摘要：研究了脉冲波形对自行设计的多棒极型激光触发真空开关的时延、抖动和最低导通电压等参量的影响。理论分析并且实验研究了单峰脉冲与双峰脉冲在开关的触发阶段和导通阶段对主电路导通特性的影响。结果证明相同能量且脉宽较短的单峰脉冲导致的时延、抖动均比双峰脉冲小，两者最低导通电压相等，为优化触发激光脉冲波形提供依据和参考。通过改变照射的单峰脉冲能量，并且用场致发射扫描电子显微镜观测，研究了不同能量脉冲对靶电极质量损耗以及成分损耗比例的区别，为进一步提高靶电极寿命提供依据和参考。
关键词：激光触发真空开关 脉冲波形 时延 抖动 脉冲能量 场致发射扫描电子显微镜
0 引言
如今，越来越多的民用和军用科技需要现代脉冲功率技术助推其发展，而高压强流脉冲开关已成为制约现代脉冲功率技术进步和突破的关键器件之一。触发真空开关(Triggered Vacuum Switch，TVS)(电脉冲触发)作为高压强流脉冲开关中的一种代表器件，一直是众多研究者关注和研究的焦点[1-8]。尽管众多学者对触发真空开关做了许多改进工作，但其时延较长、抖动较大、寿命和工作性能不够稳定等问题没有得到根本解决。这些问题与其触发结构本身的局限性有关，难以实现触发机构与主电路隔离电绝缘。
研究结果表明，激光触发真空开关(Laser-Triggered Vacuum Switch，LTVS)很好地克服了传统电脉冲触发真空开关所存在的问题。最早打开激光触发开关研究大门的是1965年美国空军武器实验室对短脉冲激光触发电火花的研究[9]。此外，一些学者也做过相关的原理性实验研究，所设计的开关间隙往往较小。例如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室设计的能稳定触发的真空开关，其主电极间隙仅为0.5 mm[10]。日本新泻大学研究的无氧铜和无氧铝触发电极，其主间隙距离仅为1.6 mm[11]。同时，这些开关一般采用平面型电极且靶电极位于阴极凹槽内，如此设计导致开关导通时产生的电弧对电极产生极大损害，且难以承受高电压和强电流。认识到平面型开关的缺陷以及借鉴了GE公司关于多棒极型开关结构的想法[12]，本文实验对象为自行设计的主电极间隙为12 mm、靶电极为Ti-KCl混合材料的LTVS。
R.Ahmed等[13]研究指出，在产生激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)方面，共线结构的双脉冲比总能量相同的单脉冲能形成强度更大的电离线状谱线。这意味着双峰脉冲照射靶电极能产生更多的初始等离子体，而更多的初始等离子体可能有助于开关导通特性的改善。本文进行了不同脉冲波形对开关导通特性影响的研究。通过实验，比较了单峰和双峰脉冲导致的开关时延、抖动以及最低导通电压；研究了不同激光脉冲能量对混合物靶电极质量损耗以及KCl/Ti损耗比例的区别，对靶电极寿命造成的影响；探究开关的导通机理，为后续优化开关性能提供依据。
高职院校外语教学目前主要面临两大挑战，即外部挑战和内部挑战，外部挑战主要包括国家宏观政策调整导致高职院校生源结构二元化严重；社会环境影响导致英语学习失真现象突出；高职院校失衡发展导致外语教学边沿化困境突出。内部挑战主要包括高职院校外语培养目标刻板化严重；外语教师队伍建设与学科发展趋势不匹配；教学理念和教学内容空心化突出；学生外语学习主动性不强。
1 实验装置
本文采用了自行设计的多棒极型LTVS，其截面如图1所示。其中，阳极和阴极相互交错沿开关轴线环绕排列，主电极间隙为12 mm；金属屏蔽罩可改善内部电场分布和防止金属蒸气冷却后沉积；观测窗用于观测脉冲激光与靶材的作用以及观察导通电弧；开关的真空度维持在10-4 Pa以下；靶电极的结构为圆锥体，由Ti粉末和KCl粉末均匀混合而成，粉末直径大小为微米量级。
图1 多棒极型LTVS截面图
Fig.1 Sectional view of multi-electrode LTVS
