平板电极型激光触发真空开关的导通特性研究_真空技术_新闻动态

摘要：强激光触发方式的真空开关由于触发精度高、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广阔的应用前景。设计了一种平板电极型激光触发真空开关。为了提高其触发寿命，针对触发电极进行优化。触发电极耐烧蚀，靶材选取TiH2，其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650 ns。详细讨论激光参数、聚焦镜位置、主电压值等对开关的触发阈值、最低工作电压和时延特性的影响，提出触发阈值理论和电弧形成机制，为此类开关的性能优化提供理论依据。实验表明：开关稳定的触发阈值达4.5×107 W/cm2，最低工作电压为30 V；采用正常聚焦模式能大幅度降低开关的时延；电弧电流的开始阶段存在强烈振荡过程，电流值大于5 A后，如果外加电压足够高，振荡现象消失，真空电弧稳定燃烧。

关键词：激光触发真空开关触发阈值最低工作电压时延特性电弧形成机制

0 引言

触发真空开关(Triggered Vacuum Switch，TVS)具有工作电压范围宽、承载电荷量高(可达上千库仑)、动作迅速、控制精度高、介质恢复迅速、无噪声、结构紧凑、使用方便和维护简单等优点，一直是高压大电流快速关合[1]、电磁发射[2]、串联补偿电容保护[3]等领域的重要开关器件。其工作方式主要有沿面击穿型、场击穿型、电子束流型、激光束照射型等[4,5]。激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)采用强激光触发方式，由于激光的脉宽窄、上升时间小、相干性好、功率密度高，其触发精度高，可靠性好，并能避免触发装置的电磁干扰[6]。精心设计的高性能LTVS作为快速关合开关是可行的，而且潜力巨大，在其他脉冲功率领域同样具有非常广阔的应用前景。

1973年，A.A.Makarevich等[7]率先把激光用于真空触发开关领域，并将该开关成功应用到ns级脉冲整形当中。通常，针对激光触发开关的触发特性研究大多是气体开关、水开关，如文献[8]对激光触发空气开关的激光诱导等离子体的过程进行了研究，平均击穿时延能达到亚s级；文献[9]提出采用固体材料作为激光气体开关的靶材能有效的降低激光能量，并能达到很小的抖动；文献[10]对激光触发水介质开关的触发机理进行了深入探究，激光作用点在水介质中形成等离子体，在电场的作用下扩散发展迅速形成电弧通道。而针对激光触发开关的导通机制却少有研究，国外P.J.Brannon等[11]提出了一种在阴极采用复合材料(KCl和Ti)作为靶材的激光触发真空开关运行新模型，开关的导通由两个独立的过程组成，即热机制产生初始电流和离子再生机制形成主电流。国内华中科技大学分别针对多棒极激光触发真空开关[6]和长间隙平板型激光触发开关[12]的时延特性以及简单的触发机理进行了研究，得到的触发性能优于以往任何一种触发方式的真空开关。但是，这些研究大都是一些原理性的试探试验，对初始等离子体的产生和电弧的形成并没有深入地涉及。

本文针对LTVS的触发电极进行优化设计，使其性能更加优良。搭建LTVS实验测试平台，改变激光参数、聚焦镜位置、主电压值等，对开关的导通性能进行探究，重点研究开关的触发阈值、最低工作电压和时延特性，进而探究得出初始等离子体的产生和电弧的形成机制。

1 激光触发真空开关结构及触发电极设计

1.1 激光触发真空开关结构

图1为实验所采用的可拆LTVS整体结构图和剖面图，可见LTVS由陶瓷绝缘外壳、金属外壳、阳极触头、阴极触头、靶电极、激光照射石英玻璃窗组成。绝缘外壳起到绝缘和支撑作用，金属外壳与陶瓷外壳共同保证灭弧室真空度。灭弧室真空度由真空泵抽至1×10-4 Pa以下。在金属外壳侧面留有一个玻璃观察窗，能有效地观察和拍摄开关导通时形成的电弧，并确认激光是否准确照射到靶极。开关为平板电极结构，两电极采用导电性优良、分断电流能力高、抗电弧熔蚀性能良好和抗表面熔焊能力强的铜铬50合金制成，两电极间隙距离为6 mm(可以调节)，触头直径44 mm。上触头光通孔直径为2 mm，下触头靶槽直径为3 mm。

