一种激光触发真空开关及开关系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光触发真空开关及其触发系统装置。激光触发真空开关包括密闭壳体、第一电极主件、第二电极主件。第一电极主件包括燃弧电极、第一电极法兰、第一电极平台、聚焦镜。第二电极主件包括燃弧电极、第二电极法兰、第二电极平台、靶电极。触发系统装置主要包括计算机、转换器、开关电路板、激光器和激光触发真空开关。激光触发真空开关的工作电压高达30kV，工作电流高达500kA，不存在以往电脉冲触发高压隔离困难、触发稳定性差、使用寿命短等问题，能有效降低激光触发能量，改善开关器件的延时与抖动。触发系统装置的激光器完全实现了小型化，使其配套的激光系统大大简化，无需专门的电源供电器、水冷机和激光准直系统。
【专利说明】一种激光触发真空开关及开关系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于高压强流脉冲开关【技术领域】，更具体地，涉及一种激光触发真空开关 及开关系统。
【背景技术】
[0002] 脉冲功率技术是一种以较低的功率（电压、电流）储存电场（磁场）能量，将其以 高得多的功率变换为脉冲电磁能量并释放到特定负载中去的电物理技术，也是纳秒脉冲电 子学、通用高电压技术和应用物理学相结合的产物。随着其在国防和民用高科技中的迅速 发展与应用，高压强流脉冲开关已成为制约现代脉冲功率技术发展的关键器件之一。如电 磁轨道炮等电能驱动武器，要求将储能元件中的巨大能量在纳秒至亚毫秒的极短时间内通 过开关释放到负载上，开关特性与脉冲电源的输出波形（特别是上升时间）直接关系到电 磁发射等的参数（出膛速度、膛内运行时间）控制。而高功率激光器、高能长脉冲加速器、 商功率微波武器等还要求开关具有商功率和商重复频率。因此，重频、商速、商压、大电流脉 冲功率开关是国内外相关人员一直关注与致力研究发展的方向。
[0003] 目前，研究得较多的高压强流开关主要有气体间隙开关、半导体开关和触发真空 开关。其中，气体间隙开关简便易行，通流容量大，但其欠压比（可靠触发导通电压与自击 穿电压之比）太高，即工作电压范围窄，一般仅为85%?100%自击穿电压，使用很不方便。 半导体开关控制方便，易实现重频触发，但通流容量与陡度不够，制造成本高。触发真空开 关通流容量大，通流陡度高，欠压比小（一般为5%?100%自击穿电压），库仑电量导通特 性好，可靠性高，对环境要求低，但其触发时延长，抖动大，寿命与工作稳定性差，绝缘隔离 困难，重频触发控制难以实现。随着研究的深入，激光触发气体火花开关开始进入大家的视 野并得以应用与发展。不过其有两大问题难以克服，一是对气体开关触发要求的激光能量 比较大，使得激光触发系统的体积大、造价高，极大地阻碍了它的应用发展；二是它仍具有 气体间隙开关欠压比高的缺点。
[0004] 激光触发真空开关将激光触发气体火花开关和真空开关融合在一起，结合两者的 优势，通过将激光照射在靶电极上产生初始等离子体，然后在主电极电压的作用下使开关 导通。激光触发真空开关具有较宽的工作电压范围和较高的库仑电量导通特性，并且其触 发系统相对独立，抗干扰能力强，触发稳定、时延短、抖动小，可实现重频触发。
