（光学工程专业论文）激光触发开关的研究.pdf

国防科学技术太学研究生院学位论文 图表目录 图1 1 典型的气体火花开关结构图3 图1 2 气体火花开关的模型图3 图1 3 激光触发开关结构示意图4 图1 4 激光触发开关实物图( s g 系列) 4 图1 5x e c l 激光触发开关实验结构图5 图1 6k r f 激光触发气体开关的结构图5 图1 7 激光触发直流间隙放电实验电路6 图1 8 开关结构图8 图1 9 开关实物图8 图1 1 0 激光从与电极轴线成4 5 度角进入开关8 图1 1 1 激光从与电极轴线成0 度角进入开关8 图1 1 2 激光触发m a r x 发生器系统结构图9 图1 1 3 激光触发m a r x 发生器原理图9 图1 1 4 小型激光触发m a r x 发生器9 图1 1 5 两台激光触发m a r x 发生器同时工作9 图1 1 6 第一级激光触发间隙结构图9 图1 1 7 前沿测试结果9 图2 1 电子雪崩示意图与空间的场分布1 4 图3 1 粒子数目随时间的变化关系2 5 图3 2 温度随时间的变化关系2 5 图3 3 激光能量与上升时间的变化关系2 6 图3 4 欠压比与上升时间的关系2 6 图3 5 半球型电极电场分布( 1 ) 2 7 图3 6 半球型电极电场分布( 2 ) 2 7 图3 7 轴线电势曲线2 7 图3 8 中线场强曲线2 7 图3 9 大圆弧电极电场分布( 1 ) 2 7 图3 1 0 大圆弧电极电场分布( 2 ) 2 7 图3 1 l 轴线电势曲线2 8 图3 1 2 中线场强曲线2 8 图3 1 3r o g o w s k i 电极等势线分布( 1 ) 2 8 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 1 4r o g o w s k i 电极等势线分布( 2 ) 2 8 图3 1 5 轴线电势曲线2 8 图3 1 6 中线场强曲线2 8 图3 1 7r o g o w s k i 电极工程设计图( 1 ) 2 9 图3 1 8r o g o w s k i 电极工程设计图( 2 ) 2 9 图3 1 9 激光触发开关的设计示意图2 9 图3 2 0 弱触发间隙3 0 图3 2 1 强触发间隙3 0 图3 2 2 场强随延迟时间的变化关系3 l 图3 2 3s f 6 的含量与外加电压的关系3 2 图3 2 4 方案设计图3 3 图4 1 实验原理图3 4 图4 2 装置实物图，3 4 图4 3 开关的结构图3 5 图4 4 开关装配图3 5 图4 5 电极设计图3 5 图4 6 电极实物图3 5 图4 7 激光触发开关( 正面) 3 6 图4 8 激光触发开关( 侧面) 3 6 图4 9 激光触发系统图( 1 ) 3 6 图4 1 0 实验系统( 1 ) 3 6 图4 1 1 激光触发系统( 2 ) 3 7 图4 1 2 调压系统3 7 图4 1 3 实验系统( 2 ) 3 7 图4 1 4 实验系统( 3 ) 3 7 图4 1 5 欠压比为9 0 时的上升时间与激光能量的关系3 8 图4 1 6 欠压比为8 2 时的上升时间与激光能量的关系3 8 图4 1 7 激光能量与上升时间的变化关系( 模拟) 3 8 图4 1 8 欠压比与上升时间的关系( 模拟) 3 8 图4 1 9 气压与上升时间的关系3 9 图4 2 0 欠压比与上升时间的关系3 9 图4 2 1 欠压比为8 5 ，1 5 个气压，激光能量为2 2 m j 时的电压波形图3 9 图4 2 2 欠压比为7 0 ，1 5 个气压，激光能量为8 m j 时的电压波形图3 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 2 3 下电极表面烧蚀图4 1 图4 2 4 上电极表面烧蚀图4 1 图4 2 5 两级叠层式b l u m l e i n 型传输线高压脉冲发生器的基本结构4 2 图4 2 6 两级传输线变压器的基本结构4 2 图4 2 7 传输线的等值电路4 2 图4 2 8 系统模拟结果图4 3 图4 2 9 传输线高压脉冲发生器输出波形4 3 表 表1 脉冲激光实验结果7 表2 各种气体在不同激光辐照在的击穿阈值2 1 表32 4 个大气压，s f 6 含量与n z 含量比约为l ：4 时，欠压比、激光能量和上升时 间的关系4 0 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：邀发越发五差鲍盈峦 学位论文作者签名： 鸯! 踵日期：o 新彤年f1 月二j 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者签名： 鸯! 睦日期：力口6 年月7 日 作者指导教师签名：芝! fi ! 至日期：知二2 年，月? 