專利名稱:多通道激光觸發真空沿面閃絡開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多通道激光觸發沿面閃絡開關，特別適合作為脈沖功率技術中快速準確觸發的閉合開關。
背景技術：
快速閉合開關是脈沖功率技術中重要的技術之一，也是目前制約脈沖功率技術發展的難題和急待解決的問題。激光觸發沿面閃絡開關是一種可以滿足高速、高功率要求的開關形式，是解決脈沖功率設備中快速能量傳輸和轉換的重要途徑，它的研究和發展為實現新型高功率窄脈沖發生器、高功率微波、介質壁加速器提供重要的理論依據和技術保障。
閉合開關有多種形式，各自有自己的特點和適用范圍，閃絡開關相對于氣體、真空開關，它更易于實現高觸發精度、快速閉合(氣體開關要實現這一條件必須施加極高的氣壓)；半導體開關在重復頻率上有優勢，但它的通流密度無法與閃絡開關相比；而磁開關在閉合速度上處于劣勢。閃絡開關還有一個重大優勢是它可以集成在脈沖功率其它部件之上(如脈沖形成線、變壓器等)，實現設備一體性和緊湊性，為設備的小型化、實用化提供基礎。
閃絡開關的研究在國外已經展開。目前閃絡開關主要采用電觸發形式。圖1是幾種目前經常采用的閃絡開關結構。如圖1所示，閃絡開關一般是由正負電極1、沿面絕緣介質2、觸發電極3、均壓電極(可以沒有)和絕緣外殼4組成。工作時首先施加一個電壓在電極兩端，然后通過觸發器在觸發極加一個脈沖高電壓，引起電極間的電場畸變，發生閃絡，開關閉合。因為同樣環境條件下閃絡的時延小于氣體間隙放電時延，所以閃絡開關一般可以實現比較快的閉合速度，并且分散性小。閃絡開關除了遇見與氣體開關同樣的電極的燒蝕問題外，還會遇到介質表面的燒蝕、污染問題。要解決電極的燒蝕問題，就必須使通過電極的電流均勻，同時為了防止沿面絕緣介質在大電流下會發生分解和被電極濺射污染，所以需要電流均勻通過，減小單位面積的通流強度。通過特殊的觸發電極結構可以實現開關的多通道同時放電，這不僅減小開關的電感，加快開關閉合速度，而且對電極損耗小，不會產生大量的電極材料濺射和蒸發，降低了對絕緣介質的燒蝕和污染。采用多通道放電技術，閃絡開關的通流可達到2.5MA。但是電觸發的閃絡開關的閉合時間和抖動都在微秒或者亞微秒量級上，要實現納秒、亞納秒的高精度觸發，對觸發電源的要求十分高，很難實際應用。與電觸發形式相比，激光觸發可以輕松的實現快速觸發和小的抖動。激光觸發沿面閃絡開關在國外有初步的研究，采用NdYAG固體脈沖激光器作為觸發源，分別用波長355nm、266nm的激光照射在施加有脈沖電壓(1.3μs，250kV)的絕緣介質表面，進行了激光觸發閃絡實驗研究。實驗中絕緣介質使用微堆層絕緣子，激光線狀單通道觸發，得到的實驗結果顯示當閃絡距離為0.59cm，266nm波長、能量密度50～100mJ/cm2的紫外激光照射絕緣子表面，閃絡時延為10ns，閃絡的抖動可以達到1ns。目前只有實驗室的實驗結果還沒有出現產品。國內關于激光觸發高速沿面閃絡開關的研究還未見公開報道。從國外的實驗結果可以看出，采用紫外波段的激光觸發閃絡可以達到不錯的觸發效果，但采用紫外波段激光觸發，其傳輸和聚焦系統的價格相對于采取可見光高出很多；采用紫外波段的激光照射絕緣介質的表面，其傷害性遠遠大于可見光，會影響絕緣介質的壽命，即開關的壽命；采用單通道進行觸發，其通流能力受到限制，一般當電流大于1kA時，電極的濺射對絕緣介質表面的污染和放電弧道對絕緣介質的輻射損壞和熱破壞會迅速提高，絕緣介質的使用壽命會大大減低。
