摘要 高精度纳秒级同轴型火花开关在脉冲功率领域有着较为广泛的应用。针对低抖动、长寿命的工程需求，提出一种同轴型场畸变火花开关结构，采用横向自耦式设计，使用紫外光透过率高的ZS-1石英玻璃挡板，模拟紫外光预电离情况；结合脉冲变压器与半导体元器件功能特点，设计一种基于Tesla变压器与陡化回路的可控高压纳秒脉冲源，该脉冲源最高输出电压80kV，上升沿50ns。在上述基础上，搭建该同轴型火花开关实验电路，对其紫外光预电离作用下的开关触发特性进行实验研究。研究此预电离开关的静态击穿电压特性，对比不同工作系数下和有/无紫外光预电离下的开关触发特性及其烧蚀均匀度，分析脉冲源输出和触发电压对开关导通特性的影响。试验结果表明：此同轴型火花开关在0.1MPa气压、工作系数76.1%及以上且有紫外光预电离的情况下，开关触发稳定，抖动小于2ns；增大脉冲源输出电压可以提升紫外预电离效果，优化开关触发特性。研究结果为紫外光预电离开关在实际工程中的应用提供了参考和依据。
关键词：同轴型火花开关 Tesla型脉冲源 触发特性 紫外光预电离
0 引言
触发开关在脉冲功率系统中占有特殊地位，开关性能的好坏直接影响到脉冲功率系统能否正常运行[1]。气体触发开关因其工作电压高、放电电流大、导通阻抗低、可靠性好等诸多优点，在大功率激光、加速器、Z箍缩、闪光照相等脉冲功率领域中广泛应用[2-6]。
抖动、工作寿命一直是衡量气体触发开关性能的两个重要指标，现已成为脉冲功率开关技术的重要研究课题，国内外机构对这两方面开展大量实验研究工作[7-8]。针对长寿命开关的设计研究主要集中在电极烧蚀与绝缘保护两个方向。中国工程物理研究院、华中科技大学等分别对不同电极材料进行了烧蚀特性实验并研究了其寿命[9-10]；西北核技术研究所通过不同电极结构优化电场分布，使得放电均匀减少表面烧蚀[11]；国防科技大学采用防污染开关设计，减少其电极喷射物所带来的绝缘支撑污染，提高了开关使用寿命[12]。为解决气体火花开关的可靠触发问题，除选用快前沿的触发脉冲外，采用预电离技术或者是改变电极结构也可达到降低开关抖动的目的[13-15]。其中，西安交通大学在开关触发盘内加装预电离针技术，研究其在紫外光预电离下开关的导通特性[16]；在触发极内部嵌入一个用于等离子喷射的喷孔，在喷射腔内触发放电产生等离子体，是另一种促进间隙导通的方式[17]；此外，也有相关研究机构通过改变电极结构平行间隙排列，增强间隙间火花放电预电离作用，降低开关击穿时延[18-19]。随着近年来脉冲功率技术迅速发展，工程应用对火花开关的低抖动、长寿命特性提出了更高要求。
本文以一种同轴型火花开关作为研究对象，采用空芯Tesla变压器与陡化开关相结合作为其脉冲源，搭建一套测试触发开关性能的实验回路。开关电极的特殊设计增大了放电电极等效面积，有效地降低了开关的电极烧蚀，延长其使用寿命。采用ZS-1石英玻璃挡板研究触发间隙火花放电产生紫外光对过电压间隙的预电离效果，分析此预电离作用与同轴型火花开关触发特性的相互关系。基于上述实验回路研究该同轴型火花开关在有/无紫外光预电离效果、不同工作系数下的开关触发特性以及表面烧蚀状况，并讨论影响紫外光预电离作用的相关因素。研究结果为预电离开关在实际工程中的进一步应用提供了参考和建议。
1 开关结构设计
同轴型火花开关结构如图1所示，整个开关采用同轴结构，开关的上部触发电极由圆盘电极与圆环电极共同组成，两个电极反面使用不锈钢顶部挂件衔接；接地电极为下部圆环电极，通过三根绝缘支柱支撑，调节绝缘支撑柱高度，使其与下部高压主电极保持在同一水平面；下部高压主电极为圆盘电极，电极部分采用不锈钢材料制成，表面耐烧蚀经处理后可循环使用；在高压主电极的支撑螺杆上固定一个绝缘支撑板，用来支撑ZS-1光学石英玻璃挡板，起到主电极与接地电极间隔绝缘介质的作用，防止触发间隙放电产生的等离子体引起两主电极导通；开关底部配置不锈钢圆形卡环，用来连接接地电极，其与底部聚丙烯绝缘端盖法兰结合使用；顶部卡环与底部卡环通过尼龙绝缘螺杆连接，用来固定封闭腔体；开关外部支撑筒采用透明亚克力材料支撑，以便观察触发特性试验。图1分别示出了同轴型火花开关剖面图及电极放大示意图。