三日 国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 激光触发开关作为闭合开关的一种具有触发延迟及抖动小、预击穿概率低、结构简单、 运行稳定可靠、可远程控制、适合重复运行和多间隙多通道运行等优点，是当前高功率开 关技术发展的重要方向之一。本文从理论和实践两个方面对激光触发开关的基本结构和运 行特性进行了研究，重点分析了影响激光触发开关性能的主要因素和参量关系，为今后设 计并研制更为实用的激光触发开关打下基础。 激光触发开关是靠激光触发的气体火花开关，它要求用一定激光能量使预先加有一定 电压的开关闭合导通。因此我们首先从气体火花放电的特性出发，针对激光触发开关的特 点，理论分析了其运行机理，得到了影响激光触发开关性能的主要因素包括：激光能量、 气体性质、气压以及电极形状。通过数值模拟和计算得到触发导通的边界条件、激光的击 穿阈值和部分参数之间的关系：在外加电压4 0 k v 左右，间隙为o 7 c m ，压强在0 1 - 4 ) 4 m p a 时，激光击穿阈值约为1 8 m j 。利用专业分析软件建立模型分析了各种不同电极形状的场 结构，最终选择了可使开关内部为均匀场的r o g o w s k i 型电极结构，电极材料为黄铜。参 考现有文献和实验结果选用s f 6 和m 的混合气体做为开关的内部气体，并理论估算了部分 参数值，保证了设计的预期效果。 实验上，进行了激光触发开关运行特性的研究。研究表明：前沿和延迟时间均随激光 能量，外加电压的增加而减小；当外加电压小于5 0 k v 时，前沿小于1 0 n s ，抖动小于5 n s ， 激光击穿阈值约为4 m j ( 开关外部测量) 。实验结果与理论分析结果基本相符，误差在可 接受的范围内。 最后，将该开关应用到了叠层式传输线高压脉冲发生器的研究上，由于实验条件和时 间的限制只进行了初步研究，很多工作还需后续进行。 生器 关键词：激光触发开关；电极结构；击穿阈值；上升前沿；叠层式传输线高压脉冲发 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h ec l o s i n gs w i t c h e s ，l a s e rt r i g g e r e ds w i t c hh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha ss h o r t t i m ed e l a y ，l o wj i t t e r ，l o wp r e b r e a k d o w np r o b a b i l i t y ，s i m p l es t r u c t u r e ，s t a b l ea n dr e l i a b l e o p e r a t i o n ，e a s yt or e a l i z er e m o t ec o n t r o l ，s u i t a b l ef o rr e p e t i t i v e ，m u l t i g a po rm u l t i - c h a n n e l o p e r a t i o n s s o ，l a s e rt r i g g e r e ds w i t c hi so n eo ft h em a i nc a n d i d a t e si nt h eh i g hp o w e rc l o s i n g s w i t c ht e c h n o l o g y s o m eb a s i ct h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lw o r ki sc a r r i e do u to nt h e c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fl a s e rt r i g g e r e ds w i t c hi nt h i st h e s i s t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es w i t c ha n ds o m ek i n d so fp e r a r n e t e r si sp r e l i m i n a r i l ya n a l y s e d ， f u t u r ep r a c t i c a ls w i t c hd e s i g nc o u l db eb a s e do nt h er e s u l t s l a s e rt r i g g e r e ds w i t c hi sag a ss p a r ks w i t c ht r i g g e r e db yac e r t a i nl a s e re n e r g y s o ，t h e b r e a k d o w np r o p e r t i e so fas p a r kg a pa r ef i r s ti n v e s t i