[0005] 激光触发真空开关虽然具有良好的前瞻优势，满足高压强流脉冲开关所要求的性 能，但目前国内外关于激光触发真空开关的研究并不多，且大部分都处在原理性试探阶段。 激光触发真空开关一般包括第一燃弧电极、第二燃弧电极和靶电极，第一燃弧电极和第二 燃弧电极的两个相对的端面之间留有激光触发间隙，靶电极置于凹槽内固定，这种结构在 电极之间形成电弧时，容易对阴极表面造成较大的烧蚀，触发形成的初始等离子到达阳极 需要更多的外界能量和时间，使得开关的延时和抖动比较大，寿命较短。此外，这种结构的 触发间隙较小（约5_)，只有一条放电通道，承受外施电压的范围较窄（5?30KV)，耐流能 力不佳（能承受的最大电流约为15KA)。这些导致激光触发真空开关触发需要的激光能量 较大，随之配套的激光器系统比较庞大，需要配置电源供电器、水冷机、激光准直系统等附 加装置，价格昂贵。基于上述原因，现有的激光触发真空开关很难用于实际应用与生产中。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光触发真空开关及开 关系统，激光触发真空开关的工作电压可高达30kV，工作电流可高达500kA，不存在以往电 脉冲触发高压隔离困难、触发稳定性差、使用寿命短等严重制约应用的问题，能有效降低激 光触发能量，改善开关器件的延时与抖动。开关系统中与激光触发真空开关配套的激光系 统大大简化，激光器完全实现了小型化，因而无需专门的电源供电器、水冷机和激光准直系 统，可广泛应用于实际生产中。
[0007] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光触发真空开关，其特征 在于，包括密闭壳体、第一电极主件、第二电极主件；所述密闭壳体由绝缘外壳及设置在绝 缘外壳两端的第一电极法兰和第二电极法兰构成；所述第一电极主件包括第一燃弧电极、 第一电极平台和聚焦镜；所述第二电极主件包括第二燃弧电极、第二电极平台和靶电极； 所述第一电极平台为中空的倒圆台形，通过金属套管固定在所述第一电极法兰上，所述聚 焦镜嵌在所述金属套管内，与所述金属套管密封接触；所述第二电极平台为倒圆台形，通过 电极底柱固定在所述第二电极法兰上；所述靶电极位于所述第二电极平台上，与所述聚焦 镜正对，所述聚焦镜的焦点落在所述靶电极上。
[0008] 优选地，所述靶电极的底面与所述第二电极平台的表面持平。
[0009] 优选地，所述革巴电极由金属和1?化金属盐混合制成。
[0010] 优选地，所述靶电极为圆锥型、圆台型或方型的触发片。
[0011] 优选地，所述第一燃弧电极包括多个子电极，在所述第一电极平台上沿圆周均匀 排列；所述第二燃弧电极包括多个子电极，在所述第二电极平台上沿圆周均匀排列；所述 第一燃弧电极的多个子电极与所述第二燃弧电极的多个子电极相向延伸且相互交错排列， 相邻子电极的间隙宽度相等，且该间隙宽度与子电极顶端到相对的电极平台的间隙宽度相 等，相邻子电极的间隙和子电极顶端到相对的电极平台的间隙构成主放电间隙。
[0012] 按照本发明的另一方面，提供了一种开关系统，其特征在于，包括计算机、转换器、 开关电路板、激光器和如权利要求1至5中任一项所述的激光触发真空开关；所述转换器、 所述开关电路板和所述激光器依次连接，所述激光器的输出端通过传输通道对准所述激光 触发真空开关的聚焦镜的主光轴；所述计算机用于发送控制所述激光器按预定频率触发的 工作指令，所述转换器用于接收所述计算机发出的工作指令并将其转换成所述开关电路板 能识别的指令，所述开关电路板用于根据接收到的指令，控制所述激光器工作，使所述激光 器按预定频率发出激光脉冲信号。
[0013] 按照本发明的另一方面，提供了一种上述激光触发真空开关的激光触发方法。
[0014] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0015] 1、靶电极位于第二电极平台上，与嵌入电极平台中相比，有效增大了靶电极与激 光脉冲的接触面积，缩短了靶电极与第一燃弧电极的距离，有利于降低激光触发能量，改善 开关器件的延时与抖动，同时避免了开关导通时电弧对第二燃弧电极的烧蚀，提高了激光 触发真空开关的稳定性。