图1 同轴型火花开关剖面图及电极放大示意图
1—触发电极 2—高压电极 3—接地电极 4—ZS-1石英玻璃挡板 5—触发极连接件（不锈钢） 6—高压电极支撑（不锈钢） 7—石英玻璃支撑（尼龙） 8—接地电极支撑杆（尼龙） 9—电极连接杆 10—亚克力筒 11—端盖法兰（聚丙烯） 12—卡环（不锈钢） 13—尼龙螺杆
Fig.1 Spark coaxial switch sectional view and an enlarged schematic view of an electrode
开关采用横向自耦式结构，通过触发间隙（触发电极与地电极间）放电产生紫外光，使得过电压间隙（触发电极与高压电极间）在电场及紫外预电离作用下快速导通。在紫外光的照射下，金属电极表面产生大量的初始自由电子，作用于开关导通过程，优化开关的导通时延及抖动。
紫外光预电离是通过火花放电间隙产生电弧，发出强烈的紫外光照射主间隙促进其导通。这里使用不同材料挡板置于高压电极与接地电极之间，来模拟有/无紫外光预电离作用。在火花放电时产生的光谱中，产生的紫外光能量主要集中在200～400nm的波长范围内[20]，ZS-1光学石英玻璃在185～250nm波长范围内无吸收带，紫外光透过率较高，能够有效遮挡隔绝火花放电产生的等离子体，便于研究紫外光预电离效果；而在所有电磁辐射波中，紫外光的穿透力弱，采用不透明的环氧树脂挡板，紫外预电离效果大打折扣，可以起到隔绝预电离的作用[21]。
2 纳秒级脉冲电压源研制及实验回路
2.1 脉冲源实验回路
传统方式采用Marx发生器、脉冲形成线、主开关和负载构成脉冲源系统[22]。本文选用Tesla变压器结合陡化开关的方式，实现高电压比、体积小、重量轻等特点的脉冲触发源。
图2为纳秒高压脉冲实验电路，调节自耦调压器T1，经限流电阻R1输入，经过倍压整流电路对Tesla变压器T2一次侧电容C1充电，当光纤触发信号指令发出后，晶闸管SCR受控导通，一次侧电容C1在变压器T2一次侧放电，二极管VD3起到提供反向截止电流的作用；在空气导磁的作用下，可以在变压器高压侧电容C2（A点）上得到上升前沿ms级的脉冲波形；经自击穿开关SG与RL组成的陡化回路，最终在负载RL上（B点）得到上升沿为纳秒的高压脉冲。
图2 脉冲源实验电路
Fig.2 Pulse source experimental circuit
根据上述脉冲源实验电路进行试验测试，C1为高频电容6mF，C2为高压薄膜电容330pF，试验中采用Tektronix P6015A高压探头与电容分压器测量二次侧电容C2及55kW 负载RL上的脉冲电压幅值。纳秒脉冲电压波形如图3所示，在一次侧电容C1为1kV时，测得B端的脉冲电压幅值为80kV，脉冲上升沿50ns。
图3 单次脉冲波形示意图
Fig.3 Single pulse waveform
2.2 开关实验回路及实物图
开关实验电路如图4所示。调压器经55kW 的限流电阻R0对50kV/0.02mF储能电容C0充电，工作电压为16kV，Rl为回路电阻，S为实验所用同轴型场畸变火花开关，触发电极电压通过12个5MW玻璃釉电阻构成的均压电阻Re，维持开关触发电极电位在高压电极电位1/2处，脉冲触发源采用Tesla型脉冲源，脉冲电压输出电压幅值80kV，上升沿50ns，经隔离电容Cg输入触发极。
图4 触发开关实验电路
Fig.4 Trigger switch experimental circuit
