脉冲HF/DF激光器的高重复频率触发管型气体火花开关

黄 超，黄 珂，朱 峰，唐 影，易爱平，钱 航

(激光与物质相互作用国家重点实验室； 西北核技术研究所： 西安 710024)

放电引发非链式 HF/DF激光器的峰值功率高，脉冲能量大，可高重复频率运转，在激光生物医学、大气检测、激光光谱和光电对抗等领域具有广泛的应用前景，是现阶段备受关注的宽光谱中红外激光源[1-9]。与其他脉冲气体放电激光器类似，放电引发非链式HF/DF激光器需一个快前沿、高电压及大电流的快放电过程，实现大体积均匀体放电，进而形成大脉冲能量输出。开关作为激光器的重要部件，用于激光间隙脉冲高电压的形成和主电容器储能向激光介质的高效转移，是激光器实现快前沿、高电压和大电流快放电的关键。

放电引发非链式HF/DF激光器常使用SF6混合气体作为工作介质，与准分子等其他气体放电激光器相比，更难实现均匀放电。因此，对开关及放电引发系统的要求更高。气体火花开关具有工作电压高、通流能力强和导通快的特点，同时具备成本低廉及结构形式灵活多样等优点，是放电引发非链式HF/DF激光器较理想的选择之一。自放电引发非链式HF/DF激光器诞生以来，大量研究采用气体火花开关产生快前沿、大电流及高压脉冲引燃大体积均匀放电，获得激光输出[10-17]。1972年，美国Los Alamos国家实验室的Wekzel等[10]利用触发管型气体火花开关，建立了双放电引发HF激光器，获得了快放电引发过程，激光能量约为100 mJ；1973年，该实验室的Arnold等[11]利用气体火花开关实现了前沿为30 ns的快放电过程，获得1.4 J脉冲HF激光输出；1980年，英国艾塞克斯大学物理系Hatch[12]同样利用触发管型气体火花开关研制了一台用于半导体材料处理的HF激光器，激光能量为167 mJ；2002年，俄罗斯科学院普通物理所Apollonov等[13]采用基于气体开关的放电系统，获得了407 J的HF激光和325 J的DF激光；2010年，俄罗斯科斯米洛夫州激光测试研究中心Bulaev等[14]利用气体火花开关研制了20 Hz重复频率HF激光器，脉冲能量为67 J；国内西北核技术研究所[15]、长春光学精密机械与物理研究所[16]和中国科学院电子学研究所[17]开展了基于气体火花开关的放电引发HF/DF激光技术研究，利用自动紫外预电离放电结构，使单脉冲能量达到焦耳量级。目前，对气体火花开关及激光器高重复频率运行技术的研究较少，仅西北核技术研究所实现了100 Hz重复频率HF/DF激光输出[15]。

从国内外研究情况分析，研究工作主要集中在气体火花开关放电系统的结构优化，以获得大脉冲能量和高效HF/DF激光输出，对气体火花开关及放电系统高重复频率运行和可靠运转方面的研究鲜见报道，本文针对该方面开展研究工作。由于触发管型气体火花开关(简称开关)在地电极中心开孔引入触发电极针，降低了对外部触发脉冲的要求，易实现受控触发，且电极结构有利于气体循环，适合重复频率运行[18-20]。本文设计了紧凑的触发管型开关，实验研究了开关的触发特性和重复频率放电特性，并用于放电引发非链式HF/DF激光器，实现了激光器100 Hz高重复频率可靠运转，连续运行10 s，无不受控放电现象发生。

1 开关结构

为提高开关的工作可靠性，开关主电极设计为类半球头结构，直径为30 mm，触发电极位于地电极内部，设计为盘形尖棱结构，显著增强开关间隙场畸变的同时增加了触发电极的烧蚀周长，有利于延长开关的使用寿命。触发电极和地电极之间采用尼龙盖板径向绝缘，盖板表面设计多个凹槽，增加沿面闪络距离，防止触发电极与地之间的沿面滑闪。气流从开关绝缘筒上的吹气窗口流过放电区，且集中于放电区，保障开关间隙气体介质绝缘快速恢复，实现开关高重复频率运行。开关主电极间隙设计为3～5 mm可调，触发间隙为1.5 mm，开关绝缘介质为高纯氮气，最大工作气压约为0.5 MPa。图1为触发管型气体火花开关外观和结构。