LTVS实验光路如图2所示。采用了两台经过不同调制且调Q的Nd：YAG固体激光器，每次可发射一个脉冲，波长为1 064 nm，束腰半径ω0均为2 mm。但两者的脉冲能量和脉冲波形不同，其中一台脉冲能量为10 mJ，单峰波形，脉宽为5 ns；另一台脉冲能量为7.2 mJ，双峰波形，总脉宽为37 ns，两个子脉冲间隔22 ns，前后子脉冲能量比值接近2∶1，且两个子脉冲与单峰脉冲脉宽相近。脉冲光束经过高透过率的光分束器分成了两束光，其中较弱的那一束光由THORLABS公司生产的型号为DET10A光电探测器接收，并且由安捷伦公司的DSO-X3104A型号示波器显示激光脉冲波形，该示波器的带宽为1 GHz；另外较强的光束经过光衰减片获得所需能量，最后由焦距f=200 mm的透镜聚焦后照射在LTVS的靶电极上，激发出初始等离子体导通开关。使用THORLABS公司的PM100D数字光功率和能量计探测激光脉冲能量。
基于土质边坡非饱和-饱和渗流和DP5本构模型，引入非饱和土的基质吸力分量、抗剪强度方程和渗流方程，进行了非饱和-饱和渗流场与应力场耦合的边坡稳定性数值分析，结论如下：
麓山苍苍,湘水泱泱。盛衰无常，兴亡难料。有形之建时毁，无形之文长存。晚年的刘崐有很多不幸,但湖南有幸留住刘崐忠骨,这是湖南的大幸,学士的大幸！
图2 多棒极型LTVS实验光路
Fig.2 Experimental light path of multi-electrode LTVS
LTVS实验电路如图3所示，其中回路电源、调压器、变压器、充电电阻、续流硅堆和主电容组成充电回路；模拟负载、主电容和LTVS组成放电回路。另外，示波器接入和LTVS相连的高压探头显示开关导通后主间隙电压(开关电压)波形，同样连接回路中罗氏线圈的CH1接口显示开关导通后回路电流波形。
图3 多棒极型LTVS实验电路
Fig.3 Experimental circuit of multi-electrode LTVS
2 实验方案、结果及分析
2.1 实验方案
综上所有未定之论，也不妨《青松红杏图》受人景仰几百年，自康熙始至解放后崇效寺被撤之前，此图尚存于世，一直作为镇寺之宝，被无数文人雅士留墨题咏。
研究不同激光脉冲波形对导通特性影响的方案主要是使用两台除脉冲波形和能量外其它参数均相同的Nd：YAG固体激光器分别触发LTVS。本文示波器记录LTVS导通的触发激光脉冲、主间隙电压和回路电流波形如图4所示，其中激光脉冲的上升沿至主间隙电压开始下降点的时间段定义为触发时延。单峰脉冲的波形如图5a所示，脉宽T1=5 ns，能量为10 mJ；双峰脉冲的波形如图5b所示，总脉宽为T2=37 ns，两个子脉冲间隔T3=22 ns，总能量为7.22 mJ。利用光衰减片将两台激光器能量降低到相同的2 mJ。降低能量后的两种激光脉冲分别在初始主间隙电压U=1 kV和U=5 kV下各测量5次时延。时延的标准差定义为抖动时间。
图4 多棒极型LTVS导通时激光脉冲、主间隙 电压以及回路电流波形
Fig.4 Waveform of laser pulse，main gap voltage and circuit current of multi-electrode LTVS
图5 激光脉冲波形
Fig.5 Waveform of laser pulse
研究不同能量激光脉冲对靶电极损耗影响的方案是用脉冲能量为10 mJ的激光器经过透镜聚焦后照射靶电极全新位置5 000次，之后利用光衰减片将能量衰减到3 mJ经过透镜聚焦后照射另一个全新位置5 000次，透镜焦距f=200 mm，聚焦后的能量密度分别为271 J/cm2和81 J/cm2。照射结束后，实验利用场致发射扫描电子显微镜(Field Emission Scanning Electron Microscope，FESEM)观测两个照射点，并且通过残留物质的X射线能谱图分析不同靶电极材料(KCl和Ti)的损耗情况。
2.2 单、双峰脉冲触发LTVS导通结果比较及分析
图6为降低到相同2 mJ能量后的两种激光脉冲分别在初始主间隙电压U=1 kV和U=5 kV下测量5次的时延，可以看出双峰脉冲的时延均比单峰脉冲的时延大。表1记录了两种激光脉冲在U=1 kV和U=5 kV下的5次时延记录的平均时延以及抖动，发现双峰脉冲的平均时延和抖动均远大于单峰脉冲。此外，分别测量了两种激光脉冲的最低导通电压(最低初始主间隙电压)，见表2，可以发现两者的最低导通电压均为400 V。
图6 2 mJ能量的单、双峰脉冲在初始主间隙电压 U=1 kV和U=5 kV时的开关触发时延