开关工作过程如下，“高压电极电压UC-触发脉冲电压Uk”配置为“正-负极性”状态，触发电极自身电位通过均压电阻维持在主开关电压1/2等电位面处；此时，触发脉冲发出，经过隔离电容施加在触发电极上，使其电位由1/2UC变为Uk，增大触发电极与接地电极之间的电场强度，直至超过两电极间的自击穿电压导通，随后触发电极与接地电极的电位均为零，而高压间隙由于过电压作用导通。整体实验回路实物如图5所示。
图5 实验回路实物图
Fig.5 Experimental circuit actual diagram
3 开关触发特性及烧蚀情况测试
3.1 开关自击穿特性
气体火花开关的静态特性一般是指开关的自击穿电压。开关主间隙8mm，分别对0.1MPa、0.125MPa、0.15MPa及0.175MPa四个气压下的开关自击穿电压进行试验。
计算气体间隙的击穿电压时，自击穿电压的经验公式使用静态电压下空气或氮气的击穿场强经验公式，即
（1）
式中，Ub为开关静态击穿电压（kV）；d为开关主间隙距离（cm）；f为电场不均匀系数；P为开关内部压强（105Pa）；E为静态击穿电场强度（kV/cm）。
实际测得的自击穿电压与式（1）理论所得自击穿电压值相比较如图6所示。实际自击穿电压值略高于理论值，分析原因是开关安装精度要求较高，手工误差导致自击穿电压的变化，实际值呈线性增长变化。
图6 不同气压下开关自击穿特性
Fig.6 Self-breakdown characteristics of switches under different air pressures
3.2 紫外光预电离对开关触发特性影响
气体火花开关的触发特性包括开关的稳定工作范围、开关的导通时延和抖动。在开关主间隙为8mm，气压为0.1MPa，触发脉冲为40kV/50ns条件下，本文针对不同工作系数和有/无紫外光预电离情况下的开关触发特性进行分析。分别在76.6%（16kV）与86.1%（18kV）两种工作系数下，进行了有/无紫外光预电离作用下的开关触发特性试验比较。试验结果如图7所示。
图7 不同工作系数以及有/无紫外光预电离下开关的触发特性
Fig.7 Switching characteristics of switches with different working coefficients and with/without UV pre-ionization
由图7可见，无预电离情况下，开关的触发特性相对较差，其中，工作系数为76.6%时最为明显，开关时延分布在60～600ns之间，抖动较大；工作系数为86.1%时，过电压间隙的导通时延大部分分布在60～70ns之间。试验结果表明，此同轴型火花开关在0.1MPa气压、工作系数在76.1%及以上且有紫外光预电离的情况下，触发特性稳定，抖动小于2ns。由此可见紫外光预电离一定程度上优化了开关导通性能。此外，当气压升高至相对气压0.1MPa时，时延会变大，当P=0.175MPa时，时延已是相同条件下的2～3倍，并且抖动较大。分析原因如下：对于紫外光预电离作用下，气压高时的单位体积内的气体分子数量变多，对紫外光的吸收变强，使其作用效果变弱。
3.3 脉冲源与触发电压对开关触发特性的影响
为探究脉冲源输出幅值对开关导通特性的影响，在脉冲源输出不同电压幅值（30kV、40kV、50kV）时，分别在如下四种情况进行试验。情况1：工作系数76.6%-有紫外光预电离；情况2：86.1%-有紫外光预电离；情况3：76.6%-无紫外光预电离；情况4：86.1%-无紫外光预电离。试验结果如图8所示。
图8 脉冲源输出电压对不同工作系数和有/无紫外光预电离作用下开关抖动的影响