1—石英玻璃和激光通孔；2—铜质导杆；3—陶瓷绝缘；
4—钢材料的真空腔体盖；5—钢材料的真空腔体外壳；
6—放有触发材料的凹槽(靶极材料)；7—阳极触头；
8—玻璃窗口；9—高真空环境；10—阴极触头。
图1 开关整体结构图和剖面图
Fig.1 Overall structure and cross-sectional diagram of switch

1.2 触发电极优化设计

触发电极的优化设计是激光触发开关和其他触发方式真空开关的最大不同。激光触发开关导通的初始等离子体源来自激光和靶材的相互作用。激光窄脉冲照射在靶材表面，在很短的时间内，靶材吸收激光能量，然后通过热传导致使靶材表面熔化，进而挥发产生热蒸气。当功率密度达到一定值之后，一般在108 W/cm2左右，金属表面蒸发强烈，这样去吸附气体、电介质薄膜和金属蒸气将会被电离[13]，产生充足的初始等离子体，致使开关导通。

设计的靶电极位于阴极中心处，靶电极与激光入射保持垂直，激光经过聚焦后正好能照射在靶电极中间处。文献[9]指出，大多靶材无法经受住开关高温电弧强烈的烧蚀，影响开关的寿命。因此，本文采用了一种解决方案，如图2a所示，即在阴极表面设计一个直径5 mm的凹槽，靶材置于其中，靶材表面距离阴极表面2 mm。该距离的设计不能过大，否则会有效地增大开关的时延、抖动以及入射激光能量[6]。

图2 静电场仿真
Fig.2 Electrostatic field simulation chart

图3 场强特性曲线
Fig.3 Field strength characteristic curve

对所设计的开关间隙进行静电场仿真，仿真电压3 kV，电场分布如图2b所示。可以发现，靶电极附近的场强明显低于阴极附近的场强。为了对场强进行定量分析，分别得到距离阴极表面0.2 mm处直线1和距离阴极表面0.2 mm处直线2的场强曲线，直线位置如图2a所示，场强曲线如图3所示。经计算得到，直线1处平均场强612 kV/m，直线2处平均场强139 kV/m，即阴极附近的场强为靶电极附近的场强的4.4倍。靶电极较低的场强能有效地削弱高温电弧对靶材的烧蚀，进而提高了开关的寿命。

1.3 靶材选取

靶材的选取关系到LTVS能否可靠触发、触发所需的能量和触发的过程。触发靶极材料采用触发性能优越的氢化钛(直径为74 μm)。纯钛是一种比较优良的金属，吸氢密度高达9.2×1022/cm2，比液氢密度大1倍多。对于钛吸氢来说，由晶体的结构理论来计算其饱和吸氢量是2.0，即形成TiH2。选择氢化钛作为LTVS的触发材料是利用了它在真空高温情况下的脱氢行为。另外，TiH2在600 ℃左右会出现一个吸热峰，这表明TiH2在此600 ℃附近会分解得很剧烈；在680 ℃左右出现另一个吸热高峰，分解程度更进一步。在1 000 ℃左右时，这种氢化物可以分解形成氢。TiH2在无氧、氮存在的条件下发生如下分解反应[14]

TiH2=Ti+H2↑

(1)

由式(1)可以看出，TiH2分解反应发生后生成了金属单质Ti，钛层逐渐形成，进而将会逐渐包围TiH2颗粒，分解析出的H2需穿过Ti层向外扩散。

在LTVS触发过程中，激光作用在靶材上的时间非常短，一般为ns级，这会使得TiH2瞬间释放出大量的气体，从而大大缩短结晶和内扩散化学反应过程，极高的反应速度足够提供丰富的初始等离子源。当燃弧结束后，LTVS内部残余的气体又被分解出来的纯钛吸收，恢复成TiH2粉末，同时内部真空度和绝缘强度也恢复到原来的情况。