g a t e d t h e n , b a s e do nt h ec o n f i g u r a t i o no f l a s e rt r i g g e r e ds w i t c h , t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e so f i ta r ea n a l y s e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e k e yp a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h es w i t c hc a p a b i l i t i e sa r el a s e re n e r g y ，g a sp r o p e r t y ，g a sp r e s s u r e a n de l e c t r o d es h a p e t h ec r i t i c a lb r e a k d o w nc o n d i t i o n ，t h r e s h o l dv a l u eo fl a s e re n e r g ya n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns w i t c hp e r f o r m a n c ea n ds o m ep e r e m e t e r sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：w h e nt h ei n p u tv o l t a g ei sa p p r o x i m a t e l y4 0 k v g a ps p a c i n gi s 0 ，7c m 晰t i l o 1 - 4 ) 4 m p ag a sp r e s s u r e ，t h el a s e rb r e a k d o w nt h r e s h o l dv a l u ei sa b o u t1 8m j s w i t c hm o d e li s s e tu pa n ds i m u l a t e db yap r o f e s s i o n a ls o f t w a r e a f t e rs o m ek i n d so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sb e i n g a n a l y z e d ，t h er o g o w s k is t r u c t u r ei sc h o s e nt ob et h ee l e c t r o d es h a p eo f t h el a s e rt r i g g e r e ds w i t c h ， t h em a t e r i a lo fe l e c t r o d e si sb r a s s f u r t h e r m o r e ，b a s e do rp u b l i s h e dd o c u m e n t sa n dr e l a t e d e x p e r i m e n tr e s u l t s ，s f 6a n dn 2m i x t u r eg a si sc h o s e nt ob et h ew o r k i n gg a s ；b a s e do nt h e s e ， s o m ep e r a m e t e r sa l ee s t i m a t e d s o m ee x p e r i m e n t so ft h el a s e rt r i g g e r e ds w i t c ha r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a t i n c r e a s i n gt h el a s e re n e r g yo ri n p u tv o l t a g ew o u l d eh ee f f e c t i v em e t h o d st od e c r e a s et h ef i r i n g t i m ea n dt i m ed e l a y w h e ni n p u tv o l t a g ei sl o w e rt h a n5 0 k v ，t h er i s i n gt i m ei sa sl o wa s1 0n s ， j i t t e ri su n d e r5n sa n dt h eb r e a k d o w nt h r e s h o l di s4m j ( m e a s u r e df r o mo u t s i d eo ft h es w