Fig.6 Delay time of switch triggered by 2 mJ singlet and doublet pulses with the main gap voltage of U=1 kV and U=5 kV
表1 2 mJ能量的单、双峰脉冲在初始主间隙电压U=1 kV和U=5 kV时触发开关的平均时延和抖动时间
Tab.1 Average delay time and jitter of switch triggered by 2 mJ singlet and doublet pulses with the main gap voltage of U=1 kV and U=5 kV
脉冲激光类型初始主间隙电压U/kV平均时延/ns抖动时间/ns单峰脉冲12917.352287.7双峰脉冲164471.7552242.7
表2 2 mJ能量的单、双峰脉冲触发的开关最低导通电压
Tab.2 Lowest break-over voltages of switch triggered by 2 mJ singlet and doublet pulses
脉冲激光类型最低导通电压(初始主间隙电压)/V单峰脉冲400双峰脉冲400
实验中的双峰脉冲能看作时延近30 ns且能量比为2∶1的两个单脉冲的叠加，而单峰脉冲则可以看作时延为0的两个单脉冲的叠加。R.Ahmed等的实验研究证明在脉冲时延0～5 μs范围内，谱线强度随时延单调递增[13]。本文双峰脉冲的子脉冲时延较小，但仍然会比单峰脉冲产生的初始等离子体多。短脉冲激光与靶材相互作用原理如图7所示[14]，文献[14]指出纳秒脉冲的融化过程主要由热传导、融化、蒸发和形成等离子体几部分组成。当双峰脉冲照射到靶电极上时，第1个子脉冲会先烧蚀靶材，并激发出一定数量的等离子体、中性原子以及细小的微粒。等离子体气团由于逆轫致辐射(Inverse Bremsstrahlung，IB)会对随后的脉冲激光产生强烈的吸收，形成等离子体屏蔽(Plasma Shield)。于是，当双峰脉冲的第2个子脉冲到达时，就会被等离子体气团大量吸收进而导致更多等离子体形成和导致更高的粒子能量[15]。等离子体气团IB主要有电子-中性原子与电子-离子IB，吸收系数分别为[16]
1.3.3 音乐疗法 近年来出现的音乐治疗是科学且系统地运用音乐的特性，以音乐活动作为治疗的媒介，帮助患者协调心理及生理状态的一种治疗方法。通过倾听柔和、舒缓的音乐，缓解患者紧张、焦虑等情绪，以减轻疼痛。国外相关研究表明，音乐疗法在减轻患者术后疼痛的同时减少了术后镇痛药的给药量［11-12］。
(1)
(2)
式中，Q为电子在与中性原子碰撞时的光子吸收横截面；T为气团温度；h为普兰克常数；c为光速；λ为光波长；k为玻尔兹曼常数；e为电子电量；me为电子质量；ne为电子数量密度；n0为中性原子数量密度；ni1为一次电离离子数量密度；ni2为二次电离离子数量密度；Z1和Z2分别为单电离和双电离离子的电荷量(Z1=1和Z2=2)。
图7 激光与物质相互作用
Fig.7 Laser-matter interaction
由式(1)和式(2)可知，电离程度越高，等离子体气团吸收系数越大，双峰脉冲的后半部会被更强烈地吸收，能够到达靶电极表面的能量就越少。单峰脉冲由于脉宽较窄，被等离子体气团吸收的能量较少，从而产生的初始等离子体较少。但另一方面，由于单峰脉冲比双峰脉冲有更多的能量到达靶电极表面且脉冲更窄(有更高的峰值功率)，能够在极短时间内在靶电极表面形成极高温度，比双峰脉冲能让更多的靶材挥发，激发出更多的中性原子和更细小的微粒。
结合图6和表1、表2分析可知，虽然在触发阶段相同能量的双峰脉冲比单峰脉冲能激发出更多初始等离子体，但单峰脉冲激发出更多的中性原子以及更多、更细小的微粒能在随后的导通阶段帮助初始等离子体在开关强电场作用下产生更密集、更有效的碰撞，激发更多的等离子体，从而使开关更快地导通，实现更小的时延和抖动，但最低导通电压似乎与波形以及脉宽无明显关系。由此可进一步推论，在相同激光脉冲能量条件下，缩短脉宽、提高峰值功率可能成为缩短时延、减小抖动的有效手段。但在脉宽τ<10 ps(1 ps=10-12 s)时不一定成立，此时激光与物质作用的机制发生了变化[17]。