(a) Photography

(b) Structure图1 开关外观与结构Fig.1 Photography and structure of the spark gas switch

良好触发特性是开关受控导通的前提，是保证开关可靠运行的关键，开关的触发特性与触发结构及其引起的电场畸变程度密切相关。为使开关具有优异的导通可控性，须提高开关间隙电场的畸变程度。开关主间隙电场强度及触发间隙电场强度可表示为

(1)

其中：Eg，Et分别为主间隙电场强度和触发间隙电场强度；Vg，Vt分别为高压电极和触发电极电压；dg，dt分别为主间隙和触发间隙的距离。

设定开关主间隙为5 mm，主电极电压为-30 kV，触发电压为30 kV，根据式(1)，利用有限元方法对开关的静电场进行了分析，给出了有无触发脉冲时开关间隙的电场强度分布，如图2所示。由图2可见：在开关主电极上加直流电压，未加触发脉冲时，由于触发电极位于触发孔内，触发电极的分压电位与其所在位置的电位基本相同，触发电极引起开关间隙的电场畸变非常小，开关间隙电场近似均匀直流电场；当施加触发脉冲时，开关间隙形成了强烈的电场畸变，电场强度最大为246 kV·cm-1，是未加触发脉冲时的4倍以上。

(a) Without trigger pulse

(b) With trigger pulse图2 有无触发脉冲时开关间隙的电场强度分布Fig.2 Distribution of electrical field strength of switch gap

理论分析结果表明，未加触发脉冲时，开关间隙的电场畸变非常小，开关间隙电场近似为直流均匀电场，可有效降低激光器直流充电过程中开关的自击穿概率。触发时刻开关间隙电场畸变非常显著，电场增强区域最大值出现在触发电极尖端处，开关将因触发脉冲引起的电场畸变迅速导通，这增强了开关导通的可控性。综合效果将提升开关及激光器高重复频率运行的可靠性。

2 开关实验结果与分析

2.1 触发特性

触发管型开关存在慢、快2种触发击穿机制[18]。慢触发机制为开关触发首先发生在触发电极和地电极之间，触发间隙放电等离子体紫外辐射引起主间隙气体的光电离，导致开关被击穿；快触发机制为开关触发首先发生在触发电极和高压电极之间，主间隙放电由触发电极顶部流注引起。

触发管型开关的触发特性受触发击穿机制影响很大，图3和图4为不同触发机制下开关延时tdelay和抖动tjitter随电压U的变化关系。实验条件：开关主间隙为4 mm；气体介质气压为0.35 MPa；开关电压-16～-30 kV可调；触发电压正负30 kV可选。开关延时tdelay为单脉冲模式重复30个脉冲的平均值，抖动tjitter为该组脉冲延时的极差。由图3和图4可见：当开关的触发电压为正脉冲时，开关主间隙上的电场强度为115～150 kV·cm-1，大于开关自击穿电场强度，开关工作在“快触发机制”下，开关延时和抖动相对较小，在整个工作电压范围内开关的延时和抖动均在100 ns以内；当开关的触发脉冲为负极性时，开关主间隙上的电场强度很低，小于28 kV·cm-1，低于开关自击穿电场强度，开关工作在“慢触发机制”下，开关延时和抖动相对较大。实验结果表明，开关工作在快触发机制时，导通更加容易。因此，实验中选择开关工作在快触发机制下。

(a) tdelay vs. U

(b) tjitter vs. U图3 触发电压为-30 kV时，开关的延时及抖动随电压的变化关系Fig.3 Delay time and jitter time vs. voltage at triggering voltage of -30 kV

(a) tdelay vs. U

(b) tjitter vs. U图4 触发电压为+30 kV时，开关的延时及抖动随电压的变化关系Fig.4 Delay time and jitter time vs. voltage at triggering voltage of +30 kV

2.2 重复频率特性

通常情况下，开关运行频率越高，绝缘恢复时间越短，则自放电概率越大，重复频率运行稳定性也就越差，反之则越好。开关重复频率特性主要由气体介质的绝缘恢复速度决定，而绝缘恢复速度又与气压、工作电压和吹气速率等因素密切相关。实验中通过改变以上实验条件来研究开关重复频率运行可靠性。

