laser

4 結論

本文研制了一種用于放電引發(fā)脈沖HF/DF激光器的觸發(fā)管型氣體火花開關，優(yōu)化設計了開關的觸發(fā)結構，利用有限元方法分析了開關間隙的電場分布，發(fā)現(xiàn)僅加載直流高壓時開關間隙電場近似為直流均勻電場，當觸發(fā)脈沖到達后開關間隙形成了強烈的場畸變，這有利于實現(xiàn)開關重復頻率穩(wěn)定運轉。

實驗研究了開關的觸發(fā)特性，獲得了開關快/慢2種觸發(fā)機制下的延時與抖動。發(fā)現(xiàn)開關運轉在快觸發(fā)機制時，導通快，延時抖動小，有利于開關觸發(fā)受控導通，可增強開關重復頻率運行穩(wěn)定性。

在快觸發(fā)機制下，對開關重復頻率穩(wěn)定性進行了分析，發(fā)現(xiàn)提高電壓和重復頻率，開關重復頻率穩(wěn)定運行難度大大提升，主要原因是開關主間隙內(nèi)氣體絕緣恢復不充分，間隙絕緣性能下降。增大絕緣氣體壓強和利用吹氣可加速開關間隙氣體絕緣恢復，改善開關重復頻率運行的穩(wěn)定性。當氣體氣壓小于0.425 MPa，工作電壓為-30 kV時，開關實現(xiàn)了100 Hz重復頻率可靠運行。

將開關用于放電引發(fā)非鏈式HF/DF激光器，當電壓為-30 kV，氣壓為0.45 MPa，開關主間隙為4 mm，吹氣速率為5 m·s-1，觸發(fā)電壓為+30 kV時，開關及激光器實現(xiàn)了100 Hz重復頻率長時間連續(xù)穩(wěn)定運轉，并獲得了焦耳量級的激光輸出。