圖2是激光觸發沿面閃絡的原理圖，如圖所示當電壓施加在電極1兩端，電極會發射電子碰撞絕緣介質2，部分會碰撞出二次電子，如果電場不足的話，這種過程無法貫穿電極，不會發生閃絡。真空中的擊穿和閃絡電壓遠遠大于大氣壓下。此時，將一束激光6照射在絕緣介質2表面，介質表層會吸收激光中的能量，吸收的能量使介質表面物質發生快速的氣體解吸附，這樣使介質表面的氣壓提到很高，氣體經過一定時間的擴散，氣體的密度和電場條件綜合作用，達到擊穿的條件，發生閃絡。激光觸發閃絡開關是利用上述特性，引起絕緣介質發生閃絡，開關快速閉合，可以達到納秒、亞納秒級的開關閉合速度，并且抖動更小。
閃絡開關的壽命一直受到電極燒蝕和絕緣介質老化損壞的限制，很難長時間和重復頻率使用。
發明內容本發明的目的是克服現有技術電極燒蝕和絕緣介質容易污染損害的缺點，提供一種可實現重復頻率、高速閉合和低抖動開關的多通道激光觸發沿面閃絡開關。
本發明采用多通道觸發技術，采用激光觸發方式。在閃絡開關的電極上施加高電壓，絕緣介質連接正負電極。固體脈沖激光器發出的激光束，通過棱鏡組聚焦為橫跨正負電極兩端的多條平行激光線或一條激光帶，聚焦到絕緣介質表面，引起絕緣介質表面的快速閃絡，導通電路。
本發明多通道激光觸發沿面閃絡開關可以集成到其它部件上面，減小所占用空間，提高開關的效率和性能。本發明可應用于實驗室內進行理論實驗，也可以應用于工程實際中要求高性能閉合開關的場合。
本發明多通道激光觸發真空沿面閃絡開關可以分為兩部分，一部分是放電工作部分，主要由電極、絕緣介質、絕緣外殼(也可與其它設備集成在一起，沒有專門絕緣外殼)組成；另一部分是觸發部分，由激光器、激光傳輸系統、聚焦系統和控制系統組成。
電極是開關組成的重要部件，它負責向介質兩端施加電壓，觸發后在正負電極間形成電弧通道，閉合開關。電極緊壓在絕緣介質表面，在不破壞絕緣介質的機械和電氣性能的基礎上，盡量與絕緣介質接觸緊密，正負電極分別從開關絕緣外殼的兩側穿出，接入運行線路。為了保證開關快速閉合電極間的距離不能太長，電極的制作材料為鎢含量大于90％的銅鎢合金或碳化硅(SiC)。
絕緣介質直接決定了開關的耐壓性能和壽命，它在開關中的主要作用是未觸發時保證開關不發生閃絡、一定程度上控制閃絡電弧通道的位置。絕緣介質在工作時要承受高電壓，閃絡放電時的電極材料的濺射、激光輻照、電弧通道的部分熱量和電弧輻射出高能粒子的沖擊，所以要求絕緣介質具有良好的耐閃絡強度、抗粒子輻射特性和熱導性。絕緣介質與電極緊密接觸。絕緣介質可以選擇聚碳酸酯、Al2O3陶瓷和微堆層絕緣子。
開關的絕緣外殼將開關的電極和絕緣介質包圍在一定空間內，以便采用適合放電的空間環境，如真空、高氣壓、液體等。將開關系統置于真空中可以減小放電對介質的污染，更能提高開關的耐受電壓能力。開關的絕緣外殼要有與使用環境相符合的機械強度要求。電極伸出開關接入線路，絕緣外殼要保證兩電極間有足夠的絕緣距離。為了保證開關閉合速度足夠快，放電污染小，可重復頻率使用、并且具有高的耐受電壓，一般選擇真空環境，真空度為10-2～10-3Pa。絕緣外殼一般使用尼龍材料。絕緣外殼表面有一個投入視窗，激光從這里引入開關內部，此投入視窗也可以作為光纖接入口。開關可能集成在其它設備上，不設專門絕緣外殼。
激光器是開關觸發的關鍵部件，它的穩定性決定了開關觸發的穩定性和精確性。激光器本身與開關的放電部分沒有物理接觸，可以相對隨意的選擇安放地點。激光器的作用是發出激光束，通過激光傳輸系統，聚焦系統照射到絕緣介質的表面，觸發開關放電閉合。要使輸出激光可以快速觸發閃絡，并且盡可能小的損壞絕緣介質，激光器要具有一定的能量和波長，絕緣介質表面的激光能量密度1～5mJ/mm2，波長在可見光范圍并小于600nm。目前較為適宜使用的是以NdYAG為工作介質閃光燈泵浦固體脈沖調Q激光器，輸出波長532nm，能量穩定性在5％以內。