2.2.1 气压对重复频率的影响

首先对无吹气开关进行了实验研究。重复频率不同时，开关连续运行100个脉冲的自击穿概率随气压的变化关系如图5所示。实验条件：开关主间隙为4 mm；充电电压为-30 kV；气压为0.3～0.45 MPa；触发电压为30 kV。由图5可见，3种重复频率下，开关击穿概率均呈随气压升高而减小的趋势。当气压大于0.425 MPa时，开关重复频率运行相对可靠，此时基本无自击穿现象发生。对于重复频率气体火花开关，开关重复频率运行的自击穿概率与开关欠压比和开关绝缘恢复相关。一方面气体的气压越高，开关的欠压比越小，开关工作越稳定，自击穿概率越小；另一方面气压升高导致气体分子密度增大，气体分子间碰撞的概率增大，原放电通道内沉积的热量更易通过传导、对流及辐射传递出去，有利于开关间隙气体在脉冲间隔时间内的绝缘性能恢复，即在下一个脉冲达到时，开关气体间隙的绝缘能力达到与前一个脉冲相当的水平，进而改善开关重复频率运行的稳定性。

图5 重复频率不同时，开关连续运行100个脉冲的自击穿概率随气压的变化关系Fig.5 Self discharge ratio vs. air pressure of the switch at different frequencies with 100 pulses

2.2.2 电压对重复频率的影响

开关导通时产生的热量取决于放电弧柱产生的热量，而电压对放电弧柱产生的热量有很大影响。当电压为-23～-30 kV，开关主间隙为4 mm，气压为0.3 MPa，触发电压为+30 kV，重复频率为100 Hz是，开关自放电概率随电压的变化关系如图6所示。

图6 开关重复频率运行时自放电概率随电压的变化关系Fig.6 Self discharge ratio vs. voltage of the switch

由图6可见，开关重复频率运行时，自放电概率随电压的升高而迅速上升，电压越高，曲线的斜率越大。实验结果表明，高电压条件下，重复频率运行稳定性迅速下降。这是因为，随着电压的升高，放电弧柱产生的热量增多，相应的气体介质温度上升和放电残余物浓度增高，导致气体绝缘恢复难度增大和恢复时间增长，开关间隙在脉冲间隔时间内不能完全回复，重复频率运行稳定性降低。

2.2.3 吹气速率对重复频率的影响

主间隙气体绝缘恢复是开关重复频率稳定运行的关键，吹气是提高主间隙气体绝缘恢复的重要技术途径之一，为确保在脉冲间隔内实现主间隙气体介质的有效置换，吹气速率是需研究的重要参数之一。当开关主间隙为4 mm，气压为0.3 MPa，电压为-27 kV，触发电压为+30 kV，重复频率为100 Hz时，实验研究了吹气速率对开关重复频率运行稳定性的影响。开关自放电概率随吹气速率的变化关系如图7所示。由图7可见，吹气时，开关重复频率运行的自放电概率可得到有效抑制，但过快的吹气速率并不能带来好的效果。实验中，当吹气速率大于5 m·s-1时，开关100 Hz重复频率运行的自放电概率反而逐渐增大，开关重复频率运转稳定性变差。这是因为通过吹气置换开关主间隙的气体，加速了开关主间隙气体绝缘恢复速率，在重复频率脉冲间隔时间内，主间隙内气体绝缘恢复更加充分，开关重复频率运行稳定性逐渐变好。然而，由于开关气路较简单，设计为单个相对进出气口，吹气速率较高时，开关间隙内部气体流程紊流，将影响开关间隙电场分布，使开关自放电概率增加。为获得更好的吹气效果，后续将对开关吹气结构进行优化，提升开关重复频率运行稳定性。