i t c h ) t h er e s u l t so ft h e o r e t i ca n a l y s e sa n de x p e r i m e n t sa r ef u n d a m e n t l yc o n s i s t e n t ；e r r o ri su n d e rt h e a c c e p t a b l er a n g e f i n a l l y ，as t a c k e db l u m l e i nh i 曲v o l t a g ep u l s eg e n e r a t o ri si n t r o d u c e d r e s e a r c ho nt h i s g e n e r a t o ri so n l yc a r r i e do u tp r e l i m i n a r i l y ，b e c a u s eo f t h er e s t r i c t i o no f e x p e r i m e n tc o n d i t i o na n d r e s e a r c ht i m e m o r es t u d i e sw o u l dh ec o n t i n u e di nf u t u r e k e y w o r d s ：l a s e rt r i g g e r e ds w i t c h ；e l e c t r o d es t r u c t u r e ；b r e a k d o w nt h r e s h o l dv a l u e ；r i s i n g t i m e ；s t a c k e db l u m l e i nh i g h - v o l t a g ep u l s eg e n e r a t o r 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 脉冲功率技术近二十年来取得的技术进步推动了核物理、等离子体物理和高功率微波 技术的巨大发展。作为脉冲功率技术的基础闭合开关技术，长期以来一直是脉冲功率 技术领域研究的热点。气体火花开关具有结构简单、工作电压范围宽、导通电流大的良好 特点，因此得到了广泛应用。激光触发开关是利用激光作为触发源使开关闭合的气体火花 开关。激光触发开关除了具有其他气体火花开关的优点之外，还具有延迟和抖动小，运行 稳定可靠等特点。本章首先对火花开关和激光触发开关作以简要介绍，然后对激光触发开 关的国内外研究状况进行了综述，最后在此基础上介绍了论文的研究背景和研究内容。 1 1 气体火花开关概述 开关是脉冲功率技术中的关键部件，在某种程度上决定了脉冲功率系统的主要性能。 而气体火花开关在脉冲功率系统中用得最多。结构最简单的气体火花开关是一种两电极放 电器件，利用绝缘容器在电极之间充压缩气体以提高工作电压。开关先承受一定的高电压 而呈现绝缘状态，然后气体击穿形成气体等离子体传导通道而接通电路。三种基本的气体 火花开关包括：无源自击穿开关、电触发开关和光触发开关。自击穿开关一般只包括两个 电极，当外加电压达到或超过其自身最高耐压时开关闭合，上述最简单的火花开关就属于 这种类型。电触发开关和光触发开关都需要外加触发源来实现开关的闭合。而电触发过程 一般都包括两次击穿触发电极与一端电极的击穿后再和另一电极的击穿，这样就使开 关的抖动和延迟都很大，前沿也不理想。而激光触发开关可以充分减小这些不利因素，在 很大程度上提升开关性能。 一 图1 1 典型的气体火花开关结构图 图1 2 气体火花开关的模型图 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 激光触发开关简介 激光触发开关通常是指由激光触发的气体火花开关。当激光脉冲聚焦于触发问隙时， 焦点及其附近的绝缘气体立即电离形成局部等离子体，在外加电场的作用下迅速发展成为 火花放电通道使开关闭合。作为闭合开关的一种，激光触发开关具有触发延迟及抖动小、 预击穿概率低、低抖动下延迟可变、结构简单、运行稳定可靠、可远程控制、适合重复运 行和多间隙多通道运行等优点。并且激光触发开关触发精确，在所有气体触发开关中抖动 最小，是今后开关技术发展的重要方向之一。 j艇 弘撼漆过添心芯：测沁蕊沁洋乙净 图1 3 激光触发开关结构示意图图1 4 激光触发开关实物图( s g 系列) 1 3 研究现状及发展趋势 激光作用下气体击穿特性的研究始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 5 年美国空军武器实验室最 早研究了短脉冲激光触发的火花隙，开创了激光在开关研究领域的应用【l 】o4 0 多年来，美 国、俄国、法国、日本等对激光触发开关在实验和理论上做了大量卓有成效的工作。h e 咖一 i i i 和p b f a i i 上多组激光触发气体开关的同步工作标志着激光触发开关的研究迈上了一 个新台阶 i , 2 9 1 。