激光傳輸系統的作用是在盡可能少損失激光能量的基礎上，將激光器發射出的激光傳輸到聚焦系統，它和開關的放電部分沒有直接的連接。激光傳輸系統可以由一組光學鏡片組成或者一組光纖組成，也可以空氣和真空作為媒質傳輸，不需要其它附屬設備，這要由激光傳輸系統采取的傳輸方式來決定。有三種傳輸方式一種直接在空氣中傳輸，通過投入視窗，視窗玻璃最好采用低損耗的石英玻璃，進入開關內，到達聚焦系統，要求激光在空氣中傳輸的距離盡可能的短；第二種方法，采用光纖傳輸，光纖進入開關內，到達聚焦系統；第三種方法是將激光器輸出口直接置于開關中，在真空內傳輸，到達聚焦系統。
聚焦系統的作用是將激光聚焦為需要的形狀后照射到絕緣介質表面，觸發閃絡，閉合開關。為了保證開關的快速穩定觸發，激光聚焦形狀為帶狀或者線狀，即均勻分布的平行細線，線寬小于0.5mm，10～50條/cm。線狀激光束線的數量及帶狀激光束帶的面積根據通過電流的大小來決定，線狀焦點每條通道的電流小于400A，帶狀通道的電流密度小于2kA/cm2。激光束貫穿正負兩電極，輻射在絕緣介質表面的激光能量密度在1～5mJ/mm2。聚焦系統采用石英棱鏡或者棱鏡組，固定在開關的透入視窗下面，也可以直接用棱鏡作為投入視窗。
控制系統包括激光器的觸發接口和使用開關的系統傳輸來的觸發要求信號，觸發信號通過傳輸電纜(兩端BNC接頭，傳輸用同軸電纜)或者光纖傳輸系統(兩端的光電轉換和電光轉換頭、傳輸用光纖)與激光器的觸發接口(一般為BNC接口)連接。激光器的觸發要求一般是標準方波信號(5V、大于15μs，15V、大于15μs)。
本發明通過簡單的結構，利用激光的觸發絕緣介質沿面放電實現高穩定度、快速的閉合開關性能。同時利用多通道均勻放電技術，減小單位面積內電流通過量，來減小每條放電電弧的能量，降低其在一定面積內輻射高能粒子的數量和電弧通道的直徑和產生熱量，同時多點放電也使電極受熱均勻，不會發生局部過熱，降低了電極燒蝕和電極材料濺射對絕緣介質和絕緣外殼的污染，提高電極和絕緣介質的使用壽命，也即是提高了開關的使用壽命，并且可以重復頻率使用。本發明克服現有脈沖功率技術中閃絡開關電極燒蝕和絕緣介質容易損害的缺點，實現了閃絡開關長壽命和重復頻率的應用。
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。
圖1為常用的幾種閃絡開關結構。圖中1為正負電極、2為沿面絕緣介質、3為觸發電極、4為絕緣外殼，5為回流電極。
圖2為激光觸發絕緣介質沿面閃絡原理圖，圖中1為正負電極，2為沿面絕緣介質，6為激光束。
圖3為本發明多通道激光觸發沿面閃絡開關結構示意圖，圖中1為正負電極，2為沿面絕緣介質，4為絕緣外殼，6為激光束，7為激光器，8為透入視窗，9為激光傳輸系統，10為聚焦系統。
圖4應用于脈沖形成線中的多通道激光觸發沿面閃絡開關的示意圖，圖中1為正負電極，2為絕緣介質，6為激光束，7為激光器，9為激光傳輸系統，10為聚焦系統，11為信號傳輸線。
圖5為應用于脈沖形成線中的另一種多通道激光觸發沿面閃絡開關的示意圖，圖中1為正負電極，2為絕緣介質，6為激光束，7為激光器，9為激光傳輸系統，10為聚焦系統，11為信號傳輸線。
圖6為應用于介質壁加速器的多通道激光觸發沿面閃絡開關的示意圖，圖中1為正負電極，2為絕緣介質，4為激光束，7為激光器，10為聚焦系統。