图7 开关自放电概率随吹气速率的变化关系Fig.7 Self discharge ratio vs. flowing rate of the switch

2.3 讨论

通过上述研究发现，高电压和高重复频率均大大提高了开关重复频率稳定运行的难度，其根源在于开关主间隙内气体绝缘恢复不充分，间隙绝缘性能下降。提升开关间隙气体压强和利用吹气实现开关主间隙气体有效置换等技术方法，可加速开关间隙气体绝缘恢复，降低或避免开关重复频率运行过程中出现自击穿现象的概率。对于放电引发非链式HF/DF激光器，设计的最大工作电压为-30 kV，本文重点考虑开关电压为-30 kV时的运行参数。不吹气时，开关实现-30 kV重复频率100 Hz无自放电现象稳定运转所需的气压为0.425 MPa；且吹气速率适当时，可进一步增强开关重复频率运行的稳定性。另外，考虑到气体放电具有一定随机性，且开关工作系数太低不利于触发导通，因此，选定开关在电压为-30 kV条件下的最佳工作参数：主间隙为4 mm；绝缘气体为高纯氮气；气压为0.425～0.45 MPa；触发电压为+30 kV；吹气速率为3～5 m·s-1。

3 开关的应用

用触发管型气体火花开关作为放电引发脉冲HF/DF激光器的主开关，HF/DF激光器等效电路如图8所示。激光器运行时，负极性高压电源给激光器储能电容充电至设定电压，此时开关加载了相应的直流高压；然后，触发器发出异极性高压触发脉冲，触发开关受控导通，储能电容上的电压反向作用到放电腔室的阳极高压电极上，峰化间隙导通，在激光器放电区域形成强烈的紫外预电离，主间隙导通输出HF激光。按照要求的频率重复上述过程，激光器实现重复频率运转。

图8 HF/DF激光器等效电路Fig.8 Equivalent circuit of HF/DF laser

重复频率调试实验中，放电引发非链式HF/DF激光器及开关的具体工作条件：电压为-30 kV；绝缘气体为高纯氮气；气压为0.45 MPa；开关主间隙为4 mm；吹气速率为5 m·s-1；触发电压为+30 kV。实验获得HF/DF激光器100 Hz连续运行1 000个脉冲的触发和放电电压的包络波形，如图9所示。由图9可见，放电引发非链式HF/DF激光器重复频率运行过程中，开关未出现自击穿现象和误触发问题，异常放电概率为0，开关工作状态良好。图10为HF/DF激光器输出1 000个脉冲的能量曲线。由图10可见，开关及激光器实现了长时间重复频率可靠放电，100 Hz重复频率运转稳定性良好。另外，发现开关的延时抖动有所增加，约为592 ns，这可能是长时间放电导致开关气体温度升高所致。

图9 HF/DF激光器100 Hz连续运行1 000个脉冲的触发和放电电压的包络波形Fig.9 Envelope waveforms of trigger and discharge voltage of 1 000 pulses for HF/DF laser at 100 Hz

图10 HF/DF激光器输出1 000个脉冲的能量曲线Fig.10 Energy curve of 1 000 pulses for HF/DF laser

4 结论

本文研制了一种用于放电引发脉冲HF/DF激光器的触发管型气体火花开关，优化设计了开关的触发结构，利用有限元方法分析了开关间隙的电场分布，发现仅加载直流高压时开关间隙电场近似为直流均匀电场，当触发脉冲到达后开关间隙形成了强烈的场畸变，这有利于实现开关重复频率稳定运转。

实验研究了开关的触发特性，获得了开关快/慢2种触发机制下的延时与抖动。发现开关运转在快触发机制时，导通快，延时抖动小，有利于开关触发受控导通，可增强开关重复频率运行稳定性。

在快触发机制下，对开关重复频率稳定性进行了分析，发现提高电压和重复频率，开关重复频率稳定运行难度大大提升，主要原因是开关主间隙内气体绝缘恢复不充分，间隙绝缘性能下降。增大绝缘气体压强和利用吹气可加速开关间隙气体绝缘恢复，改善开关重复频率运行的稳定性。当气体气压小于0.425 MPa，工作电压为-30 kV时，开关实现了100 Hz重复频率可靠运行。

将开关用于放电引发非链式HF/DF激光器，当电压为-30 kV，气压为0.45 MPa，开关主间隙为4 mm，吹气速率为5 m·s-1，触发电压为+30 kV时，开关及激光器实现了100 Hz重复频率长时间连续稳定运转，并获得了焦耳量级的激光输出。