[0016] 2、祀电极材料为金属和齒化金属盐的混合物，在金属中掺入齒化金属盐，充分利 用金属导热性好及卤化金属盐熔点低且功函数小的特点，在激光脉冲的作用下，金属材料 受热后迅速将热量传递给卤化金属盐，使其快速电离，此外，金属和卤化金属盐还会因为光 电作用逸出部分电子，有利于开关器件的触发，从而能有效降低激光触发能量。
[0017] 3、在激光触发真空开关的激光照射窗口设置聚焦镜，与靶电极正对，聚焦镜将激 光脉冲聚焦在靶电极上，能有效降低激光触发能量。
[0018] 4、主电极采用多电极结构，即第一燃弧电极和第二燃弧电极均由多个子电极组 成，相互交错排列，形成主放电间隙，其空间电势分布比较规则，真正实现了多间隙并联的 结构设计，有利于真空电弧的转移和扩散。电场主要集中在两个电极包围的空间之内，场强 大，以斜向为主，激光脉冲与靶电极相互作用产生的初始等离子体在电场的作用下以斜向 运动为主，它们与电极表面碰撞激发更多的等离子体，如此反复循环，有利于实现主间隙的 导通，导通性能更好。
[0019] 5、放电间隙距离可达15mm，耐受电压范围可达50V?30KV，通流能力强，可在 5KA?500KA下稳定导通。由于所需的激光触发能量大大降低（几毫焦便可导通），配套的 激光系统大大简化，激光器的电源电压可低至8V?9V，因此无需专门的电源供电器、水冷 机和激光准直系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明实施例的激光触发真空开关的结构示意图；
[0021] 图2是图1所示的激光触发真空开关沿A-A线的剖视图；
[0022] 图3是本发明实施例的开关系统的结构示意图。
[0023] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-绝缘外壳， 2_金属屏蔽罩，3-支架，4-第一电极法兰，5-第二电极法兰，6-吸气环，7-真空腔，8, 9-螺 纹孔，10-电极底柱，11-第一电极平台，12-第二电极平台，13-聚焦镜，14-金属套管， 15-靶电极，16-第一燃弧电极，17-第二燃弧电极，18-主放电间隙。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025] 如图1所示，本发明实施例的激光触发真空开关包括密闭壳体、第一电极主件和 第二电极主件。
[0026] 密闭壳体由绝缘外壳1及设置在绝缘外壳1两端的第一电极法兰4和第二电极法 兰5构成。金属屏蔽罩2通过支架3固定在绝缘外壳1内。第一电极主件包括第一燃弧电 极16、第一电极平台11和聚焦镜13 ;第二电极主件包括第二燃弧电极17、第二电极平台12 和革巴电极15。
[0027] 第一电极平台11为中空的倒圆台形，通过金属套管14固定在第一电极法兰4上， 金属套管14上设有螺纹孔8,便于激光触发真空开关与外电路实现电气或机械连接。聚焦 镜13嵌在金属套管14内，与金属套管14密封接触。第二电极平台12为倒圆台形，通过电 极底柱10固定在第二电极法兰5上，电极底柱10上设有螺纹孔9,便于激光触发真空开关 与外电路实现电气或机械连接。第一电极法兰4和第二电极法兰5上分别设有吸气环6,用 于吸收电弧燃烧过程中产生的气体，维持密闭壳体内的真空腔室7的真空度，真空腔室7的 压力为 l〇_3Pa ?10-5Pa。
[0028] 绝缘外壳1由电工绝缘材料制成。金属屏蔽罩2用于限制电弧的燃烧范围，避免金 属蒸气沉积在壳体内壁，从而使第一燃弧电极16和第二燃弧电极17保持绝缘。另外金属 材质的屏蔽罩更利于金属蒸气在其表面附着，从而有效地维持开关器件内部的高真空度， 使电场保持稳定。第一燃弧电极16和第二燃弧电极17由耐电弧烧蚀的金属合金制成，耐 真空电弧能力强，能保证多次使用之后烧蚀情况良好。
