多通道激光触发真空沿面闪络开关的制作方法

文档序号:7539652阅读:170来源:国知局
专利名称:多通道激光触发真空沿面闪络开关的制作方法
技术领域
本发明涉及一种多通道激光触发沿面闪络开关,特别适合作为脉冲功率技术中快速准确触发的闭合开关。
背景技术
快速闭合开关是脉冲功率技术中重要的技术之一,也是目前制约脉冲功率技术发展的难题和急待解决的问题。激光触发沿面闪络开关是一种可以满足高速、高功率要求的开关形式,是解决脉冲功率设备中快速能量传输和转换的重要途径,它的研究和发展为实现新型高功率窄脉冲发生器、高功率微波、介质壁加速器提供重要的理论依据和技术保障。
闭合开关有多种形式,各自有自己的特点和适用范围,闪络开关相对于气体、真空开关,它更易于实现高触发精度、快速闭合(气体开关要实现这一条件必须施加极高的气压);半导体开关在重复频率上有优势,但它的通流密度无法与闪络开关相比;而磁开关在闭合速度上处于劣势。闪络开关还有一个重大优势是它可以集成在脉冲功率其它部件之上(如脉冲形成线、变压器等),实现设备一体性和紧凑性,为设备的小型化、实用化提供基础。
闪络开关的研究在国外已经展开。目前闪络开关主要采用电触发形式。

图1是几种目前经常采用的闪络开关结构。如图1所示,闪络开关一般是由正负电极1、沿面绝缘介质2、触发电极3、均压电极(可以没有)和绝缘外壳4组成。工作时首先施加一个电压在电极两端,然后通过触发器在触发极加一个脉冲高电压,引起电极间的电场畸变,发生闪络,开关闭合。因为同样环境条件下闪络的时延小于气体间隙放电时延,所以闪络开关一般可以实现比较快的闭合速度,并且分散性小。闪络开关除了遇见与气体开关同样的电极的烧蚀问题外,还会遇到介质表面的烧蚀、污染问题。要解决电极的烧蚀问题,就必须使通过电极的电流均匀,同时为了防止沿面绝缘介质在大电流下会发生分解和被电极溅射污染,所以需要电流均匀通过,减小单位面积的通流强度。通过特殊的触发电极结构可以实现开关的多通道同时放电,这不仅减小开关的电感,加快开关闭合速度,而且对电极损耗小,不会产生大量的电极材料溅射和蒸发,降低了对绝缘介质的烧蚀和污染。采用多通道放电技术,闪络开关的通流可达到2.5MA。但是电触发的闪络开关的闭合时间和抖动都在微秒或者亚微秒量级上,要实现纳秒、亚纳秒的高精度触发,对触发电源的要求十分高,很难实际应用。与电触发形式相比,激光触发可以轻松的实现快速触发和小的抖动。激光触发沿面闪络开关在国外有初步的研究,采用NdYAG固体脉冲激光器作为触发源,分别用波长355nm、266nm的激光照射在施加有脉冲电压(1.3μs,250kV)的绝缘介质表面,进行了激光触发闪络实验研究。实验中绝缘介质使用微堆层绝缘子,激光线状单通道触发,得到的实验结果显示当闪络距离为0.59cm,266nm波长、能量密度50~100mJ/cm2的紫外激光照射绝缘子表面,闪络时延为10ns,闪络的抖动可以达到1ns。目前只有实验室的实验结果还没有出现产品。国内关于激光触发高速沿面闪络开关的研究还未见公开报道。从国外的实验结果可以看出,采用紫外波段的激光触发闪络可以达到不错的触发效果,但采用紫外波段激光触发,其传输和聚焦系统的价格相对于采取可见光高出很多;采用紫外波段的激光照射绝缘介质的表面,其伤害性远远大于可见光,会影响绝缘介质的寿命,即开关的寿命;采用单通道进行触发,其通流能力受到限制,一般当电流大于1kA时,电极的溅射对绝缘介质表面的污染和放电弧道对绝缘介质的辐射损坏和热破坏会迅速提高,绝缘介质的使用寿命会大大减低。
