激光触发开关同步特性的研究

利用高压电容放电开关试验平台,对两个氮气气体开关在266nm脉冲激光触发作用下开关的工作特性进行了研究。实验结果表明:两个开关的延时、抖动随激光能量的增加、欠压比的增大而减小。激光能量5.5mJ时,每个开关电压抖动时间达到了亚纳秒量级,但是两个开关的延时时间差大于1ns;当激光能量大于8mJ时,两开关导通的延时时间差达到了亚纳秒量级,可认为两开关同步导通。     

Al_2O_3陶瓷在脉冲电压下的激光触发沿面闪络特性研究

为研究脉冲电压下的激光触发沿面闪络特性,在试验室中建立了精确的激光触发沿面闪络试验系统,解决了激光脉冲与试品上所加脉冲电压的同步问题,在此基础上应用平板电极和柱状绝缘材料进行了激光触发沿面闪络试验。试验中采用铜材料平板电极,试品为Al2O3材料圆柱绝缘材料,试验中激光波长为1 064/532nm并聚焦成长方形光斑,得到在不同的激光能量密度及施加电压下的闪络时延和抖动。研究表明:激光能量密度越大、施加电压越高,闪络时延和抖动越小;532nm波长激光触发的时延小于1 064nm波长激光触发的时延;真空条件下的时延和抖动均小于空气条件下的时延和抖动。     

激光触发真空开关的目标材料触发特性

激光触发真空开关(LTVS)和电气触发真空开关(ETVS)的关键区别是触发方式不同,由于LTVS采用激光照射目标材料产生初始等离子体的方式,不同的目标材料对LTVS的触发特性产生不同的影响。使用3种激光波长(1 064 nm、532 nm和266 nm)测试目标材料的触发特性,总体上导通时延随着激光能量的增加而减少。     

激光触发变压器型脉冲调制器的实验研究

本文设计了一台激光触发变压器型脉冲调制器并开展了单次及1Hz重频实验研究。该调制器由水介质同轴脉冲形成线、激光触发开关、脉冲变压器、假负载等组成。在调制器主开关导通电压为-795k V时,激光到达开关25ns后调制器主开关导通,在负载上得到了电压-402k V、电流26k A、脉冲宽度128ns的准方波高功率电脉冲。当调制器主开关分别为氮气、六氟化硫时对调制器激光触发气体开关的延时、抖动特性进行了实验研究,266nm激光触发时,氮气具有较小的延时和抖动;同时对自击穿和激光触发两种情况下负载电压的前沿特性进行了对比,最后对实验结果进行了分析。     

平面圆盘型激光触发真空开关触发机制研究

高压强流脉冲开关是脉冲功率技术的重要控制单元,触发真空开关(Triggered Vacuum Switch,TVS)具有通流容量大,介质恢复速度快、欠压比小等特点,但它存在导通时延长、抖动大、容易误触发等问题。设计了长间隙激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS),LTVS的导通机制涉及激光烧蚀,激光照射目标材料,参与导电的物质有原子、离子、自由电子和微粒。当LTVS间隙距离为12 mm、耐受电压为30 k V时,为保证LTVS可靠导通,使用激光能量为50 m J,激光波长为1 064 nm,距离阴极端面为0 mm时,LTVS的导通时延为1μs,抖动时延为50 ns,由于激光的能量稳定,保证了LTVS的抖动时延小。使用激光触发的方式,可以缩短导通时延,隔离电磁干扰,消除开关的误触发现象。     

激光触发多级气体真空混合开关

触发真空开关的电寿命是制约其发展的瓶颈,基于激光触发和快速操动机构的开关可解决此问题。当其工作电流过大时,快速操动机构动作联动激光触发间隙电极闭合。因为主电极和靶电极的烧蚀和相应的材料损耗是造成电寿命较短的主要原因,因此快速操动机构的应用所带来的开关寿命的增加是显著的。设计了基于激光触发和快速操动机构的开关,对其进行了静电场仿真,以优化参数。对开关进行了基本特性实验,当工作电压为250 k V,激光能量为2 m J时,开关延时为60 ns,抖动为5 ns。通过实验发现,随着激光能量和开关工作电压的升高,开关导通延时和抖动显著减少。该开关可应用在对寿命要求较高的脉冲功率系统中。     