在国内，中国工程物理研究院较早地开展了激光触发开关的研究，清华大 学、西北核技术研究所和原子能研究院也相继开展了一些工作1 2 1 嘲。 文献【2 】是由西北核技术研究所景春元，邱爱慈等人研制的一种x e c i 激光触发开关。 开关结构为半球形青铜电极，高压电极固定在一个锥形法兰上，低压电极固定在一个可调 的圆柱上，圆柱内装有聚焦透镜( f = 3 6 m m ) ，圆柱与开有石英窗口的法兰相连接。开关的 尺寸为矿1 3 0 x 1 2 0 m m 。火花间隙在7 1 2 m m 之内可调。x e c i 激光通过开关中的聚焦透镜沿 开关轴向引入开关间隙。激光最大输出能量为2 0 0 r r d ，开关电压工作范围1 5 3 5 k v ，混合 气体气压范围o 2 o 5 m p a 。延迟小于5 0 n s ，抖动小于2 n s 。实验表明： 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 开关的延时随激光能量和开关工作欠压比的增大而减小，通过调节激光能量和开关 欠压比就可以控制开关的触发时延。 ( 2 ) 开关抖动随激光能量和开关欠压比的增大而减小，而且与激光引入位置、气体种类、 间隙电场、电极表面状态等多种因素有关，保证激光进入开关前的光路环节和光程尽量短 及引入开关严格同轴有助于减小开关抖动。 一，v i i 卜口一一二竺：z 曼曼z n 厂- - 、l l o ：c 卜百弱吉l 垮 ”掣型： 图1 5x e c l 激光触发开关实验结构图 1 电压表；2 开关；3 能量计；4 光电管；5 激光器；6 罗克夫斯基线圈；7 示波器。 文献【3 】报道了中国原子能研究院所设计的k r f 激光触发开关的研究结果。其开关结 构如图1 6 所示。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 激光由一端电极中心孔沿轴向经过聚焦透镜( 焦距为7 0 r a m ) 进入开关。工作气体由 另一端电极中心孔进入。外筒的两端是尼龙材料，中间段是有机玻璃窗口以便观察。开关 的电极距离以及聚焦透镜的位置均可调整，焦点的位鼍也可改变。电极材料为黄铜。研究 表明：1 、根据激光触发气体开关的击穿机制，开关的工作气体应根据以下几个原则选取： 介电强度高，电子碰撞截面大，电负性气体。2 、要获得小的延迟及其抖动时间，必须使 得输入激光功率以及开关的欠压比足够大，s f 6 和n 2 的混合气体是一种较理想的激光触发 开关的工作气体。开关参数为：前沿小于2 0 n s ，延迟小于2 0 n s ，抖动小于l n s 。 针对激光触发状态下的直流间隙气体放电机理的研究在文献【4 】中给出。其实验电路如 图1 7 所示。间隙为棒板结构，板电极为直径2 8 c m 的铝圆盘，中心钻一个直径为3 m m 的孔以使激光束通过。棒电极为直径l e n a 的钢棒，头部为半球形。激光经焦距为1 7 5 m 的 聚焦透镜沿轴向进入，激光波长为1 0 6 4 n m 。 乒 图1 7 激光触发直流间隙放电实验电路 实验中同时考虑了激光能量、静电场分布、电压极性、大气气溶胶浓度、空气湿度、 风速等诸多因素。同时进行了激光聚焦与不聚焦的实验，不聚焦时光斑直径为2 m m ，不聚 焦时对间隙的触发放电没有任何作用。聚焦后，可以有效地触发问隙放电。其实验结果如 表l 所示。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表1 脉冲激光实验结果 同曩长魔膳靛电蟹l 光豫l 闻黻击焦屹辣1 1 ：_ 直 ( w t m ，【丘v ( j ，事，建r a m )( n _ )位：皇t l 】0 01#争10-2束i b ，事2 s 0 01 0 【v 豁口 i 口。1来击辩卫5 0 01 2h v 1 狮ol - 0 k 1 来击，事= 5 0 01 2 l v 1 1 ，o5 0 l o 】j 舞由，fz i o ol 窖 - v $ 2 0j i oo 自击，2 s o oo 摹2 02 ，o l o 1糸矗穿窜5 o1 2h 、， 5 2 0 2 b o o 矗宣皇靖iz 5 0 0o 5 2 02 ，o 1 0 ，1索蕾冀2 5 伽3 1 2m s i o 2 7 01 6 ；悔矗鲁，z s _ 0 0t 2m 3 5 0 20口0自由，z 掌o ot 2m s s o l ，口，矗t 谢，单2 j i 誊j 谭 摹古o 2 i oo自由，2 s 0 0 3 5 02 咖1 0 1采l 睁奠暮5 o1zd 空0 嚣1 5 00 目击 f 2 s o o 2 a 5t 3 囊 l o l 巴, - 受e l i ，卜l & o o12 v 。 霉霉5t 玉2 o ，直击，孓1 5 d o1 2h v 1 s o 1 1 0 口 自 t i ，穹 l s o 事1 0 1- 发击舅1 5 0 0 3 2 一 ，缝t i h v - - 纛 糍禽压电监附蛙i j - - 鼻直在m 置巾嘞 实验表明： 1 激光对棒电压极性有选择性。对于负极性棒电极，中间电荷的存在使剩余间隙中的 电场强度下降，由激光引起的中间电荷的消失，使剩余空间的场强增大，放电的发展更容 易，间隙的击穿电压下降。对于正极性棒电极，中间电荷使剩余空间的场强增大，因而激 光引起中间电荷的消失，对间隙的击穿没有贡献。 2 激光场对气体的电离机理，宏观是与直流电场下的电离机理是相似的。因而由相似 性原理，一定功率密度的激光场可用一个直流电场等价。激光通道从宏观上可以看作欧姆 通道。 3 湿度的变化对激光诱导下的击穿电压没有什么影响，符合放电发展优先选择最小电 阻路径原则。 文献【5 】给出了一种5 m v 激光触发多级多通道开关。由一级激光触发间隙和1 9 级过压 自击穿间隙组成( 图1 8 和图1 9 ) 。激光触发间隙电极设计为不锈钢b m c e 电极，间隙距离 4 8 r a m ；过压自击穿间隙电极设计为不锈钢冰壶型电极，间隙距离8 m m ；激光作用区域材 料为铜钨合金。四倍频n d ：y a g 激光器输出的激光脉冲由分光棱镜、反射棱镜等组成的 光路系统引导传输，经聚焦透镜聚焦于充有n 2 和s f 6 绝缘气体的激光触发间隙中。支撑过 压自击穿间隙电极的绝缘子设计为刻圆弧槽的有机玻璃绝缘柱。采用双气室结构，激光触 发间隙单独构成一个气室以便独立调整触发欠压比。激光触发间隙简设计为有机玻璃圆 筒，开关外筒为有机玻璃圆筒和铝质盘形匀压环交错叠加而成。通过尼龙拉杆紧固。开关 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 端法兰使开关、外筒结合成一体，开关内电极和绝缘子的紧固力则由位于开关末端的紧固 螺杆提供。绝缘子和开关外筒及紧固部件将自击穿间隙电极位置固定，形成等间距火花隙。 开关外形尺寸为0 5 8 0m m x8 8 5m i l l 。 图1 8 开关结构图图1 9 开关实物图 文献f 6 】介绍了一种基于n d ：y a g 激光器的激光触发开关。开关充n 2 和空气的混合气 体，激光脉冲能量从2 5 0 m j 到8 5 0 m j ，电极间隙为1 2 到1 3 m m 可调，气压变化范围l 到 6 个大气压，并分别研究了激光从与电极轴线成0 度和4 5 度角进入开关的延迟和抖动时间。 实验表明：开关延迟小于4 0 n s ，抖动在p s 量级。当激光能量在7 5 0 t r d ，2 个大气压，外加 电压为自击穿电压的8 0 时抖动达到最小值2 0 0 p s 。实验说明，激光沿电极轴线进入开关 要比从其它方向进入性能要好。 文献【7 】说明了激光触发开关在小型m a r x 发生器上的应用。该m a r x 有8 级，使用 n d ：y a g 激光器作为触发源产生能量为1 0 r r d 的激光脉冲作用在第一级上，其它级利用光 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 子和气体分子的碰撞所产生的电子扩散和热效应诱导自击穿开关导通( 图1 1 2 ，图1 1 3 和 图1 1 6 ) 。内部充有2 0 s f 6 和干燥空气的混合气体。m a r x 发生器输出约为2 0 0 k v ，上 升前沿为2 n s ，抖动为i n s ( 图1 1 7 ) 。并且可以实现一台激光器对多台m a r x 发生器进 行触发( 图1 1 5 ) 。 中。 文献【2 8 】到文献【3 2 】也均是将激光触发拜关蓓为系统酌王耍丽_ 牛应用在脉冲功率技术 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 4 小结 自上世纪6 0 年代开始研究激光作用下的气体放电特性，经过了4 0 多年的发展，激光 触发气体火花开关已经广泛应用到了脉冲功率和高功率微波等技术领域。凭借它良好的工 作稳定度，低抖动，快前沿，结构简单，可重频等特性，倍受人们的青睐。影响激光触发 开关性能的主要参数在于：电极结构，所充气体及气压，激光能量以及欠压比等因素。通 过合理设计开关结构可使内部的场分布均匀；一定比例的混合气体有利于提升开关的绝缘 性能，减小延迟和抖动；激光脉冲能量的大小作为其触发源对上升前沿和抖动都有较大的 影响。 1 5 本课题的立项依据及研究内容 1 研究背景和研究意义 激光触发开关作为高功率闭合开关的一种与其它气体触发开关相比具有前沿快，抖动 小，运行稳定等特点是今后闭合开关技术发展的主要方向之一。在本教研室还未涉及激光 触发气体火花开关研究的前提下，开展了激光触发开关的初步研究工作，不仅有助于提高 脉冲功率系统中各分系统和整个系统的性能，满足高功率微波，强流粒子束加速器，高压 脉冲形成系统和脉冲形成网络等的需要，也为未来脉冲功率系统的多脉冲同步运行创造条 件”。 2 主要内容： 本文从理论分析出发，通过对影响激光触发开关性能的几个参数进行了分析和模拟， 探讨了激光作用下的气体电离机理，数值模拟和计算得到了混合气体中s f 6 的含量及影响 激光触发开关性能各参数之间的关系，通过实验研究验证了理论分析的正确性。 本论文共分五章，主要包括以下几个方面： 一、详细介绍了激光触发开关的运行机理以及制约激光触发开关性能的主要因素，归 纳指出了国内外关于激光触发开关的理论和实验研究成果以及激光触发开关的应用成果。 二、介绍了火花放电的运行机理以及电子雪崩在开关击穿过程中所起到的关键性作用， 通过理论分析与计算得到了一些火花放电通道的基本参数。 三、对影响激光触发开关性能的各个参数进行了理论和模拟研究，通过对各个参数的 优化组合，完成了激光触发开关的设计。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 四、介绍了激光触发开关的实验研究，利用倍频n d ：y a g 激光器作为触发源，实验 得到了激光触发开关在自击穿电压小于5 0 k v 的情况下：前沿小于1 0 n s ，抖动小于5 n s ， 激光的击穿阈值约为4m j 。 五、对本文的工作进行了总结，并对激光触发开关今后的研究工作进行了展望。 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章火花放电机理的理论分析 研究气体的放电过程，有助于掌握影响气体击穿的主要因素，从而帮助我们掌握和利 用以激光作为触发源的气体火花开关的运行特性。本章首先对气体火花放电进行了简单介 绍，并对其放电机理进行了简要分析，然后给出了估算气体火花通道的各参数的经验公式， 并对所设计的开关做了大体估算。 2 1 气体火花放电机理 2 1 1 气体火花放电介绍 外电场使气体电离并形成传导电流的现象称为气体火花放电。气体火花放电过程一般 存在六种基本粒子：光子、电子、基态原予( 分子) 、激发态原子( 分子) 以及正离子和 负离子。光子的能量取决于其频率，。自由电子的能量由其运动速度v 决定。原子通常处 于稳定的基态能级，当价电子从外界获得额外的能量后，它可以跃迁到更高的激发态能级， 而电子停留在激发态能级上的时间很短，很快就跃迁回基态能级或另一个更低的激发态能 级，最后以光子的形式辐射出被激发时所获得的额外能量。当电子获得的能量超过电离能 时，电子就与原子完全分离成为自由电子，而原子则变成正离子。负离子是自由电子附着 到某些原子或分子上而形成的。负离子的能量等于原子或分子的基态能量再加上电子的亲 和能。气体放电过程中的中性粒子是原子和分子，带电粒子是电子和各种离子。正负离子 与原来的中性粒子不同，每种离子都将影响气体的放电特性，而电子的作用通常占主导地 位。各种粒子会通过碰撞与其他粒子产生相互作用，碰撞使放电中粒子体系的状态发生变 化。粒子之间通过碰撞交换动量、动能、势能和电荷，从而使粒子发生电离、复合、光子 发射和吸收等物理过程。气体被激发或电离的必要条件是碰撞粒子的动能大于或等于被碰 撞粒子的激发能或电离能。放电过程中存在四种基本的电子激发或电离机制：( 1 ) 电子 与气体原子碰撞导致激发或电离；( 2 ) 原子和离子与气体分子原子碰撞导致激发或电离， 而这种机制发生的几率比较小，这是由于原子( 分子) 与离子或原子( 分子) 碰撞动能转 移为势能的比值小；( 3 ) 光致激发和光致电离辐射引起的原子激发或电离，光致激 发或电离的条件是光子能量砂必须大于或等于原子的激发能或电离能：( 4 ) 熟激发和热 电离，当气体温度较高时，快速运动的粒子数目大增，这些高能运动的粒子之间的相互作 用使得它们之间的动能转变为势能，从而造成气体粒子被激发或电离。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 与激发和电离相逆的过程是激发转移和消电离。激发转移是指气体粒子从激发态回到 较低能态或被进一步激发到更高能态的过程。消电离主要有两种形式：( 1 ) 带电粒子的 复合，主要是电子与正离子，正离子与负离子之间的复合；( 2 ) 形成负离子。 对于脉冲功率技术中气体火花放电击穿而言，通常认为该过程可用“流注”放电理论 来解释，击穿过程可分为以下5 个阶段喁，9 1 ：( 1 ) 放电初始( 种子) 电子的产生；( 2 ) 带电粒子的运动及与分子的相互作用：( 3 ) 碰撞电离与一次电子雪崩的形成；( 4 ) 光电 离与二次电子雪崩的形成；( 5 ) 流注放电阶段。气体火花间隙放电时，随着电极间电压 达到一定值时，电子在电场作用下奔向阳极，不断引起碰撞电离，电子雪崩不断发展。由 于电子的迁移速度比正离子的要大两个数量级，因此在电子雪崩发展过程中，正离子留在 其原来的位置上移动缓慢。再加上电子的扩散作用，电子雪崩在其发展过程中半径逐渐增 大。这样，电子雪崩中出现了大量的空间电荷，崩头最前面集中了电子，其后直到尾部则 是正离子，而其外形则好似球头锥体。随着电子雪崩的发展，电子雪崩中的电子数n 是按 玎= n o e a x ( 其中a 为电子碰撞电离常数，石为电子雪崩到阴极的距离，n o 为初始电子数) 指数增加的。电子雪崩的电离过程集中于头部，空间电荷的分布也是极不均匀的。这样， 当电子雪崩发展到一定程度后，空间电荷将使外电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾的 电场而削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场( 如图2 1 所示) 。电子雪崩头部电荷浓 度很大，电离过程强烈，再加上电场分布受到上述畸变，结果崩头将放射出大量光子。崩 头部前后，电场明显增强，有利于发生分子和离子的被激发，当它们从激发状态回复到正 常状态时，光子被发射出。崩头内部正、负电荷区域之间电场大大削弱，则有助于发生复 合过程，这同样也将发射出光子。当外加电场再增强，达到自击穿电压时，电子雪崩头部 就开始形成流注。也就是说电子雪崩产生的电荷达到了临界值，阳极空间出现大量电子粒 团并迅速向阴极传播，从而导致气体击穿因此形成流注的判据就成为流注理论的核心【l o j 。 在巴申定律适用的范围内，直流状态下s f 6 - n 2 混合气体的r e a t h e r 击穿判据为： 口x 。= 17 7 + mx 。 ( 2 1 ) 其中a 为单位长度上一个电子与其他粒子碰撞所产生的电子数目，m 为临界雪崩形成时的 电子数日，t 为临界雪崩长度，通常只是电极间距的一小部分。而在工程实际中由于流注 过程无法观测，通常用放电电压和前沿来衡量放电性能的好坏。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 2 炙热气体对火花放电性能的影响 由于外界原因( 电触发或光触发) 会使开关内部气体温度迅速升高。当气体温度升高 后，炙热气体将会使气体的绝缘强度降低，是形成气体击穿的主要因素之一。对于其中的 物理机制，可从气体浓度变化、热电离、光电离三个方面来分析。 如果炙热气体是局部的，将会带来气体浓度的改变，根据电子雪崩的发展机理，气体 的浓度越低，电子加速越容易，形成一次电子的机率也就越大，气体的绝缘强度也就越低， 容易形成流注放电。另一方面，炙热气体可以产生热电离，使得种子电子浓度增加，从而 使形成电子雪崩的概率增大，同样也影响了气体的绝缘强度n 1 1 。 对于s f 6 气体来说，我们考虑如下的热分离和热电离反应路径1 1 2 a 3 ： 瓯+ 眠寸瓯+ s f , + f ( 2 2 ) s f s + f 专s f ：+ e ( 2 3 ) 如果设s f 6 的分子数密度为n ，s f 5 的分子数密度为n 5 ，则有热电离时电子和粒子数的 守恒方程为【1 2 】： 警= k d ( n n 5 一+ 一- ) 2 一k ，孵 ( 2 4 ) 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 0 2 3 31 7 1 9 7 8 其中k d = 3 5 x i 0 口- 为分离系数，局= 2 0 x 1 0 5 e t 为电离系数，t 为气体温度，单 位为k 。 2 1 3 带电粒子对火花放电性能的影响 当气体中存在带电粒子时( 受到外部激发) ，气体的绝缘强度也将受到影响，其物理 机制可通过电子雪崩的形成概率和空间电荷对外加电场的改变量来分析。当气体中存在电 子时，由于电子质量轻，在电场作用下容易加速，同时电子与其他重粒子发生弹性碰撞时 能量损失小，电子的能量可以得到积累，当电子能量达到气体分子电离能时，这些电子将 使气体分子电离出新的电子，从而产生电子雪崩导致气体击穿。离子由于质量较大，且与 气体分子质量接近，因此离子与气体分子发生弹性碰撞时，能量损失极大，离子的能量无 法积累，通常情况下离子很难使气体分子电离，但由于离子运动速度慢，在空问中存在的 时间比电子长得多，离子的电荷也会对外加电场产生影响。 此外，当离子与电子复合时，根据能量守恒定律，复合后的气体原子将处于激发态， 此时原子并不稳定，保持激发态一定时间后将释放光子返回基态。该光子被其他原子吸收 后，很有可能发生光电离，产生新的电子和离子。这样当带电粒子达到一定数量后，流注 形成，放电进入自持阶段。 2 2 气体火花放电通道的电参数 流注形成后，在外电场的作用下导电通道形成。对于开关而言，所形成的火花放电通 道的电参数的大小对所要设计的火花开关性能影响很大。击穿电压、火花电感和火花电阻 是其最基本的电参数。 1 击穿电压 由于气体火花放电的研究仍处在不断完善阶段，击穿电压的估算一般都是凭借一些现 有的半经验关系式。在温室、均匀场、电极间隙为1 1 0 c m 的条件下，纯净的n 2 火花放电 电压的近似关系为【1 4 】： = 器 ( 2 5 ) 其中放电电压k 单位为k v ；电极间距单位为c m 。 均匀场下s f 6 气体间隙的击穿电压为“”： v 6 = 88 5 p d ( 2 6 ) 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 其中k 的单位为k v ；电极间隙单位为c m ；压强p 的单位为1 0 0 k p a 。 在文献 1 5 ，1 6 中给出了n 2 一s f 6 混合气体的击