图2是激光触发沿面闪络的原理图,如图所示当电压施加在电极1两端,电极会发射电子碰撞绝缘介质2,部分会碰撞出二次电子,如果电场不足的话,这种过程无法贯穿电极,不会发生闪络。真空中的击穿和闪络电压远远大于大气压下。此时,将一束激光6照射在绝缘介质2表面,介质表层会吸收激光中的能量,吸收的能量使介质表面物质发生快速的气体解吸附,这样使介质表面的气压提到很高,气体经过一定时间的扩散,气体的密度和电场条件综合作用,达到击穿的条件,发生闪络。激光触发闪络开关是利用上述特性,引起绝缘介质发生闪络,开关快速闭合,可以达到纳秒、亚纳秒级的开关闭合速度,并且抖动更小。
闪络开关的寿命一直受到电极烧蚀和绝缘介质老化损坏的限制,很难长时间和重复频率使用。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术电极烧蚀和绝缘介质容易污染损害的缺点,提供一种可实现重复频率、高速闭合和低抖动开关的多通道激光触发沿面闪络开关。
本发明采用多通道触发技术,采用激光触发方式。在闪络开关的电极上施加高电压,绝缘介质连接正负电极。固体脉冲激光器发出的激光束,通过棱镜组聚焦为横跨正负电极两端的多条平行激光线或一条激光带,聚焦到绝缘介质表面,引起绝缘介质表面的快速闪络,导通电路。
本发明多通道激光触发沿面闪络开关可以集成到其它部件上面,减小所占用空间,提高开关的效率和性能。本发明可应用于实验室内进行理论实验,也可以应用于工程实际中要求高性能闭合开关的场合。
本发明多通道激光触发真空沿面闪络开关可以分为两部分,一部分是放电工作部分,主要由电极、绝缘介质、绝缘外壳(也可与其它设备集成在一起,没有专门绝缘外壳)组成;另一部分是触发部分,由激光器、激光传输系统、聚焦系统和控制系统组成。
电极是开关组成的重要部件,它负责向介质两端施加电压,触发后在正负电极间形成电弧通道,闭合开关。电极紧压在绝缘介质表面,在不破坏绝缘介质的机械和电气性能的基础上,尽量与绝缘介质接触紧密,正负电极分别从开关绝缘外壳的两侧穿出,接入运行线路。为了保证开关快速闭合电极间的距离不能太长,电极的制作材料为钨含量大于90%的铜钨合金或碳化硅(SiC)。
绝缘介质直接决定了开关的耐压性能和寿命,它在开关中的主要作用是未触发时保证开关不发生闪络、一定程度上控制闪络电弧通道的位置。绝缘介质在工作时要承受高电压,闪络放电时的电极材料的溅射、激光辐照、电弧通道的部分热量和电弧辐射出高能粒子的冲击,所以要求绝缘介质具有良好的耐闪络强度、抗粒子辐射特性和热导性。绝缘介质与电极紧密接触。绝缘介质可以选择聚碳酸酯、Al2O3陶瓷和微堆层绝缘子。
开关的绝缘外壳将开关的电极和绝缘介质包围在一定空间内,以便采用适合放电的空间环境,如真空、高气压、液体等。将开关系统置于真空中可以减小放电对介质的污染,更能提高开关的耐受电压能力。开关的绝缘外壳要有与使用环境相符合的机械强度要求。电极伸出开关接入线路,绝缘外壳要保证两电极间有足够的绝缘距离。为了保证开关闭合速度足够快,放电污染小,可重复频率使用、并且具有高的耐受电压,一般选择真空环境,真空度为10-2~10-3Pa。绝缘外壳一般使用尼龙材料。绝缘外壳表面有一个投入视窗,激光从这里引入开关内部,此投入视窗也可以作为光纤接入口。开关可能集成在其它设备上,不设专门绝缘外壳。
激光器是开关触发的关键部件,它的稳定性决定了开关触发的稳定性和精确性。激光器本身与开关的放电部分没有物理接触,可以相对随意的选择安放地点。激光器的作用是发出激光束,通过激光传输系统,聚焦系统照射到绝缘介质的表面,触发开关放电闭合。要使输出激光可以快速触发闪络,并且尽可能小的损坏绝缘介质,激光器要具有一定的能量和波长,绝缘介质表面的激光能量密度1~5mJ/mm2,波长在可见光范围并小于600nm。目前较为适宜使用的是以NdYAG为工作介质闪光灯泵浦固体脉冲调Q激光器,输出波长532nm,能量稳定性在5%以内。