2.3 不同能量激光脉冲对靶电极的损耗结果及分析
实验发现，10 mJ激光脉冲在靶电极上打出的凹坑明显大于3 mJ激光脉冲打出的凹坑，前者最大跨度是后者最大跨度的约3倍，如图8所示。这是因为激光脉冲能量越大，能在更广范围内形成高温，熔融烧蚀更多靶电极材料；同时能量越大，短脉冲激光照射靶材形成的冲击波就越剧烈[18]，共同作用使挥发出去的靶电极材料更多。由于开关系统设计是利用扫描的方式用脉冲激光触发不同靶材位置，更大的凹坑面积意味着更少的全新靶电极扫描点，从而影响靶电极的寿命或LTVS触发寿命。P.J.Brannon等[19]研究发现，用纯KCl作靶电极很难使开关导通，用纯Ti作靶电极时导通需要的激光能量也远大于使用Ti与KCl混合靶电极的开关。原因是KCl对1 064 nm等长波段光基本不吸收，如图9所示，而Ti的融化和蒸发温度以及电子的逸出功均远大于KCl。所以混合靶电极的导通物理模型可能是由Ti吸收脉冲光能量并少量蒸发，同时以热传递的形式将能量传给KCl，导致KCl大量蒸发同时产生初始等离子体，最终导通开关。这意味着激光照射靶电极时，虽然两种材料都会损耗，但KCl的损耗程度会远超过Ti。被照射点残留元素的的X射线能谱如图10所示，可以看出，10 mJ激光脉冲照射点残留Cl、K元素含量与Ti元素含量的比值小于3 mJ照射点所残留Cl、K元素与Ti元素含量的比值，说明KCl随激光脉冲能量增长而损耗幅度的增长远大于Ti。
吃晚饭的时候，牛皮糖回了一趟家。他本来是在工地吃饭，但想到夜里寒冷，打算回去拿两件衣服。人还未进门，老婆就兴高采烈来报喜。牛癫子牛癫子，村长送钱来了，一大包呢。
图8 FESEM观测照射点时的图像
Fig.8 Graphs of irradiation spots observed by FESEM
图9 KCl晶体的光谱透过率
Fig.9 Spectral transmittance of KCl crystal
靶电极被照射点过低的Ti或KCl比例均会恶化开关的导通特性甚至难以导通，不同的脉冲激光能量对靶电极不同成分的损耗有较大差异，因此有必要根据触发激光脉冲能量选定最佳的靶电极混合比例(在一定范围内，KCl与Ti的质量比需要随激光脉冲能量的增大而增大，尽量使Ti和KCl同步消耗)，提高开关的可靠性和靶电极的寿命。
图10 FESEM检测照射点残留成分时的X射线能谱图
Fig.10 X-ray energy spectrum of residual components on irradiation spots probed by FESEM
3 结论
1)本文进行了2 mJ相同能量的单峰脉冲(脉宽T1=5 ns)与双峰脉冲(脉宽T2=37 ns)触发导通自行设计的多棒极型LTVS的实验，发现单峰脉冲触发的时延和抖动均比双峰脉冲小，两者的最低导通电压相同。虽然在触发阶段双峰脉冲能比单峰脉冲产生更多的初始等离子体，但单峰脉冲由于更少的能量被等离子气团吸收，能轰击挥发出更多的靶电极材料，产生更多的中性原子和细小微粒，帮助单峰脉冲在后面的导通阶段在开关强静电场作用下碰撞产生更多的自由电子，从而更快地导通开关，表现为更小的时延和抖动。同时，实验证明了更短脉冲激光(或更高峰值功率)导致更佳导通性能的可能性，为接下来利用ps脉冲激光触发LTVS的研究提供了参考和依据。
(3) 做好地质勘测，了解地下水分布和软弱地层分布，减少浆液流失和地下水渗漏。保证盾构施工的连续性，减少暂停作业期间的地表沉降，提高开挖施工的速度，减少土体损失的时间，及时采取支护措施对地表变形控制有积极作用[13]。
2)本文分别用10 mJ和3 mJ单峰脉冲激光照射靶材不同位置5 000次，发现由于更高能量的激光脉冲照射靶电极时能形成更高的烧蚀温度且形成更强烈的冲击波，10mJ脉冲激光形成凹坑的最大跨度约是3mJ脉冲激光形成凹坑的最大跨度的3倍，高能量相比较低能量脉冲激光可以扫描靶电极表面的点数会较少，而这成为影响靶电极寿命或LTVS触发寿命的一个因素。此外，靶电极中KCl随脉冲激光能量增长而损耗幅度的增长远大于Ti。从提高靶电极寿命方面考虑，在一定比例范围内，可将KCl的含量随最佳或常用触发脉冲激光能量的增大而增加。而不同KCl和Ti混合比例对导通特性的影响需要进一步研究。