具體實施方式如圖3所示，本發明多通道激光觸發真空沿面閃絡開關包括放電工作和觸發兩部分，放電工作部分主要由正負電極1、沿面絕緣介質2、絕緣外殼4組成，也可與其它設備集成在一起，沒有專門的絕緣外殼4。觸發部分由激光器7、激光傳輸系統9、聚焦系統10和控制系統組成。電極1緊壓在絕緣介質2表面，在不破壞絕緣介質2的機械和電氣性能的基礎上，盡量與絕緣介質2接觸緊密，正負電極1分別從開關絕緣外殼4的兩側穿出，接入運行線路。絕緣外殼4將開關的電極1和絕緣介質2包圍在真空環境中。電極1從絕緣外殼4的兩邊伸出，兩端口要密封，絕緣外殼4表面有一個投入視窗8，激光從投入視窗8引入開關內部，此投入視窗8也可以作為光纖接入口。激光器7本身與開關的放電部分沒有物理接觸，可以相對隨意的選擇安放地點，但要求激光傳輸的距離盡可能的短。激光器7發出激光束6，通過激光傳輸系統9，從投入視窗8入射到開關內，通過聚焦系統10照射到絕緣介質2的表面，聚焦系統10的棱鏡一般固定在開關的透入視窗8下面，也可以用棱鏡作為投入視窗8。控制系統的作用是接受觸發信號，觸發激光器，使開關開始工作。它通過傳輸電纜或者光纖傳輸系統降系統發送來的觸發信號傳輸到激光器的觸發接口。
開關工作過程如下首先電壓通過電極1施加到絕緣介質2兩端，通常在電壓還未達到峰值時，系統會向激光器7發出觸發信號，激光器7工作，發射出一束或一組激光6，經過激光傳輸系統9，通過投入視窗8，傳輸到聚焦系統10，激光聚焦在絕緣介質2表面，此時充電電壓已經快達到峰值，激光作用在絕緣介質2表面，引發絕緣介質2發生閃絡，開關閉合。
閃絡開關經常與其它部件，如脈沖變壓器、脈沖形成線、傳輸線等集成在一起，達到系統緊湊、減小體積的效果。圖5、圖6、圖7分別顯示幾種閃絡開關集成在系統中的應用。
圖4、圖5是應用于脈沖電源中的本發明多通道激光觸發沿面閃絡開關的示意圖。它們都顯示了一種脈沖功率技術中最為常用的產生快速上升沿方波脈沖的脈沖電源形式。脈沖電源由初級儲能電源、脈沖形成線、本發明多通道激光觸發真空沿面閃絡開關和脈沖輸出系統組成。初級能源一般有直流電源、MARX發生器、電容放電回路加脈沖變壓器等；脈沖形成線可以用水線或者油線，現在還有采用固體脈沖形成線的技術；輸出系統應根據實際應用中負載的不同而專門設計。采用本發明多通道激光觸發真空沿面閃絡開關作為脈沖發生器的開關，可以產生納秒級上升沿的高壓脈沖。工作時，初級電源先向脈沖形成線充電，形成線上的電壓傳感器采到電壓信號，一定電壓值時通過信號傳輸線11向激光器7傳輸一個觸發信號，激光器7工作，發射出一束或一組激光6，經過激光傳輸系統9，傳輸到棱鏡或棱鏡組(聚焦系統)10，激光聚焦在絕緣介質2表面為帶狀或線狀，絕緣介質2表面的激光能量密度在1～5mJ/mm2，此時充電電壓已經快達到峰值，激光作用在絕緣介質2表面，介質2發生閃絡，開關閉合，輸出一個上升沿小于10ns的高壓脈沖。
圖6為多通道激光觸發真空沿面閃絡開關在介質壁加速器中應用的剖面示意圖。圖6中為介質壁加速器里面兩個單元模塊，單元模塊主要由閃絡開關、微堆層絕緣子、兩條傳輸線(一條快線、一條慢線)、束流管組成。這種加速器利用兩條傳輸線的電磁波傳播速度的不同，在傳輸線底部產生一個瞬時的高電壓，使在束流通道內的電子束受到電場作用，加速前進。這種結構中的傳輸線開關要求精度極高，抖動在1ns之內，本發明多通道激光觸發的真空沿面閃絡開關可以滿足這一要求，并且它集成在其它部件上，結構緊湊。工作時在前端輸入高壓脈沖的同時，通過傳輸電纜或者光纖傳輸系統11向每臺激光器的控制系統同步發出一個觸發信號，激光器7工作，發射出一束或一組激光6，經過激光傳輸系統9，傳輸到棱鏡或棱鏡組(聚焦系統)10，激光聚焦在絕緣介質2表面為帶狀或線狀，絕緣介質2表面的激光能量密度在1～5mJ/mm2，此時前端輸入的高壓脈沖已經快達到峰值，激光作用在絕緣介質2表面，介質2表面發生閃絡，開關閉合，傳輸線開始傳輸電磁波。幾臺激光器7同時動作，相互之間的觸發時間相差在1ns以內。
