摘要 激光触发真空开关（LTVS）的电弧特性受外电路参数和触发材料的综合作用，影响其开断性能。该文基于可拆卸真空腔体搭建实验电路，改变电流频率、工作电压、电流峰值、电极结构及触发材料种类等因素，对比相应条件下LTVS的完全开断时间差异，分析不同电弧参数对LTVS重频开断特性的影响，讨论LTVS开断过程中真空电弧与触发材料的作用关系。实验结果表明，LTVS的完全开断时间随电流峰值和工作电压的上升而增长，随电流频率的增加而缩短；纵磁电极对LTVS开断能力的提升效果随电流频率变化；LTVS的开断特性受触发材料种类影响明显，NaCl、KCl、TiH2和Ti+KCl几种材料中，热传导能力最佳的Ti+KCl开断特性最差，开断频率1.4kHz，峰值2.6kA的电流所需时间约为7ms。研究结果可为LTVS产品设计提供参考。
关键词：激光触发真空开关 完全开断时间 真空电弧 触发材料 开断能力
0 引言
随着我国脉冲功率技术的快速发展及脉冲功率装置容量的不断增长，研制性能更优的脉冲功率开关器件成为目前脉冲功率领域的关键课题之一[1-3]。激光触发真空开关（Laser Triggered Vacuum Switch, LTVS）是一种综合了脉冲激光与触发真空开关技术特点的新型脉冲功率开关。相较于传统的利用沿面击穿或场畸变方式产生初始等离子体的电触发真空开关，LTVS利用高能脉冲激光与触发材料的相互作用产生大量初始等离子体，简化开关及触发系统结构的同时可大幅提升其工作可靠性，更具有导通时延短、触发精度高、使用寿命长等诸多优势[4-6]。
自1973年前苏联A. A. Makarevich等利用激光触发导通真空短间隙以来，国内外学者对LTVS的性能提升及推广应用进行大量工作。美国Sandia实验室的P. J. Brannon等对比了数千种触发材料LTVS的导通时延特性，认为Ti与KCl的混合粉末更适合用于LTVS[7]。日本的A. Sugawara等对比了不同电极材料对LTVS的导通性能的影响[8]。华中科技大学何正浩等针对多棒极型激光触发真空开关导通性能及触发机制进行研究，其研制的多棒极型LTVS耐压为26kV，导通时延低至17ns[9-10]。大连理工大学廖敏夫等比较了不同触发材料激光触发真空开关的寿命劣化特性，认为LTVS可靠性的降低主要是由于电弧对触发材料烧蚀作用[11-12]。
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此前关于LTVS的研究大多关注其导通性能提升和使用寿命优化，针对其开断能力的研究相对较少。结合LTVS的工作过程，激光热烧蚀触发材料导通真空间隙后，高温真空电弧对触发材料亦存在强烈热作用，燃弧及弧后阶段触发材料释放的带电粒子会在一定程度上影响间隙介质强度恢复，因此LTVS的重频开断特性受真空电弧与触发材料共同作用[13-14]。考虑到电磁炮、电力系统保护等领域对触发开关重复工作能力需求，本文统计不同条件下LTVS的完全开断时间，研究其重频开断特性。
LTVS的开断性能主要取决于电弧对触发材料的热作用。与电弧特性有关的电流频率、电流幅值及工作电压等电路参数和电极结构、触发材料种类等结构参数均会影响LTVS的开断特性。本文基于可拆卸真空腔体搭建实验电路，改变电流频率、电流峰值、工作电压、电极结构和触发材料种类等因素，对比不同电路参数和触发材料下LTVS的完全开断时间差异，讨论电弧参数对其重频开断特性的影响，分析开断过程中真空电弧与触发材料的相互作用，为高性能LTVS产品的设计提供参考和建议。
1998年，美籍华人Norden E.Huang等提出了一种新的时频分析方法——希尔伯特-黄变换[2]，首次针对瞬时频率的悖论，以使信号的瞬时频率值具有明确的物理意义为宗旨，提出了将多分量信号分解成单分量信号的思想和方法，从而打破了傅里叶变换的传统思想，形成了一种非常适合分析非线性、非平稳信号的具有自适应能力的新方法[3,4]，带来了信号时频分析领域的新局面。
1 LTVS重频开断实验电路
1.1 重频开断实验电路