2 实验装置和技术

2.1 光学装置

图4为实验光学平台，采用Nd：YAG固体激光器，型号DAWA-100，允许输出激光波长为1 064 nm；激光脉冲宽度约为7 ns，最大能量为177 mJ，能量连续可调。激光器产生的激光先经过全反镜(99.99%)反射，再经焦距为40 cm、透过率为95%的聚焦透镜会聚，会聚后透过JGS2型石英玻璃窗(90%)，最终照射到LTVS的靶电极上，产生初始等离子体。在进行光路调节时，由侧面的玻璃窗确认激光是否照射到靶极上。靶极材料经70 kN强压力压制之后置于阴极中央靶槽中。

图4 实验光学平台
Fig.4 Experimental optical platform

2.2 实验回路

实验主回路由充电回路和放电回路两部分组成，放电回路采用LC振荡回路，实验电路框图如图5所示。图中，工频交流220 V的电压通过自耦调压器调压，然后经升压变压器，再经高压硅堆和充电电阻后，对高压电容器充电。当电容两端电压达到预先设定的值，断开电源，停止充电，触发激光器产生激光，LTVS导通放电，高压电容两端电压下降。

图5 实验主回路框图
Fig.5 Block diagram of main circuit

电容器C的型号为MY20-9，额定电压为20 kV，实际电容值为8.7 μF；高压硅堆的反向耐压值为30 kV；水电阻的阻值为110 MΩ；试验变压器的型号为YD-5/50，单相，50 Hz，户内式；负载电感采用绕组线圈，电感值为43.6 μH。

2.3 测量电路

本实验中需要测量的参数有TVS两端电压即主电容两端电压、通过LTVS的电流、激光器调Q输出电压。为此，采用Tektronix P6015A电压探头测量电压，其测量范围为直流0～20 kV(峰值可达40 kV)，测量带宽为直流至75 MHz。采用Tektronix A621电流探头即电流钳测量电流，测量范围为0.1 A～2 kA(峰值电流可达5 kA)，测量带宽为直流和交流5 Hz～50 kHz。如图4所示，为避免高压的引入所带来的危险，在低电位处测量电流。所有被测量使用Tektronix DPO3034示波器采样，以激光器调Q的输出电压作为示波器的触发信号。DPO3034示波器具有4通道，带宽为500 MHz，采样率为2.5 GS/s，性能优越，可以满足本实验的要求。

3 实验及结果分析

3.1 实验方法

触发阈值和最低工作电压[12，15]是衡量LTVS触发性能的两个关键性因素。触发阈值决定了产生的初始等离子体是否充足，最低工作电压是等离子体扩散的重要前提。而它们又直接或间接地影响了开关的时延特性。因此，本文主要研究激光触发能量、外加电压、聚焦镜位置等参数对触发阈值、最低工作电压和时延特性的影响，探究LTVS触发导通的一般规律，深入分析LTVS电弧的形成过程。

图6 LTVS导通成功波形
Fig.6 Successful conduction waveforms of LTVS

图7 开关时延波形
Fig.7 Time delay waveforms

图6为激光器能量114 mJ、主电极电压400 V时，LTVS触发导通成功时的激光器调Q输出电压波形、主电极电压波形、开关导通电流波形。激光调Q输出发出信号经过一定时间，主电极电压开始下降，开关导通电流开始上升。LTVS导通半个周期后在电流过零时成功开断，振荡回路截止，电容C上残留反向电压。图7为开关的触发时延波形。图7中td1为激光器固有延迟时间，即从激光器调Q的电压信号发出到激光器发出激光的时间，其值为940 ns；td2为激光发出到开关电流开始上升的时间，其大小与激光光路、初始等离子体产生以及扩散过程有关，其值为681 ns。本文将td2定义为开关的总延迟时间，时延的测量为20次导通时延的平均值。