激光传输系统的作用是在尽可能少损失激光能量的基础上,将激光器发射出的激光传输到聚焦系统,它和开关的放电部分没有直接的连接。激光传输系统可以由一组光学镜片组成或者一组光纤组成,也可以空气和真空作为媒质传输,不需要其它附属设备,这要由激光传输系统采取的传输方式来决定。有三种传输方式一种直接在空气中传输,通过投入视窗,视窗玻璃最好采用低损耗的石英玻璃,进入开关内,到达聚焦系统,要求激光在空气中传输的距离尽可能的短;第二种方法,采用光纤传输,光纤进入开关内,到达聚焦系统;第三种方法是将激光器输出口直接置于开关中,在真空内传输,到达聚焦系统。
聚焦系统的作用是将激光聚焦为需要的形状后照射到绝缘介质表面,触发闪络,闭合开关。为了保证开关的快速稳定触发,激光聚焦形状为带状或者线状,即均匀分布的平行细线,线宽小于0.5mm,10~50条/cm。线状激光束线的数量及带状激光束带的面积根据通过电流的大小来决定,线状焦点每条通道的电流小于400A,带状通道的电流密度小于2kA/cm2。激光束贯穿正负两电极,辐射在绝缘介质表面的激光能量密度在1~5mJ/mm2。聚焦系统采用石英棱镜或者棱镜组,固定在开关的透入视窗下面,也可以直接用棱镜作为投入视窗。
控制系统包括激光器的触发接口和使用开关的系统传输来的触发要求信号,触发信号通过传输电缆(两端BNC接头,传输用同轴电缆)或者光纤传输系统(两端的光电转换和电光转换头、传输用光纤)与激光器的触发接口(一般为BNC接口)连接。激光器的触发要求一般是标准方波信号(5V、大于15μs,15V、大于15μs)。
本发明通过简单的结构,利用激光的触发绝缘介质沿面放电实现高稳定度、快速的闭合开关性能。同时利用多通道均匀放电技术,减小单位面积内电流通过量,来减小每条放电电弧的能量,降低其在一定面积内辐射高能粒子的数量和电弧通道的直径和产生热量,同时多点放电也使电极受热均匀,不会发生局部过热,降低了电极烧蚀和电极材料溅射对绝缘介质和绝缘外壳的污染,提高电极和绝缘介质的使用寿命,也即是提高了开关的使用寿命,并且可以重复频率使用。本发明克服现有脉冲功率技术中闪络开关电极烧蚀和绝缘介质容易损害的缺点,实现了闪络开关长寿命和重复频率的应用。
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。
图1为常用的几种闪络开关结构。图中1为正负电极、2为沿面绝缘介质、3为触发电极、4为绝缘外壳,5为回流电极。
图2为激光触发绝缘介质沿面闪络原理图,图中1为正负电极,2为沿面绝缘介质,6为激光束。
图3为本发明多通道激光触发沿面闪络开关结构示意图,图中1为正负电极,2为沿面绝缘介质,4为绝缘外壳,6为激光束,7为激光器,8为透入视窗,9为激光传输系统,10为聚焦系统。
图4应用于脉冲形成线中的多通道激光触发沿面闪络开关的示意图,图中1为正负电极,2为绝缘介质,6为激光束,7为激光器,9为激光传输系统,10为聚焦系统,11为信号传输线。
图5为应用于脉冲形成线中的另一种多通道激光触发沿面闪络开关的示意图,图中1为正负电极,2为绝缘介质,6为激光束,7为激光器,9为激光传输系统,10为聚焦系统,11为信号传输线。
图6为应用于介质壁加速器的多通道激光触发沿面闪络开关的示意图,图中1为正负电极,2为绝缘介质,4为激光束,7为激光器,10为聚焦系统。
具体实施例方式
如图3所示,本发明多通道激光触发真空沿面闪络开关包括放电工作和触发两部分,放电工作部分主要由正负电极1、沿面绝缘介质2、绝缘外壳4组成,也可与其它设备集成在一起,没有专门的绝缘外壳4。触发部分由激光器7、激光传输系统9、聚焦系统10和控制系统组成。电极1紧压在绝缘介质2表面,在不破坏绝缘介质2的机械和电气性能的基础上,尽量与绝缘介质2接触紧密,正负电极1分别从开关绝缘外壳4的两侧穿出,接入运行线路。绝缘外壳4将开关的电极1和绝缘介质2包围在真空环境中。电极1从绝缘外壳4的两边伸出,两端口要密封,绝缘外壳4表面有一个投入视窗8,激光从投入视窗8引入开关内部,此投入视窗8也可以作为光纤接入口。激光器7本身与开关的放电部分没有物理接触,可以相对随意的选择安放地点,但要求激光传输的距离尽可能的短。激光器7发出激光束6,通过激光传输系统9,从投入视窗8入射到开关内,通过聚焦系统10照射到绝缘介质2的表面,聚焦系统10的棱镜一般固定在开关的透入视窗8下面,也可以用棱镜作为投入视窗8。控制系统的作用是接受触发信号,触发激光器,使开关开始工作。它通过传输电缆或者光纤传输系统降系统发送来的触发信号传输到激光器的触发接口。
开关工作过程如下首先电压通过电极1施加到绝缘介质2两端,通常在电压还未达到峰值时,系统会向激光器7发出触发信号,激光器7工作,发射出一束或一组激光6,经过激光传输系统9,通过投入视窗8,传输到聚焦系统10,激光聚焦在绝缘介质2表面,此时充电电压已经快达到峰值,激光作用在绝缘介质2表面,引发绝缘介质2发生闪络,开关闭合。
闪络开关经常与其它部件,如脉冲变压器、脉冲形成线、传输线等集成在一起,达到系统紧凑、减小体积的效果。图5、图6、图7分别显示几种闪络开关集成在系统中的应用。
图4、图5是应用于脉冲电源中的本发明多通道激光触发沿面闪络开关的示意图。它们都显示了一种脉冲功率技术中最为常用的产生快速上升沿方波脉冲的脉冲电源形式。脉冲电源由初级储能电源、脉冲形成线、本发明多通道激光触发真空沿面闪络开关和脉冲输出系统组成。初级能源一般有直流电源、MARX发生器、电容放电回路加脉冲变压器等;脉冲形成线可以用水线或者油线,现在还有采用固体脉冲形成线的技术;输出系统应根据实际应用中负载的不同而专门设计。采用本发明多通道激光触发真空沿面闪络开关作为脉冲发生器的开关,可以产生纳秒级上升沿的高压脉冲。工作时,初级电源先向脉冲形成线充电,形成线上的电压传感器采到电压信号,一定电压值时通过信号传输线11向激光器7传输一个触发信号,激光器7工作,发射出一束或一组激光6,经过激光传输系统9,传输到棱镜或棱镜组(聚焦系统)10,激光聚焦在绝缘介质2表面为带状或线状,绝缘介质2表面的激光能量密度在1~5mJ/mm2,此时充电电压已经快达到峰值,激光作用在绝缘介质2表面,介质2发生闪络,开关闭合,输出一个上升沿小于10ns的高压脉冲。
图6为多通道激光触发真空沿面闪络开关在介质壁加速器中应用的剖面示意图。图6中为介质壁加速器里面两个单元模块,单元模块主要由闪络开关、微堆层绝缘子、两条传输线(一条快线、一条慢线)、束流管组成。这种加速器利用两条传输线的电磁波传播速度的不同,在传输线底部产生一个瞬时的高电压,使在束流通道内的电子束受到电场作用,加速前进。这种结构中的传输线开关要求精度极高,抖动在1ns之内,本发明多通道激光触发的真空沿面闪络开关可以满足这一要求,并且它集成在其它部件上,结构紧凑。工作时在前端输入高压脉冲的同时,通过传输电缆或者光纤传输系统11向每台激光器的控制系统同步发出一个触发信号,激光器7工作,发射出一束或一组激光6,经过激光传输系统9,传输到棱镜或棱镜组(聚焦系统)10,激光聚焦在绝缘介质2表面为带状或线状,绝缘介质2表面的激光能量密度在1~5mJ/mm2,此时前端输入的高压脉冲已经快达到峰值,激光作用在绝缘介质2表面,介质2表面发生闪络,开关闭合,传输线开始传输电磁波。几台激光器7同时动作,相互之间的触发时间相差在1ns以内。