Fig.8 Effect of pulse source output voltage on switching jitter under different working coefficients and with/without UV pre-ionization
由图8可知，在1、2两种情况下时，脉冲源输出电压在40kV和50kV时，有紫外光预电离作用，开关抖动均小于2ns；对比3、4两种情况，相同工作系数与脉冲输出电压下，紫外光预电离对开关触发特性有较好的优化作用。而随着脉冲源输出电压参数升高，对应同种情况下的抖动也会相应减小，分析原因是触发间隙产生的紫外光预电离效果随着脉冲能量的提升而增强。
触发间隙放电产生紫外光，通过紫外光辐射的形式，使金属表面逸出初始自由电子，初始电子的数量越多，对过电压间隙放电导通过程产生的促进作用就越明显。提高脉冲源的输出能量可以提高紫外光照射在主电极的光照强度，促进更多初始电子的产生，实现强化紫外光预电离的效果。
对多次试验中开关的导通时延数据进行整理得到不同触发间隙击穿电压下过电压间隙导通时延结果如图9所示。数据表明：触发间隙击穿电压存在离散现象，是电极表面烧蚀造成微粒凸起产生电场畸变等因素引起的。
由图9可知，开关工作系数在76.6%以上时，其过电压间隙导通时延随触发间隙击穿电压的增大而减小，相同触发电压幅值下的时延较为稳定。由图9可知触发电压幅值在达到40kV时，开关时延变化不明显，原因为受金属电极表面尺寸限制，此时紫外光预电离对开关导通时延的作用已趋于饱和。
所谓出行链，即以居住地作为1 d公交出行的起终点，将公交乘客1 d内出行的起终点连接，形成一个环. 出行链闭合即1 d内相邻2次出行的起始地和目的地重合，形成一个闭合的环，例如本次出行从A站点出发到达B站点下车，下次出行从B站点或者B邻近站点出发到达A站点或者A邻近站点下车.
图9 触发电压幅值在不同工作系数下对开关导通时延的影响
Fig.9 Influence of trigger voltage amplitude on switch conduction delay under different working coefficients
3.4 开关烧蚀情况
气体火花开关的电极烧蚀是影响其寿命的主要因素之一，电极表面的烧蚀达到一定程度后，会影响开关电极间的电场分布以及耐压程度，进而影响触发稳定性，缩短其使用寿命。
图10是经过100次自击穿试验及800次的触发特性试验前后的开关表面烧蚀情况。电极表面烧蚀较均匀，主电极左上与地电极右下部分烧蚀相较其他部分略严重，原因是安装过程中的误差所导致。开关时延与抖动维持在正常状态，且电极本身为耐烧蚀材料，经过表面处理后可继续使用。
图10 试验前后电极表面烧蚀对比图
Fig.10 Comparison of electrode surface ablation before and after the experiment
4 结论
设计了一种同轴型火花开关，其采用横向自耦式结构，利用触发间隙放电产生紫外光促进金属电极表面初始电子形成，进而优化导通特性。通过放置ZS-1光学石英玻璃和环氧树脂挡板，模拟有/无紫外光预电离效果，研究其对此开关触发特性影响，得到以下结论：
1）开关自击穿电压实际值随气压升高呈线性增长变化；脉冲源在不同输出电压下，进行四种条件的开关导通特性试验，测试结果表明，0.1MPa气压下同轴型火花开关工作系数在76.1%及以上且有紫外光预电离作用，脉冲输出电压在40～50kV区间内时，开关触发特性稳定，抖动小于2ns。
2）触发间隙击穿电压幅值对导通时延影响较大，电压值达到40kV时，受金属电极尺寸限制，紫外光预电离对开关导通时延的作用已趋于饱和；经过100次自击穿试验及800次触发特性试验后，开关电极表面烧蚀较为均匀，电极材料经过表面抛光处理后仍可继续使用，电极整体耐烧蚀性较好。