搭建的LTVS重频开断实验电路如图1所示，改变LC电路中电容电感组合可获得不同频率的振荡电流。Nd: YAG固体激光器产生波长1 064nm、脉宽9ns的脉冲激光，激光经分光镜片、聚焦镜片后作用于腔体内触发材料表面；设置的激光能量为12mJ。
图1 LTVS重频开断实验电路
Fig.1 Repeated frequency interruption circuit for LTVS
本文所用LTVS样机为一可拆真空腔体，样机结构如图2所示，其剖面结构如图2a所示。腔体激光入口处选用近红外增透石英玻璃与外界密封，入射激光通过阳极导电杆上通光孔后照射在靶电极中心的触发材料表面。利用机械泵和油扩散泵将腔体真空度维持在3×10-2Pa以下。实验主要采用直径40mm的平板电极和直径45mm的纵磁杯状电极，两电极中心均有一直径5mm凹槽，触发材料经压制处理后填充于中心凹槽内，设置材料位置低于电极平面1mm，减弱电弧烧蚀对其使用寿命的影响。平板型电极结构如图2b所示。
图2 可拆卸LTVS样机结构
Fig.2 Structure of detachable LTVS prototype
1.2 LTVS重频开断实验
图3为LTVS开断1.4kHz振荡电流的波形，其中Utri为脉冲激光信号，Us为LTVS两端工作电压，Is为LTVS上高频振荡电流，Tcl为LTVS完全开断时间。由于真空介质具有极佳的介质强度恢复特性，真空间隙内电弧熄灭后可快速恢复其绝缘水平，即LTVS完全开断后可迅速恢复其工作能力。因此，LTVS的重频工作能力主要取决于其完全开断时间，可通过开关的完全开断时间表征其重复频率工作能力，每个工作电压下进行15次开断。
图3 平板型LTVS开断波形
Fig.3 Interruption waveforms of LTVS with flat electrode
2 电弧特性对LTVS完全开断时间的影响
设置LTVS内平板电极间距6mm，触发材料选用Ti+KCl（1
1）的混合粉末，调整LC电路组合，得到频率分别为0.87kHz、1kHz、2kHz、5.32kHz、5.6kHz和9.5kHz的振荡电流，对比电路参数变化对LTVS完全开断时间的影响。
2.1 不同电流频率下LTVS的开断特性
图4为电流频率为2kHz和9.5kHz时平板型电极LTVS的完全开断时间统计特性。图中各个电压对应的电流峰值基本相同，如1kV电压对应的电流峰值约为400A，工作电压10kV时两种频率对应的电流峰值均为4.1kA左右。图4中LTVS完全开断所需时间随工作电压及开断电流的增加而增大。相同电压、电流峰值条件下，LTVS完全开断时间随着电流振荡频率的增加而降低；计算可知，高频条件下LTVS开断所需的电流过零点次数要多于低频条件，即随着电流频率的增加，LTVS的半波电流开断能力逐渐减弱，需要更多次电流过零才能开断。
图4 不同电流频率下LTVS的重频开断特性
Fig.4 Repeated interruption performances of LTVS under different current frequencies
前人关于电触发真空开关高频开断能力的研究表明，TVS的半波电流开断能力随电流频率的增加逐渐降低，但其所能承受的最大电流变化率会相应增加[15-16]。区别于电触发开关，LTVS的电弧特性受电路参数与触发材料的综合作用，两种开关的开断特性也存在一定差异。本文实验中，增大电流频率增大了LTVS两端di/dt，间隙内形成的初始阴极斑点附近的电流密度相对更高，电弧对电极和触发材料的热作用效果也更强，阻碍电流过零时间隙内混合带电粒子去游离，不利于间隙介质强度恢复。
然而较高的电流频率可有效缩短开关燃弧时间，使电路能量在短时间内通过多次电流过零快速释放，降低LTVS两端的电压电流；开关上电压极性的快速转换也在一定程度上阻碍了间隙内带电粒子发展过程，有利于LTVS快速开断。
LTVS的开断特性受电流频率、燃弧时间及电弧注入能量等因素综合作用。根据实验结果，LTVS的完全开断所需电流零点次数随电流频率的增大而增多，即其开断能力随着电流频率的增加而降低，但其完全开断所需时间要比开断低频电流更短。
2.2 不同工作电压下LTVS的开断特性
表1为不同工作电压，相近电流频率和峰值下LTVS的重频开断特性。LTVS的完全开断时间存在明显差异，即相近电流下，LTVS完全开断时间随其工作电压的增加而增加。
表1 不同工作电压下LTVS的重频开断特性
Tab.1 Repeated interruption performances of LTVS under different operating voltages
频率/kHz电流/A电压/kV完全开断时间/ms 5.601 400102.31 5.321 39510.19 1.00526106.58 0.8753431.06
电流过零时电弧和电极高温对触发材料的热作用无法快速消散，间隙内仍存在大量带电微粒，包括残留的真空金属蒸气电弧等离子体、触发材料释放的带电粒子等。电极两端电压作用下，间隙内带电微粒加速向两极运动并与电极发生碰撞，加速效果随电压的增加而增强，进而碰撞电离产生更多带电微粒使真空间隙击穿。因此，LTVS完全开断所需时间随其工作电压的上升而增加。
2.3 不同电流峰值下LTVS的开断特性
表2为低频条件下LTVS开断不同峰值电流所需时间统计结果。由实验结果可知，LTVS开断振荡电流所需电流零点次数及完全开断时间均随电流峰值的增加而增大。本节最大di/dt约为10kA/ms，考虑到实验电流峰值和频率相对较低，间隙内难以形成聚集型真空电弧，此时电弧燃烧区域主要集中在激光轰击触发材料形成的初始阴极斑点附近，即真空电弧对触发材料存在较为明显烧蚀作用。相同电流频率和电压下，电弧注入能量随着电流峰值的增加逐渐上升，使触发材料向间隙内释放更多带电粒子，不利于开关快速有效开断。因此，开断中低频电流时，受电弧对触发材料的烧蚀作用影响，LTVS的完全开断时间随电流峰值的增加逐渐变长。
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表2 不同电流峰值下LTVS的重频开断特性
Tab.2 Repeated interruption performances of LTVS under different current values
频率/kHz电压/kV电流/A完全开断时间/ms 1.00151.40.48 0.871760.6 1.0052440.85 0.879581.48 1.00105266.28 0.871 86910.18
2.4 不同电极结构LTVS的重频开断特性
前文通过调整电路参数改变电弧特性，研究了其对LTVS开断特性的影响，本节将对比不同电极结构LTVS的重频开断特性差异。实验分别选用平板电极和纵磁杯状电极，保持电极间距6mm，触发材料仍为Ti与KCl的混合粉末，调整LC组合得到0.5kHz和9.5kHz两种电流频率，对比此时两种LTVS的完全开断时间统计特性。
图5分别为电流频率0.5kHz和9.5kHz时两种电极LTVS的开断时间统计结果，图中各数据点对应的电压分别为1kV、3kV、5kV、7kV、10kV。由图5可知，LTVS完全开断所需时间随着电流、电压幅值的增加逐渐增大；相较于图5a中低频小电流情况，图5b中LTVS可在更短时间内开断高频大电流。随着电流峰值的增加，两种LTVS的完全开断时间表现出不同的差异特性。
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图5 不同电极结构LTVS的重频开断特性
Fig.5 Repeated interruption performances of LTVS with different electrode structures
电流频率500Hz时，LTVS两端di/dt较低，随着电流峰值的增加，纵磁电极对真空电弧的作用效果逐渐增强。燃弧阶段间隙内纵向磁场作用下，新形成的阴极斑点加速向外扩散，快速恢复间隙介质强度，因此纵磁型LTVS开断低频电流的电流过零点次数相对更少。电流峰值低于300A时，电极两端纵向磁场强度微弱，电极结构变化对LTVS重频开断特性几乎没有影响。
电流频率9.5kHz时，开关上di/dt是500Hz的几十倍，初始阴极斑点附近产生新阴极斑点的速度和数量随电流的上升而大幅增加，LTVS难以快速完成开断。快速振荡且幅值有限的电弧电流难以在间隙内形成稳定有效的纵向磁场，电压极性的快速转换也无法维持真空电弧稳定燃烧，纵磁电极未能有效驱动阴极斑点扩散并加速间隙介质强度恢复。故开断频率9.5kHz，幅值小于5kA的电流时，纵磁电极难以有效提升LTVS的开断能力，两种电极的LTVS完全开断时间没有明显差异。
3 不同触发材料LTVS的重频开断特性
由以上分析可知，电弧对触发材料的热作用效果会在很大程度上影响LTVS的开断特性。本节分别选取KCl、NaCl、Ti+KCl及TiH2几种常见材料，对比触发材料对LTVS重频开断特性的影响。设置电流频率为1.4kHz，电压幅值2～4kV，对应的电流峰值见表3。表3中不同触发材料LTVS在同一电压下的电流峰值基本相同，这说明燃弧阶段真空电弧内混入的触发材料微粒所占比例极低，触发材料对燃弧阶段电弧特性无明显影响。
表3 频率1.4kHz时LTVS上的电压与电流
Tab.3 Voltage and current value on LTVS with 1.4kHz
工作电压/kV电流峰值/kA 2.01.35 2.51.70 3.02.00 3.52.30 4.02.60
3.1 不同触发材料LTVS的重频开断特性
图6与图7分别为平板电极和纵磁电极LTVS采用不同触发材料时的完全开断时间。每个工作电压下均进行20次开断。由图6和图7可知，采用不同触发材料LTVS的开断特性差异明显。其中，采用TiH2时开关的完全开断时间明显短于其他几种触发材料；采用Ti+KCl时LTVS开断所需时间最长；采用NaCl时LTVS开断所需时间略短于KCl。
图6 不同触发材料平板电极LTVS的重频开断特性
Fig.6 Repeated interruption performances of plate electrode LTVS with different target materials
图7 不同触发材料纵磁电极LTVS的重频开断特性
Fig.7 Repeated interruption performances of axial magnetic field electrode LTVS with different target materials
LTVS导通阶段，电弧烧蚀触发材料向真空间隙释放大量带电微粒，此时的真空电弧由金属蒸气等离子体和靶材微粒混合组成。因此可得LTVS内真空电弧电阻的等效模型如图8所示，真空电弧电阻由Rvac与Rtarg并联组成，其中Rvac为真空金属蒸气电弧电阻，Rtarg为靶材微粒形成的电弧电阻，二者均随电压、电流变化。燃弧阶段，Rvac与Rtarg数值很小，间隙内存在大量真空金属蒸气电弧等离子体，靶材微粒所占比例极低，Rvac又远小于Rtarg，触发材料种类变化会改变Rtarg，但材料变化对电弧电阻几乎没有影响。电流过零时，间隙内真空金属蒸气电弧等离子体快速去游离，Rvac迅速上升；但触发材料微粒受限于材料自身特性，在间隙残留高温及电压作用下难以快速复合，Rtarg变化缓慢。
图8 LTVS内真空电弧电阻的等效模型
Fig.8 Equivalent model of vacuum arc resistance in LTVS
受实验电压电流影响，这一阶段的Rvac与Rtarg间存在一个动态平衡的过程。由于Rvac与Rtarg均随电压电流变化，若触发材料微粒能在电流过零时快速复合，Rtarg随之快速增大，使弧后阶段Rvac/Rtarg比值很低，则LTVS的弧后介质强度恢复过程仍以金属蒸气等离子体的去游离为主，相应的LTVS可较快完成开断；若间隙内触发材料微粒难以快速耗散，Rtarg变化缓慢，Rvac/Rtarg随之逐渐增大，则此时LTVS难以可靠开断，触发材料对LTVS介质强度恢复的影响趋于明显。根据以上分析，LTVS的弧后电阻受Rtarg变化速率的影响，即开关弧后介质强度恢复取决于触发材料特性。