本发明的开关耐压水平可以达到500kV,开关的闭合速度达到15ns,开关抖动小于1ns,通过电流可以达到10kA,寿命超过1万次。
本发明可以广泛应用在脉冲功率技术中,作为脉冲电源的开关。在各种脉冲电源中,本发明开关可以用作脉冲形成线的主开关,Marx发生器的多级开关,介质壁加速器中传输线的闭合开关,超宽带发射的输出开关以及其它各种窄脉冲发生器的开关。
权利要求
1.一种多通道激光触发真空沿面闪络开关,包括开关的正负电极[1]、沿面绝缘介质[2]、开关绝缘外壳[4],固体脉冲激光器[7]、激光传输系统[9]、聚焦系统[10]和控制系统,其特征在于正负电极[1]紧压在绝缘介质[2]表面,正负电极[1]分别从绝缘外壳[4]的两侧穿出,接入运行线路,正负电极[1]伸出绝缘外壳[4]的两端口密封;绝缘外壳[4]将正负电极[1]和绝缘介质[2]包围在真空环境中;绝缘外壳[4]表面有一个投入视窗[8],聚焦系统[10]采用石英棱镜或者棱镜组,固定在投入视窗[8]下面;固体脉冲激光器[7]发出激光束[6]通过激光传输系统[9],从投入视窗[8]入射到开关内,通过聚焦系统[10]聚焦为横跨正负电极两端的多条平行激光线或一条激光带[4],照射到绝缘介质[2]表面,引起绝缘介质表面的快速闪络,导通电路。
2.根据权利要求1所述的多通道激光触发真空沿面闪络开关,其特征在于固体脉冲激光器[7]输出激光波长在可见光范围并小于600nm,通过聚焦系统[10]聚焦为10~50条/cm、线宽小于0.5mm、横跨电极[1]两端、能量密度在1~5mJ/mm2之间的平行激光线,或者是横跨电极[1]两端、能量密度在1~5mJ/mm2之间的激光带;线状激光束线的数量及带状激光束带的面积根据通过电流的大小来决定,线状焦点每条通道的电流小于400A,带状通道的电流密度小于2kA/cm2。
3.根据权利要求1所述的多通道激光触发真空沿面闪络开关,其特征在于绝缘介质[2]的材料可为聚碳酸酯、Al203陶瓷和微堆层绝缘子;正负电极[1]的材料为铜钨合金或碳化硅;正负电极[1]和绝缘介质[2]所处之真空环境的真空度在10-2~10-3pa之间;沿面绝缘的距离在2cm以内。
4.根据权利要求1所述的多通道激光触发真空沿面闪络开关,其特征在于,固体脉冲激光器[7]发出激光束[6]可采用光纤传输,光纤进入开关内,到达聚焦系统;还可将激光器[7]输出口直接置于开关中,在真空内传输,到达聚焦系统。
全文摘要
一种多通道激光触发真空沿面闪络开关,其特征在于绝缘介质[2]放置于正负电极[1]之间,施加有高电压。波长532nm的固体脉冲激光器[7]发出的激光束,通过聚焦系统聚焦为横跨正负电极[1]两端的多条平行激光线或一条激光带,聚焦到绝缘介质[2]表面,绝缘介质表面的激光能量密度1~5mJ/mm
文档编号H03K17/88GK1996754SQ200610169889
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月30日 优先权日2006年12月30日
发明者王珏, 严萍 申请人:中国科学院电工研究所
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