[0029] 靶电极15为触发片，位于第二电极平台12上，其底面与第二电极平台12的表面 持平。靶电极15与聚焦镜13正对，聚焦镜13的焦点落在靶电极15上。聚焦镜13用于将 激光脉冲聚焦到靶电极15上，靶电极15的非嵌入式设置增大了激光脉冲与靶电极15的接 触面积，缩短了靶电极15与第一燃弧电极16的距离，在一定的范围内降低了需要的激光触 发能量，避免了开关导通时电弧对电极的烧蚀，提高了激光触发真空开关的稳定性。触发片 可采用多种结构类型，例如圆锥型、圆台型或方型等。优选地，触发片为圆锥型结构，较其它 结构相比，圆锥型结构能更进一步降低激光触发能量。
[0030] 靶电极15由金属和齒化金属盐混合制成，金属可以是钛、铝、铜、钨等，齒化金属 盐可以是氯化金属盐、碘化金属盐等。例如，靶电极可由钛和氯化钾混合制成，在钛中掺入 氯化钾后，在激光脉冲的作用下，钛受热后迅速将热量传递给氯化钾，使其快速电离，此外， 钛和氯化钾还会因为光电作用逸出部分电子，有利于开关器件的触发，从而能有效降低激 光触发能量。靶电极的制造工艺也有相应的要求，将金属和卤化金属盐粉末置于模具中压 制成型，施加合适的压力，一方面使粉末材料紧密结合，另一方面不得损坏模具。
[0031] 如图2所示，第一燃弧电极16包括多个子电极，在第一电极平台11上沿圆周均匀 排列，第二燃弧电极17包括多个子电极，在第二电极平台12上沿圆周均匀排列，第一燃弧 电极16的子电极与第二燃弧电极17的子电极相向延伸且相互交错排列，各子电极的横截 面近似为梯形。相邻子电极的间隙宽度相等，且该间隙宽度与子电极顶端到相对的电极平 台的间隙宽度相等，相邻子电极的间隙和子电极顶端到相对的电极平台的间隙构成主放电 间隙。这样的电极结构使空间电势分布比较规则，由于存在多个主间隙（即放电通道），真 正实现了多间隙并联的结构设计，有利于真空电弧的转移和扩散。第一燃弧电极16的子电 极个数和第二燃弧电极17的子电极个数可根据实际需要自行设计，优选为2?6个。
[0032] 如图3所示，本发明实施例的开关系统包括计算机、转换器、开关电路板、激光器 和激光触发真空开关。转换器、开关电路板和激光器依次连接，激光器的输出端通过传输通 道对准激光触发真空开关的聚焦镜的主光轴。计算机用于发送控制激光器按预定频率触发 (即单位时间内发射N次激光脉冲信号）的工作指令，转换器用于接收计算机发出的工作指 令并将其转换成开关电路板能识别的指令，开关电路板用于根据接收到的指令，控制激光 器工作，使激光器按预定频率发出激光脉冲信号。
[0033] 转换器可以为接收器或单片机，当转换器为接收器时，计算机与转换器间的信息 传递通过无线电传输实现，当转换器为单片机时，计算机与转换器通过网线或光纤连接。激 光器可以采用已完成准直的军用小型激光器，成本相对较低，且无需外加电源供电器和冷 却系统。该开关系统可以很方便地实现远程控制和重频触发。
[0034] 该开关系统的工作原理如下：计算机发送控制激光器按预定频率触发的工作指 令，转换器接收计算机发出的工作指令并将其转换成开关电路板可识别的指令，开关电路 板根据接收到的指令，控制激光器工作，使激光器按预定频率发出激光脉冲信号。激光脉冲 信号经传输通道传输，沿聚焦镜13的主光轴输出并照射到聚焦镜13上，经聚焦镜13聚焦 至靶电极15上，靶电极15中的金属材料受热后，迅速将热量传递给卤化金属盐，使其快速 电离，此外，金属和卤化金属盐还会因为光电作用逸出部分电子，同时，激光脉冲和触发片 相互作用的热学效应也会产生负粒子（电子和负离子）。随后，离子不断生成形成离子流， 负粒子从阴极向阳极运动，在阳极激发出更多的正离子，正离子从阳极向阴极运动，在阴极 激发出更多的负离子、电子和中性粒子，如此循环往复，形成电流，使开关导通。
[0035] 由于激光触发真空开关的主电极由多个子电极组成，存在多个放电通道，靶电极 产生的初始等离子体在电场的作用下运动到主电极，激发产生更多的等离子体。此外，靶电 极采用由金属和卤化金属盐混合制成的触发片，一方面充分利用了金属导热性好及卤化金 属盐熔点低、功函数小的特性，使得热量可以迅速传递给卤化金属盐，使其快速电离，同时 金属和卤化金属盐还会因为光电作用逸出部分电子，另一方面，靶电极位于第二电极平台 上，与嵌入凹槽内的结构相比，增大了激光触发时的有效接触面积。这些设计都极大地降低 了激光触发能量，改善了开关器件的延时与抖动，避免了开关导通时电弧对阴极的烧蚀，提 高了激光触发真空开关的稳定性能，从而使得激光触发真空开关配套的激光系统得到大大 简化，满足技术经济性要求，可广泛应用于实际生产中。
[0036] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种激光触发真空开关，其特征在于，包括密闭壳体、第一电极主件、第二电极主 件； 所述密闭壳体由绝缘外壳及设置在绝缘外壳两端的第一电极法兰和第二电极法兰构 成；所述第一电极主件包括第一燃弧电极、第一电极平台和聚焦镜；所述第二电极主件包 括第二燃弧电极、第二电极平台和靶电极；所述第一电极平台为中空的倒圆台形，通过金属 套管固定在所述第一电极法兰上，所述聚焦镜嵌在所述金属套管内，与所述金属套管密封 接触；所述第二电极平台为倒圆台形，通过电极底柱固定在所述第二电极法兰上；所述靶 电极位于所述第二电极平台上，与所述聚焦镜正对，所述聚焦镜的焦点落在所述靶电极上。
2. 如权利要求1所述的激光触发真空开关，其特征在于，所述靶电极的底面与所述第 二电极平台的表面持平。
3. 如权利要求1或2所述的激光触发真空开关，其特征在于，所述靶电极由金属和卤化 金属盐混合制成。
4. 如权利要求1或2所述的激光触发真空开关，其特征在于，所述靶电极为圆锥型、圆 台型或方型的触发片。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的激光触发真空开关，其特征在于，所述第一燃弧电 极包括多个子电极，在所述第一电极平台上沿圆周均匀排列；所述第二燃弧电极包括多个 子电极，在所述第二电极平台上沿圆周均匀排列；所述第一燃弧电极的多个子电极与所述 第二燃弧电极的多个子电极相向延伸且相互交错排列，相邻子电极的间隙宽度相等，且该 间隙宽度与子电极顶端到相对的电极平台的间隙宽度相等，相邻子电极的间隙和子电极顶 端到相对的电极平台的间隙构成主放电间隙。
6. -种开关系统，其特征在于，包括计算机、转换器、开关电路板、激光器和如权利要求 1至5中任一项所述的激光触发真空开关； 所述转换器、所述开关电路板和所述激光器依次连接，所述激光器的输出端通过传输 通道对准所述激光触发真空开关的聚焦镜的主光轴；所述计算机用于发送控制所述激光器 按预定频率触发的工作指令，所述转换器用于接收所述计算机发出的工作指令并将其转换 成所述开关电路板能识别的指令，所述开关电路板用于根据接收到的指令，控制所述激光 器工作，使所述激光器按预定频率发出激光脉冲信号。
7. -种如权利要求1至5中任一项所述的激光触发真空开关的激光触发方法。
【文档编号】H03K17/54GK104113314SQ201410257481
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】何正浩, 樊文芳, 王英, 毛晓坡, 林华中 申请人:华中科技大学