3.2 触发阈值

触发阈值是触发开关在一定结构和欠电压比情况下，所需的最小激光能通量密度[16]。在靶材、开关参数和外施电压一定的情况下，激光便成为了初始等离子体形成的唯一决定性因素，初始等离子体形成的多少是LTVS可靠导通的关键。因此，对触发阈值的定量研究有着重要的现实应用价值。

在一定的电压和真空度下，触发阈值Jth可以按照如下的公式计算

(2)

式中，Qmin为触发开关所需的最小激光能量；τ为激光脉冲半高宽度；A为光斑面积。

文献[17]的研究结果表明电光调Q开关的电源电压对激光脉冲的性能有影响，可能进而影响到开关的临界触发能量。实验结果表明，当DAWA-100型激光器的调Q电源电压小于360 V，即能量低于30 mJ，开关已不能触发，也就是说此调Q电源电压下的激光器性能下降严重。当激光正常聚焦时测得的最小激光触发能量都为30 mJ，也就是说如果采用性能更加优良的激光器最小触发能量值应更小。因此，为了排除设备局限性带来的不利影响，并准确分析LTVS的触发阈值，实验采用不聚焦模式。

本实验中使用的脉冲调Q固体激光器的激光脉冲束腰半径为3 mm，激光脉冲波长为1 064 nm，激光脉冲半高宽度7 ns。当不使用聚焦镜时，激光发出的激光为平行光，此时照射到靶电极上的光斑半径即为激光脉冲束腰半径3 mm。实验分别测得开关外施电压为50、100、200、300、400、500 V下的最小激光触发能量为131、111、103、89、89、89 mJ。激光能量的调节是由调节调Q电压信号实现，调Q电压步长为5 V，不能对能量进行连续调节，所得最小激光能量存在调Q电压±5 V所产生的能量变化范围。每个电压下最小激光能量取10次实验的平均值。

图8为不同工作电压下LTVS的触发阈值。可见，在开关外施电压较低的情况下，LTVS的触发阈值随着电压的增加而减少；当电压值超过300 V，开关的触发阈值趋于稳定，稳定值为4.5×107 W/cm2。这个可以由LTVS的导通机制来解释。开关触发导通是热机制和碰撞电离机制相互作用的结果[11]：热机制指靶材在一定激光能量作用下产生初始等离子体，碰撞电离机制是指初始等离子体在外电场的作用下撞击阳极产生正离子，然后这些正离子反过来撞击靶材，二次发射形成更多的等离子体，如此反复，开关导通。在外施电压比较低的情况下，电压越低，电极间电场强度就越弱，二次发射系数也就越小，开关导通就需要更多的初始等离子体，因此触发阈值越高。当电压达到一定值之后，电场强度足够大，二次发射产生的等离子体足够多，此时热机制起主要作用，只要产生的初始等离子体满足触发要求，开关就能导通，因此触发阈值基本保持不变。

图8 不同工作电压下LTVS的触发阈值
Fig.8 Trigger threshold of LTVS at different voltages

3.3 最低工作电压

最低工作电压是指LTVS在结构参数、激光能量一定的情况下，能够正常导通的最低外施电压。对其进行研究具有两方面的现实意义：一是通过对最低工作电压的探究能够指导研究LTVS电弧形成机制，尤其是初始等离子体的扩散过程；二是能够得到LTVS工作的电压范围，有效地判断LTVS的导通性能。

在开关结构一定的情况下，最低工作电压与激光参数和光路有关。实验通过调节激光调Q开关的电源电压来改变激光的能量，选取激光器工作性能良好的能量范围。光路的改变则由改变聚焦镜的位置来实现，由于激光光路结构和实际条件限制，实验采用四种配置方式，即正常聚焦方式、不聚焦方式、聚焦镜上移40 mm方式、聚焦镜下移50 mm方式。实验所得不同工作方式和不同激光能量下的最低工作电压为10次重复实验所取的平均值。图9为不同工作方式和不同激光能量下的最低工作电压。