激光触发真空开关时延特性优化

为了提高触发开关的触发精度和使用寿命,结合触发真空开关和激光触发气体开关的优点,设计了一种平板电极激光触发真空开关(laser triggered vacuum switch, LTVS)。为进一步优化LTVS性能,调整触发材料种类、激光波长和能量及电极间距等参数,实验研究了LTVS的触发时延特性。实验结果表明,利用KCl和Ti作为靶极材料,KCl较低的触发阈值和Ti较强的热传导能力可使LTVS获得更短的触发时延;随着激光波长的减小、激光能量的增加及电极间距的缩短,LTVS的触发时延逐渐降低。参数优化后LTVS工作电压范围可达40 V～30 k V,触发时延低于650 ns,抖动50 ns。LTVS优异的运行特性使之在宽电压范围关合大电流领域展现出良好发展前景。     

脉冲电压下尼龙的激光触发沿面闪络特性

为研究脉冲电压下的激光触发沿面闪络特性,在试验系统中建立了精确的激光触发沿面闪络试验系统,解决了激光脉冲与试品上所加脉冲电压的同步问题,在此基础上应用平板电极和柱状尼龙绝缘材料进行了激光触发沿面闪络试验。试验中采用60 mm直径的铜材料平板电极,试品为20 mm直径、6、8、10 mm厚的尼龙材料圆柱绝缘材料,试验中激光波长为10645、32 nm并聚焦成2 mm×30 mm的长方形光斑,得到在不同的激光能量密度及施加电压下的闪络时延和抖动时间,并探讨了激光触发沿面闪络的机理。研究表明:激光能量密度越大、施加电压越高,闪络时延和抖动时间越小。     

激光触发真空开关触发稳定性及时延特性

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。     

触发管型气体开关的导通机制

为优化触发型3电极开关的性能,评估其击穿时延,分析了这种开关的导通机制。触发管型开关存在快导通(FBM)与慢导通(SBM)等2种导通机制。基于气体放电理论推导了触发管型气体开关的击穿时延模型,并分析了不同导通机制下的击穿过程。基于Raether击穿判据,计算了开关进入快导通机制的工作欠压比下限。实验得到,快、慢导通机制之间的欠压比阈值为0.7。开关内的等效电场可分解为静态畸变电场与动态畸变电场,结合时延模型能合理反映导通时延受工作条件与触发能量影响的动态过程。在快导通机制下,欠压比与静态电场增强系数起着主要影响;在慢导通机制下,除欠压比之外,触发脉冲能量的影响同样重要,此外还需考虑消游离对导通的影响。得到的结果可供提高触发管型气体开关的导通性能的设计与研究借鉴。     

触发真空开关的导通特性

介绍触发真空开关导通特性的实验研究结果,研究了不同的电极极性,电极距离,电极形状,不同的触发方式和触发能量以及主电路负载性质对开关导通特性,特别是最小导通电压的影响,实验结果表明,触发真空开关的最小导通电压比火花隙开关小两个数量级,因而具有工作电压范围很宽的优点。     

铁电体触发开关的实验研究

利用铁电体作为脉冲开关的触发源,是当前脉冲功率技术发展的一个重要研究方向,为掌握铁电体作为触发极的工作性能,阐述了铁电体触发开关在真空条件下的工作原理和实验结果,给出了铁电体触发开关的设计思路及电极结构图并进行了真空条件下铁电体触发开关的实验研究,在开关间距0.3mm、真空压力度8cPa的条件下测得开关的抖动<800ps。实验结果表明:触发电压的高低对开关抖动的影响很大,随着触发电压的升高开关的抖动越来越小,但触发电压超过某一值时开关的抖动又会增加;开关阴阳极之间的间距对开关抖动基本无影响,对于不同的铁电体触发极,其触发电压的最佳值不同。     