对于图6、图7实验结果，触发材料的比热容、沸点、化学活跃程度等特性存在差异，电弧对触发材料的作用效果不同，进而电流过零时LTVS的Rtarg有较大差别。对于TiH2而言，纯Ti在温度高于300℃时逆向吸附H和H2组成TiH2分子；温度达到600℃开始大量分解，释放含H微粒，约1 000℃时完全脱氢。激光烧蚀TiH2释放丰富的带电微粒导通真空间隙；电流过零时，TiH2分解的纯Ti又能快速吸附间隙内粒子中的H组成TiH2，加快间隙介质强度恢复，使LTVS获得较为理想的重频开断特性。
对比KCl与Ti+KCl材料的实验结果发现，采用KCl时LTVS的完全开断时间短于采用Ti+KCl，即在触发材料中加入金属粉末会降低开关的开断性能。考虑到LTVS导通性能需求，金属Ti良好的热传导能力及KCl较为活跃的化学特性可在激光作用下产生更多带电微粒；但也受限于此，Ti+KCl材料对电流过零时的电弧高温仍有较强的传导和吸收能力，触发材料会持续向真空间隙发射带电粒子，影响LTVS的介质强度恢复过程。对比KCl与NaCl两种材料，虽然二者沸点接近且同为卤族盐，但Na的化学活跃程度要低于K，故采用NaCl时开关的完全开断时间相对更短。
3.2 不同触发材料LTVS的开断能力
设置纵磁电极间距至5mm，电流频率1.4kHz，对比几种触发材料LTVS经过一次电流过零和两次电流过零所能开断的最大电流，统计结果如图9所示。采用TiH2时LTVS的开断能力最强，Ti+KCl材料的开断能力最弱，选用NaCl时LTVS可开断最大电流略高于KCl。实验结果印证了关于不同触发材料对LTVS介质强度恢复特性影响的分析。LTVS的开断过程不同于普通真空开关，其弧后阶段间隙内混入的触发材料微粒会在一定程度上影响开关的开断能力。
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图9 不同触发材料LTVS的开断能力对比
Fig.9 Comparison of current interruption capacity of LTVS with different target materials
根据以上实验结果及理论分析，高性能LTVS产品设计过程中应综合考虑触发材料对开关导通性能、寿命劣化及重频开断特性等因素的影响。如采用TiH2作为触发材料时，LTVS可获得较为理想的导通时延和开断能力，但其寿命劣化严重，不适用于长期免维护场合。针对部分场合的特殊应用需求，LTVS产品可调整其触发材料种类或配比以满足系统的重点技术指标。
4 结论
本文通过改变影响电弧特性的电路参数和内部结构参数，研究不同电弧参数对LTVS重频开断特性的影响，得到以下结论：
本文从体育学、语言学、计算机科学等多学科维度，以自建的多模态体育类语料库为基础，探讨“翻译工作坊”的教学与实训平台的建设，以期改进新的教学方法和理念，寻求新的体育系统国际化人才培养模式，重构体育类语言服务专业人才培养方案，从而实现专业人才的职业化，为体育院校英语专业课程建设提供新思路.
1）LTVS完全开断振荡电流所需时间随电流峰值、工作电压的增加而上升，随电流频率的增加而缩短；但电流频率的增加会降低LTVS的开断能力。
2）中低频条件下，纵磁电极LTVS可获得短于平板电极LTVS的完全开断时间；但开断高频电流时，纵磁电极难以形成有效的磁场以调控电弧运动，对LTVS开断能力的提升效果有限。
3）电流过零时电弧高温对不同触发材料热作用效果不同，影响LTVS的完全开断时间和开断能力。NaCl、KCl、TiH2、Ti+KCl几种材料中，TiH2材料的开断性能最佳，可在2ms内开断峰值2.6kA、频率1.4kHz的振荡电流；Ti+KCl材料良好的热传导能力虽有利于开关的导通性能提升，但不利于LTVS快速开断高频电流。