本發明的開關耐壓水平可以達到500kV，開關的閉合速度達到15ns，開關抖動小于1ns，通過電流可以達到10kA，壽命超過1萬次。
本發明可以廣泛應用在脈沖功率技術中，作為脈沖電源的開關。在各種脈沖電源中，本發明開關可以用作脈沖形成線的主開關，Marx發生器的多級開關，介質壁加速器中傳輸線的閉合開關，超寬帶發射的輸出開關以及其它各種窄脈沖發生器的開關。
權利要求
1.一種多通道激光觸發真空沿面閃絡開關，包括開關的正負電極[1]、沿面絕緣介質[2]、開關絕緣外殼[4]，固體脈沖激光器[7]、激光傳輸系統[9]、聚焦系統[10]和控制系統，其特征在于正負電極[1]緊壓在絕緣介質[2]表面，正負電極[1]分別從絕緣外殼[4]的兩側穿出，接入運行線路，正負電極[1]伸出絕緣外殼[4]的兩端口密封；絕緣外殼[4]將正負電極[1]和絕緣介質[2]包圍在真空環境中；絕緣外殼[4]表面有一個投入視窗[8]，聚焦系統[10]采用石英棱鏡或者棱鏡組，固定在投入視窗[8]下面；固體脈沖激光器[7]發出激光束[6]通過激光傳輸系統[9]，從投入視窗[8]入射到開關內，通過聚焦系統[10]聚焦為橫跨正負電極兩端的多條平行激光線或一條激光帶[4]，照射到絕緣介質[2]表面，引起絕緣介質表面的快速閃絡，導通電路。
2.根據權利要求
1所述的多通道激光觸發真空沿面閃絡開關，其特征在于固體脈沖激光器[7]輸出激光波長在可見光范圍并小于600nm，通過聚焦系統[10]聚焦為10～50條/cm、線寬小于0.5mm、橫跨電極[1]兩端、能量密度在1～5mJ/mm2之間的平行激光線，或者是橫跨電極[1]兩端、能量密度在1～5mJ/mm2之間的激光帶；線狀激光束線的數量及帶狀激光束帶的面積根據通過電流的大小來決定，線狀焦點每條通道的電流小于400A，帶狀通道的電流密度小于2kA/cm2。
3.根據權利要求
1所述的多通道激光觸發真空沿面閃絡開關，其特征在于絕緣介質[2]的材料可為聚碳酸酯、Al203陶瓷和微堆層絕緣子；正負電極[1]的材料為銅鎢合金或碳化硅；正負電極[1]和絕緣介質[2]所處之真空環境的真空度在10-2～10-3pa之間；沿面絕緣的距離在2cm以內。
4.根據權利要求
1所述的多通道激光觸發真空沿面閃絡開關，其特征在于，固體脈沖激光器[7]發出激光束[6]可采用光纖傳輸，光纖進入開關內，到達聚焦系統；還可將激光器[7]輸出口直接置于開關中，在真空內傳輸，到達聚焦系統。
專利摘要
一種多通道激光觸發真空沿面閃絡開關，其特征在于絕緣介質[2]放置于正負電極[1]之間，施加有高電壓。波長532nm的固體脈沖激光器[7]發出的激光束，通過聚焦系統聚焦為橫跨正負電極[1]兩端的多條平行激光線或一條激光帶，聚焦到絕緣介質[2]表面，絕緣介質表面的激光能量密度1～5mJ/mm
文檔編號H03K17/88GK1996754SQ200610169889
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月30日
發明者王玨, 嚴萍 申請人:中國科學院電工研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan