激光触发真空开关触发稳定性及时延特性

赵 岩 廖敏夫 段雄英 刘志恒 葛国伟

（大连理工大学电气工程学院 大连 116024）

激光触发真空开关触发稳定性及时延特性

赵 岩 廖敏夫 段雄英 刘志恒 葛国伟

（大连理工大学电气工程学院 大连 116024）

为了研究影响激光触发真空开关（LTVS）导通时延及抖动特性的关键因素，搭建LTVS高电压大电流实验平台，分别改变触发激光能量、工作电压、触发极性以及触头间距等参数，考察其对LTVS导通时延和抖动特性的影响，并对LTVS的导通机制及触发稳定性进行理论分析。实验结果表明：在一定范围内，增加触发激光能量、增加主间隙电压、采用阴极触发方式或者缩短触头间距均可减少开关的导通时延及时延抖动；LTVS的导通是激光轰击触发极产生初始等离子体的热过程与主间隙两端电场加速初始等离子体扩散过程共同作用的结果，实验中所得到的结论对LTVS的优化具有重要意义。

时延 抖动 激光触发 真空开关 触发稳定性

0 引言

真空触发开关（Triggered Vacuum Switch，TVS）采用真空作为绝缘介质和灭弧介质，具有极高的绝缘水平和弧后介质恢复能力，能够在较高频率下重复导通与关断高电压大电流，且具有工作电压范围宽、导通延时短等优点[1-4]。20世纪60年代，美国通用公司Lafferty等首次提出TVS思想，并进行了大量的实验研究，奠定了TVS的基础理论。近年来，随着脉冲功率技术的发展，真空触发开关作为其重要的开关器件得到广泛关注。真空触发开关的触发方式有电触发、激光触发以及加速的微粒子撞击触发等方式[5,6]。其中，电触发真空开关的理论研究已经相对成熟，20世纪90年代，西安交通大学尚文凯等对电触发TVS的极性效应和初始等离子体的不稳定现象进行了初步的实验研究。随后，大连理工大学廖敏夫等针对场击穿型电触发真空开关（Field Triggered Vacuum Switch, FTVS）的开通及关断特性做了比较全面的研究，并建立了阴极斑点热传导模型来描述FTVS初始等离子体的微观特性[7,8]。FTVS和沿面触发型TVS作为电触发TVS的两种主要方式，都有着各自的缺点。沿面触发型TVS可以获得相对较短的导通时延和较小的时延抖动，但由于触发后金属蒸汽等物质覆盖于触发极表面，严重缩短了TVS的有效寿命[9-11]。而FTVS虽然可以获得更长的使用寿命，但较长的导通延时和较大的延时抖动又限制了其在某些要求较高的脉冲功率技术领域的应用[12]。相比于电触发方式，激光触发方式可以获得更短的导通时延和更高的触发精度，并且兼具FTVS使用寿命长等优点。此外，激光触发真空开关（Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS）采用激光触发形式避免了触发装置的电磁干扰，有效减少了误触发等问题。前苏联A. A. Makarevich等率先对LTVS的导通特性进行了初步研究，指出激光触发方式相比其他方式具有十分优异的时延特性[13,14]。随后，美国Sandia国家实验室的P. J. Brannon开发出只需20μJ激光能量、时延和精度分别达到100ns和15ns的LTVS，但是由于工作电压低、通流能力弱，不满足实际应用的要求，仅限于实验研究[15]。近年来，随着脉冲功率技术的发展，对其控制器件性能提出了更高的要求，使激光触发真空开关再次成为热点。华中科技大学何正浩等对多棒极激光触发真空开关初始等离子体产生及扩散过程进行了研究，大连理工大学邹积岩、廖敏夫等针对平板电极激光触发真空开关的导通及运行特性进行了探索[16,17]。这些研究对激光触发开关的实际应用及优化设计具有重要的理论价值。

高性能LTVS的关键参数包括导通时延（触发激光到达触发极与主电压开始下降的时间间隔）、时延抖动、重复频率以及通载能力，前两者均由LTVS初始等离子体的特性决定，其主要的影响因素包括触发激光的参数、工作电压、触头极性以及触发极材料性质等，后两者主要由LTVS的结构参数决定。实验中通过搭建LTVS高电压大电流实验平台，分别考察了触发激光能量、触发间隙电压、触发极性等因素对LTVS导通时延和时延抖动影响，对LTVS的触发稳定性进行了理论分析，并以此为基础提出了LTVS的优化设计方法。

1 实验系统

1.1 LTVS结构

实验中所设计的LTVS基本结构如图1所示。

图1 LTVS基本结构1—石英玻璃窗口 2—阳极导电杆 3—陶瓷绝缘外壳4—金属屏蔽罩 5—石英观察窗 6—阴极导电杆7—靶极材料 8—触头Fig.1 The base structure of LTVS

LTVS主要由陶瓷绝缘外壳、金属屏蔽罩、触头以及嵌入触头的触发材料构成。陶瓷绝缘外壳起到绝缘和支撑作用，金属屏蔽罩与陶瓷外壳共同保证灭弧室真空度；金属屏蔽罩可以调整LTVS内部的电场分布，阳极导电杆中心有一直径2mm的通孔作为激光通道，并用石英玻璃覆盖，维持灭弧室内真空度。触头结构为平板型触头，直径40mm，触头距离为10mm（可以调节），触头材料选用耐烧蚀的CuCr50合金，上触头通孔直径为2mm，下触头中心嵌入触发材料TiH2，直径为3mm。

1.2 实验电路

实验电路如图2所示，储能电容与电感构成振荡电路，振荡频率为8kHz。触发系统采用德国生产的Nd.YAG固体激光器，激光器发出的激光光束由分束器按照9∶1的折射透射比进行分光，折射的激光光束由聚焦镜聚焦后触发真空开关，透射的激光光束打在光电探测器上。光电探测器将打在靶面上的激光光信号转化为电信号，通过示波器检测其电压可以得到激光能量及光电转换后的激光脉冲电压波形。

图2 实验电路Fig.2 The experiment circuit

LTVS的电压、电流波形分别采用分压器（高压探头）和罗氏线圈与示波器配合测量。实验中，采用扩散泵与机械泵一起工作，维持灭弧室内真空度高于1×10-4Pa。

2 LTVS导通机理分析

2.1 初始等离子体产生及发展

与电触发真空开关采用场击穿方式或者延面放电方式产生初始等离子体不同，LTVS采用激光辐射的方式对靶极材料进行加热，导致靶极材料蒸发，该过程中同时伴随着光致电离产生小部分等离子体，之后在电场作用下靶极材料蒸气发生进一步电离产生充足的初始等离子体，并扩散至整个电极间隙。初始等离子发展过程如图3所示，在正极性触发状态下，由于主间隙电场的作用，扩散到主间隙的带电粒子以电子为主，正离子返回阴极表面形成离子鞘层，因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电场强度时，鞘层被击穿，在主间隙阴极上产生阴极斑点形成自持放电。而在负极性触发状态下，扩散到主间隙中的带电粒子以离子为主，在对面的阴极表面形成离子鞘层，当离子密度或鞘层电场足够高时也会出现阴极斑点，形成自持放电，电弧在每次电流过零时刻熄灭。

初始等离子体形成后，能否引发主间隙的导通还有一定的条件，只有初始等离子体的密度足够高，使离子鞘层电场满足阴极斑点产生的最低要求，阴极斑点不断向主间隙提供带电粒子和金属蒸气，才能维持主间隙的自持放电。

2.2 LTVS典型工作波形

在主回路频率8kHz，主间隙电压2kV，触发激光能量50mJ，波长1 064nm，触发材料TiH2，正极性触发条件下LTVS的典型工作波形如图4所示。图中U1为工作电压，U2为激光脉冲信号，I为主间隙电流。从图4中可以看到，LTVS导通半个周期，在主间隙电流I过零点时刻成功开断，开断后电容器两端残留负压。

图4 LTVS典型工作波形Fig.4 The typical work waveforms of LTVS

3 实验结果及分析

3.1 LTVS触发稳定性分析

LTVS触发稳定性受到靶极材料、激光参数以及工作电压等因素的影响。实验中所使用的激光脉宽只有9ns，其对靶极材料的作用是瞬时的，光束与靶极表面作用，导致靶极材料温度升高，热量在靶极材料上传递，这一过程用热传导方程表示为

式中，λ为靶极材料的热量传导系数；cp为靶极材料的比热容；Q为靶极材料本身在单位时间内向外发射的热能。

激光触发真空中靶极材料不存在热源，则Q=0。激光对靶极表面起加热作用，所以可以按式（1）取一定的边界条件代入式（1），靶极材料的热传导系数且为恒定值，则激光对靶极材料的作用可以用简化热传导表示为

式中，αt为靶极材料热量的扩散速度，αt=λ/(ρ cp)，ρ 为靶极材料的密度；2∇为拉普拉斯算符。所设计的LTVS使用TiH2作为触发材料。真空中TiH2在600℃附近有一个吸热峰，说明TiH2在此温度附近发生剧烈分解，大约1 000℃时完全脱氢。TiH2分解后产生氢气和Ti，Ti具有良好的热传导能力，可以在很短的时间内将热量向周围传递出去，进一步提高TiH2的分解速度。如果激光能量足够，TiH2靶极加热后可以在瞬间产生大量初始等离子体，保证LTVS的触发稳定性。

实验中在采用正极性触发方式触头间距为10mm条件下，所得到不同电压下保证LTVS稳定触发的最小触发激光能量关系如图5所示。当工作电压为40V时需要98mJ的触发激光能量才能保证LTVS稳定触发，而当工作电压升高到5kV，只需要15mJ的触发激光能量。这说明LTVS的触发和导通不仅受到靶极材料和激光能量的影响，主间隙两端的电场强度大小同样是一个不可忽略的因素。由此可见，LTVS的导通是激光对靶极加热产生靶极材料蒸气光致电离产生少量等离子体的过程与电场作用下靶极材料蒸气进一步电离产生充足初始等离子体并发展扩散到主间隙进而使其导通过程共同作用的结果。为了保证触发的稳定性，必须选择合适的触发材料和激光参数并且提供一定的主间隙电压。

图5 工作电压与最小触发激光能量关系Fig.5 Relationship between working voltage and the smallest trigger energy

3.2 触发激光能量和工作电压对LTVS导通时延及时延抖动的影响

实验条件为：触头直径40mm，触头间距10mm，触发激光波长1 064nm，触发材料TiH2，触发方式为正极性触发。

图6为不同触发能量和工作电压下LTVS的导通时延情况，从图6中可以看到随着触发激光能量增加，LTVS的导通时延不断减小，当触发能量超过50mJ后，导通时延变化率减小。这是由于随着触发能量增加，靶极材料更容易挥发产生更多初始等离子体，有利于触头间隙中导电通道的形成。当激光能量超过50mJ后，初始等离子体充足，激光能量已经不再是主要影响因素。同样，从图6可以看到，在相同的触发能量下，开关导通时延随着主间隙电压升高而减小。这是由于，初始等离子体产生后，受到主间隙两端电场作用，电子和负离子向触发间隙阳极运动，电场强度越高，运动速度越快，导电通道就会形成得越早。

图6 不同触发激光能量和工作电压下LTVS导通时延Fig.6 The time delay of LTVS under different trigger laser energy and working voltage

图7为不同触发激光能量和工作电压下的LTVS时延抖动变化情况。随着触发激光能量和工作电压的升高，时延抖动减小。当触发激光能量为20mJ时，靶极与激光作用产生的初始等离子体并不充足，LTVS的导通具有很大的随机性，触发时延的波动很大。当触发激光能量达到50mJ后，初始等离子体充足，LTVS的导通变得稳定，触发时延基本趋于稳定。而提高触发间隙电压，使不充足的初始等离子体有更大的可能向触发间隙的阳极运动，减小了LTVS导通的随机性，使导通变得稳定，当初始等离子体充足时，这种影响也随之减小。3.3 触发极性对LTVS导通时延及时延抖动的影响

图7 不同触发激光能量和工作电压下LTVS时延抖动Fig.7 The jitter time of LTVS under different trigger laser energy and working voltage

实验条件为：触头直径40mm，触头间距10mm，激光波长1 064nm，激光能量为50mJ，触发材料为TiH2，主间隙电压4kV。图8为LTVS的两种不同激光触发方式，正极性触发和负极性触发。

图8 LTVS两种激光触发方式Fig.8 Two laser triggered types of LTVS

LTVS的正极性触发和负极性触发对开关导通时延的影响如图9所示。相比负极性触发，采用正极性触发方式可以获得更短的导通时延。正极性触发时，在主间隙电场作用下，初始等离子体中扩散到主间隙的粒子以电子和负离子为主，电子的质量远远小于离子，在相同电场下运动到阳极所需要的时间更短。负极性触发扩散到主间隙的粒子以正粒子为主，质量大、运动速度慢，导致导通时延变大。

图9 不同触发极性下LTVS导通时延Fig.9 The time delay of LTVS under different trigger electrode polarity

