激光触发真空开关导通特性研究

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作为脉冲功率系统重要的快速闭合器件,触发真空开关随着脉冲功率技术的发展受到广泛关注,传统的电触发真空开关由于受到时延特性差、寿命短等因素的限制,制约了其进一步的应用。强激光触发方式的真空开关由于其触发精度高、可靠性好、并能有效避免触发装置的电磁干扰,在快速关合开关、电磁发射、串联补偿电容保护等领域具有非常诱人的应用前景。本文设计了一种平板电极型激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch, LTVS)。为了提高其使用寿命,针对触发材料的选取及触发材料位置的选择进行了理论分析及实验研究。优化后的触发靶极能有效地耐烧蚀,靶材选取KC1与Ti粉、NaCl与Ti粉、TiHH2,它们能为开关导通提供丰富的初始等离子体,开关的触发性能得到加强,开关的最短时延可达750ns。而后搭建LC振荡电路实验平台,探究激光参数、聚焦镜位置、主电压值等对LTVS的触发导通特性(初始等离子体的产生、触发阀值、最低工作电压、触发成功率)和时延特性的影响,提出触发阀值理论和电弧形成机制,为此类开关的性能优化提供了理论依据。实验结果表明:1)LTVS在一定结构和欠压比情况下存在触发阀值。触发阀值随着电压的增加而减少;当电压值超过300V,开关的触发阀值趋于稳定,稳定值为4.5×107W/cm2。2)在正常聚焦工作方式下,随着能量的增加,最低工作电压基本保持不变,并且电压值较其他方式低,最低工作电压值可达30V。相比工作电压和聚焦位置,激光能量对LTVS触发成功率的影响较为明显。3)电弧电流的开始阶段存在强烈振荡过程,电流值大于5A后,如果外加电压足够高,振荡现象消失,真空电弧稳定燃烧。4)激光触发真空开关的时延随着主间隙电压的升高而降低,随着触发激光能量增加而下降。另外时延随着主间隙距离的减小而降低,减小主间隙距离有助于提高触发稳定性。相比负极性触发方式,采用正极性配置有助于缩短激光触发真空开关的时延。
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