图9 不同工作方式和不同激光能量下的最低工作电压
Fig.9 Minimum operating voltage in different working modes and different laser energies

从图9可以看出，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，最低工作电压值为30 V。主要原因是在正常聚焦的情况下，能量密度远大于LTVS的触发阈值，即热机制作用显著，产生的初始等离子体数量最为充分，开关最容易导通。在不聚焦的情况下，较低激光能量不能使LTVS导通，即无论施加多高的电压，开关都无法导通，此现象很好地说明了LTVS的触发阈值理论。当激光能量较低时，光斑能量密度还未达到开关的触发阈值，初始等离子体不能有效地形成，开关不导通。除了正常焦距方式外，其他几种方式的最低工作电压随激光能量的增加而下降，原因是激光能量增高，光斑功率密度越大，引起更多的触发材料挥发，产生的初始等离子体数量增多，开关越容易导通。

3.4 时延特性

保持激光能量为103 mJ不变，进行不同电压下LTVS触发实验，所得触发时延和抖动如图10所示。可见，开关的时延抖动随电压上升呈逐步下降趋势，在最低工作电压附近，时延抖动明显较大。原因是在开关导通过程中，激光只是起触发作用，提供初始等离子体，而开关的闭合是在外加电场作用下形成流注的过程。工作电压越高，流注形成速度越快，开关延迟也就越小。工作电压较低的情况下，电场作用微弱，流注形成较慢，开关时延抖动也就明显较大。从图中还可以发现，在不聚焦方式下的开关时延抖动很大，约为正常聚焦方式下开关时延的两倍。这是因为此激光能量下，不聚焦方式下光斑能量密度为5.2×107 W/cm2，正常聚焦方式下光斑能量密度为2.3×1011 W/cm2，由此正常聚焦时激光与触发材料的作用时间也就小于不聚焦方式，开关时延抖动更短。

图10 不同电压下开关触发时延和抖动
Fig.10 Time delay and jitter at different voltages

4 LTVS的触发导通理论探讨

4.1 触发阈值理论

针对LTVS触发阈值的产生，这里通过热传导模型进行解释[13，18]。激光照射到靶材表面可以类比于汽化潜热现象。当材料蒸发还比较弱时，如果只考虑表面加热初始阶段，靶材的光学参数和热学参数等同于冷材料。

在激光束作用下，靶材表面要经历4个物理过程，即吸收和加热、熔化、蒸发、等离子体产生。激光辐射入射到靶材表面，能量将会通过热传导进入靶材内部，热扩散长度可以认为是热传导决定的靶材表层厚度，a为热扩散率，τ为激光脉冲宽度。靶材表层热量的平均增加值计算公式为

(3)

式中，ΔQ为激光脉冲能量；Δm为激光脉冲期间加热材料表层质量；A为有效的光斑面积；α为光吸收率；ρ为靶材质量密度；Δx为热扩散长度。

将材料表层的能量增加ΔQ/Δm与材料的蒸发潜热qev进行比较。此处引入2个参数：材料蒸发阈值Jth，激光蒸发阈值Jlaser。只有Jlaser的值大于Jth时，材料才能蒸发，产生初始等离子体。由此得到

(4)

推导式(3)和式(4)，可以得出任何一种材料激光蒸发阈值Jth的近似简化计算式为

(5)

由此，根据不同材料的热力学特性[15]，可以计算得出它们各自的蒸发阈值Jth，见表1。

表1 不同材料的蒸发阈值

Tab.1 Evaporation threshold of materials

触发材料Jth/(W/cm2)Al1.03×109C6.71×107Cu1.83×109Ti9.55×107W6.00×108

本实验采用的材料为TiH2，其在400 ℃就开始受热发生分解，生成氢气和钛单质。其蒸发阈值由氢气和钛单质共同决定，由于混合物的热力学过程尤为复杂，这里不再做深入分析，但值得注意的是TiH2的蒸发阈值应接近于Ti的蒸发阈值(9.55×107 W/cm2)，但较这个值低。理论值与实验测量得到的电压300 V时TiH2的触发阈值4.5×107 W/cm2吻合。由此可以看出，激光作用下，触发材料蒸发是电弧产生的必要条件。计算的蒸发阈值，能够作为判断激光触发开关是否导通的重要参数。