不同触发极性下LTVS开关时延抖动如图10所示，由于电子体积小，在运动过程中产生碰撞的可能性比离子低，降低了触发的随机性，使导通时延变得更加稳定。当采用正极性触发，触发激光能量50mJ，主间隙电压4kV时，LTVS的时延抖动仅为47ns，而负极性触发则为64ns。

3.4 触头间距对LTVS导通时延及时延抖动的影响

图10 不同触发极性下LTVS开关时延抖动Fig.10 The jitter time of LTVS under different trigger electrode polarity

实验条件为：触头直径40mm，激光波长1 064nm，激光能量为50mJ，触发材料为TiH2，主间隙电压4kV，触发方式为正极性触发。

LTVS触头间距对导通时延和时延抖动的影响如图11所示，当触头间距为6mm时，导通时延和时延抖动分别为763ns和52ns，随着触头间距增加，导通时延和时延抖动都随之增大，当触头间距为12mm时，导通时延和时延抖动分别达到998ns和102ns。这是由于触头间距缩短，初始等离子体产生后，电子和负离子在电场作用下向阳极运动的距离增加，到达阳极所需时间变长，导致延时变大、触发稳定性下降、时延抖动增大。

图11 不同电极间距下LTVS导通时延及时延抖动Fig.11 Conduction time delay and jitter time of LTVS under different distance of contact

4 结论

LTVS具有导通时延短、触发精度高、触发装置抗电磁干扰能力强等优点，具有很好的应用前景。本文通过搭建LTVS高电压大电流实验平台考察了触发激光能量、主间隙电压、触发极极性和触头间距等因素对LTVS导通时延及时延抖动的影响，实验结果对LTVS的优化设计具有一定的意义。并对LTVS的触发稳定性进行了理论分析，实验结果表明：

1）LTVS的触发稳定性受到靶极材料、激光参数及工作电压的影响，其导通是激光对靶极加热产生靶极材料蒸气和光，导致电离产生少量等离子体的过程与电场作用下靶极蒸气进一步电离产生充足初始等离子体并发展扩散到主间隙进而使其导通过程共同作用的结果。

2）在一定范围内，LTVS的导通时延和时延抖动随着触发激光能量和主间隙电压的升高而减小，当触发激光产生的初始等离子体充足时，继续提高触发激光能量对于缩短导通时延和时延抖动意义不大。同样，当主间隙电压升高到一定值，其对初始等离子体扩散的影响不断下降，导通时延趋于稳定。

3）相比于负极性触发方式，采用正极性触发方式更有利于缩短导通时延和减小时延抖动，在主间隙距离为10mm时，最小导通时延可以达到650ns，时延抖动可达30ns。

4）增大LTVS工作电压范围和缩短LTVS导通时延是一对相互矛盾的因数，在满足LTVS最高工作电压的前提下，减小触头间距有利于缩短导通时延和提高触发精度。

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（编辑 陈 诚）

Laser Triggered Stability and Time Delay Characteristics of Laser Triggered Vacuum Switch

Zhao Yan Liao Minfu Duan Xiongying Liu Zhiheng Ge Guowei
（School of Electrical Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China）

As one of the most important control devices in pulse power technology, the traditional form of electricity triggered vacuum switch is difficult to meet the application requirements in some special fields. Thus, the laser-triggered form is adopted to get shorter conduction time delay and higher trigger accuracy. However, the related theoretical research about laser triggered vacuum switch (LTVS) is still at the initial stage. In order to find out the influence affecting factors on of the time delay characteristics and jitter time of LTVS, this paper constructed a high-voltage and heavy-current LTVS experimental platform. The influences of the trigger laser energy, the working voltage, different trigger electrode polarity configurations and different distance of electrodes are examined. Moreover, the trigger and the conduction mechanism of LTVS are analyzed. The experimental results show that within a certain rang, time delay and jitter time of LTVS can be reduced by such means as increasing trigger laser energy, increasing the main gap voltage and adopting the cathode trigger mode. The experiment conclusion has an important significance on optimization of LTVS.

Time delay, jitter, laser triggered, vacuum switch, trigger stability

TM315

赵 岩 男，1989年生，博士研究生，研究方向为智能电器和脉冲功率技术。

E-mail： zhaoyan1989@mail.dlut.edu.cn

廖敏夫 男，1975年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压绝缘技术和脉冲功率技术。

E-mail： 409254760@qq.com（通信作者）

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.151667

国家自然科学基金资助项目（51337001、51277020和51477024）。

2015-10-12 改稿日期 2016-01-11