双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、主放电通道呈现弥散特征的低气压脉冲放电开关,具有导通电流大、重复频率高、工作范围宽、寿命长、抖动低和烧蚀小等优点,在重复频率脉冲功率中具有非常大的应用潜力。文中研制了一款双间隙多通道伪火花开关,采用陶瓷金属半密封结构,工作气体为氦气,触发单元为基于高介钛酸钡薄片的电荷注入式结构。研究了不同触发脉冲作用下触发单元的放电特征和工作模式,以及气压、阳极电压和脉冲参数对触发单元电荷注入特性、开关导通时延与抖动及阳极电压跌落速率等的影响规律。此外,根据电极烧蚀形貌分析了开关的多通道同步触发特性,根据放电波形讨论了实验中遇到的电流淬灭现象。实验结果表明:触发单元放电存在脉冲电晕和沿面闪络两种工作模式;高气压和大能量的触发脉冲有利于降低开关时延、抖动和阳极电压跌落时间;快前沿的触发脉冲有利于降低开关抖动;阳极电压对触发时延和抖动的影响不大;开关能够实现多通道的同步触发和导通,且在小电流条件下存在两种淬灭形式。     

激光触发多级开关触发延迟及其抖动的研究

实验研究了激光触发多级多通道开关触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验光学参量之间的关系。建立了基于Boltzmann方程的激光触发间隙零维数值模拟模型,并与基于T H Martin经验公式的过压自击穿间隙击穿时延计算程序相结合,对实验现象进行了初步的理论解释。     

脉冲激光波形和能量对多棒极型激光触发空开关性能影响的实验研究

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.     

脉冲激光波形和能量对多棒极型激光触发真空开关性能影响的实验研究

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。     

场畸变触发开关新型触发电极的设计与实验

气体触发开关是脉冲功率电路的重要组成器件。针对工程中对低抖动、长寿命气体触发开关的需求,结合三电极场畸变型触发开关,设计一种拥有较多孔隙的多环型触发极结构。对三种主电极-触发极分别为平板-多环、平板-圆盘、球冠-圆盘的开关进行击穿特性实验研究,结合电场仿真对比分析实验结果。实验结果表明:在22.4k V/40ns的触发脉冲和5.0~7.5k V的工作电压下,平板-多环结构的开关时延及抖动比较稳定,开关时延基本在81.0~84.5ns之间,抖动为0.8~1.1ns。平板-多环电极结构开关时延、抖动均明显优于平板-圆盘结构,其开关时延、抖动与球冠-圆盘结构基本相同但使用寿命优于球冠-圆盘结构。     

高压合成回路用放电开关等离子体触发装置特性

高压合成回路要求开关工作在极低工作系数下,常用的开关类型为大气下气体火花开关。为解决气体火花开关在极低工作系数下的触发问题,本文将毛细管放电等离子体喷射技术应用于高压合成回路点火开关。首先采用高速摄影仪拍摄了毛细管放电等离子体喷射形态,然后对不同工作系数下气体火花开关的延时及其分散性进行了测量,最后在实际运行试验中对触发特性进行了验证。实验结果表明:毛细管喷射等离子体沿电极轴向进入电极间隙,形成一条电导率远高于空气的等离子体通道,从而使开关电极导通击穿。等离子体喷射触发气体火花开关导通延时和延时分散性主要由等离子体形态及贯穿过程决定。电极间距为130 mm、工作系数为50%条件下,开关导通延时为114μs,分散性为±10μs。实际运行结果表明,等离子体喷射触发气体火花开关能在极低的工作系数下可靠触发导通,成功完成合成试验。     

多棒型激光触发真空开关时延特性的研究

介绍了激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS)的基本结构和工作原理,对初始等离子体的产生和扩展所涉及的物理过程进行详细分析,并对其工作在不同的间隙电压、激光波长、激光能量和极性配置下开展了一系列实验。通过对开关结构的改进提高了开关的耐流能力;间隙距离的增加,使其耐压能力得到提高;独特的触发片结构设计,降低了开关对激光能量的依赖,减少了开关的时延。     

亚ns级抖动环形电极场畸变火花隙开关

研制了最高工作电压100kV的一种环形电极场畸变火花隙开关,计算和模拟了开关内部电场分布。通过实验检测了开关的耐压特性以及不同电压下的开关动作延迟时间和抖动。结果表明欠压比相同时,开关抖动随电极间距增大而增大,在间距3mm时开关工作稳定、动作时间延迟小,抖动<1ns,但开关电极间距小时,工作电压不高。