4.2 电弧形成机制

电弧的发展过程就是激光产生的初始等离子体扩散发展的过程。为了研究电弧的形成，对电弧电流进行了测量，图11为激光能量为83 mJ，电压分别为100、200、30 V时的电弧电流波形。从图中可以发现，电流的开始阶段振荡强烈，此时阴极斑点还未形成，该阶段并不依赖于外施电压的大小。在电弧电流达到一定值之后，如果外加电压足够高，真空电弧才能建立。如图11c所示，电弧电流开始阶段连续振荡，由于外加电压低至30 V，不足以建立起自持燃烧的电弧，电弧很快熄灭。

电弧形成的初始决定条件是激光产生等离子体形成的阴极表面电流值大小。也就是说，初始电弧电流的形成是初始等离子体与阴极表面相互作用的结果。文献[17]发现，单电极电弧被点燃时，电极表面有净离子电流的最小值存在，为104～105 A/m2。激光真空电弧形成机制和单电极电弧相似，其净离子电流由激光与靶材热作用产生。

电弧电流初期的振荡是一个随机过程，只要真空电弧还没有完全贯穿整个间隙，电弧电流值的上升就会受到空间电荷限制。由于等离子体的扩散，电极间隙越来越小，因此电流值会一定程度增加。但是由于此阶段未形成自持燃烧的电弧，电弧会在很短的时间熄灭，接着又被点燃，如此反复形成振荡波电弧电流，如图11所示。由图可见，当电流值大于5 A，电流振荡波消失，电弧稳定燃烧。

图11 正常聚焦模式下的电弧电流
Fig.11 Arc current of normal focus mode

由上述的分析，可以得出激光触发电弧形成机制。在主间隙电场的作用下，激光产生的初始等离子体向阳极扩展。由于电子和离子质量上的差异以及由此引起的运动迁移性上的差异，在扩展等离子体和阴极之间集中了大量的正离子，即空间电荷，形成所谓的近阴极正离子鞘层即阴极鞘层。由此，等离子体扩展的过程实际上就是阴极鞘层向阳极的增长过程。当鞘层中的电场强度足够大，以至超过了鞘层的击穿场强时，鞘层被击穿，在阴极表面形成强烈发射的阴极斑点[20]。随即电流密度迅速增加，形成弧光放电，建立起金属蒸汽电弧，主间隙导通。

5 结论

1)本文通过静电场分析对开关的触发极进行优化设计，靶电极耐烧蚀，拥有较高的开关寿命。靶材选取TiH2，其能为开关导通提供丰富的初始等离子体，提高了开关的触发性能，开关的最短时延达到650 ns。

2)通过实验和理论分析得出，LTVS在一定结构和欠电压比情况下存在触发阈值。触发阈值随着电压的增加而减少；当电压值超过300 V，开关的触发阈值趋于稳定，稳定值为4.5×107 W/cm2。计算的蒸发阈值能够作为判断激光触发开关是否导通的重要参数。

3)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，最低工作电压值为30 V。在未聚焦方式、聚焦镜上移40 mm方式、聚焦镜下移50 mm方式下的最低工作电压随激光能量的增加而下降。

4)开关的时延随电压上升呈逐步下降趋势，在最低工作电压附近，时延明显较大。在不聚焦方式下的开关时延很大，约为正常聚焦方式下开关时延的两倍。

5)电弧电流的开始阶段存在强烈振荡过程，电流值大于5 A后，如果外加电压足够高，振荡现象消失，真空电弧稳定燃烧

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