一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于开关装置技术领域，具体涉及一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关及方法。
【背景技术】
[0002]激光触发开关本质上是利用大功率脉冲激光在间隙内(或电极表面)产生等离子体，使得局部电场发生畸变从而引起整个间隙发生击穿。激光触发开关具有触发延迟和抖动小，自击穿概率低，运行稳定，适合同步触发等优点，在脉冲功率技术领域中发挥着重要的应用。世界上最大的脉冲功率装置——美国圣地亚国家实验室Z装置(26MA，100ns)，包括36台同步运行的6MV激光触发开关；我国最大的脉冲功率装置“聚龙一号”包括24台同步运行的4MV激光触发开关。
[0003]由于上述优势，激光触发间隙在电力系统中的应用前景也开始受到关注，特别是基于激光触发的百千伏至百万伏级直流高压间隙，可应用于高压脉冲形成网络的开关元件、电力设备的过电压保护间隙等系统中，从而精确地实现电流合成，或实现多间隙的同步触发等。虽然百万伏级激光触发间隙在脉冲功率领域中已成功应用，其激光触发抖动可达到纳秒级的水平，然而这类激光触发开关通常工作在密闭的高压气体环境中，激光触发间隙的距离较小(1-1Ocm)，激光束通常沿着电场线方向(轴向)馈入，激光焦点位于高压电极表面或电极间的绝缘气体中。在电力系统的应用中，系统储能大，间隙通过的电荷数大，通流时间长，因此通常工作在开放的空气环境中，间隙距离显著增加(1-1OOcm)。虽然电力系统中的应用需求对触发抖动可放宽至1-10 μ S，但是这时的间隙距离远大于激光等离子体长度，将减弱激光等离子体对间隙间电场畸变的效果，对间隙放电通道的引导能力也大大减弱，从而影响激光触发的性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提出一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关及方法，该间隙开关可改善传统激光触发方式触发高压长空气间隙时激光等离子体通道长度小、触发性能不稳定的困难。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现:
[0006]一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，包括由地电极和高压极构成的高压直流空气间隙、用于建立一条轴向激光光束和至少一条径向激光光束的光路系统以及用于监测激光光束状态的监测系统；激光器产生的激光由光路系统的入射端进入，高压直流空气间隙的两端接直流高压；轴向激光光束由地电极进入高压直流空气间隙，沿高压直流空气间隙电场线的方向聚焦至高压极表面，用于诱导高压电极产生等离子体；径向激光束垂直于轴向激光束，并聚焦在高压直流空气间隙的轴线处，用于诱导空气产生等离子体，轴向激光和径向激光产生的等离子体共同诱导高压直流空气间隙发生击穿。
[0007]进一步的，监测系统包括用于记录激光波形和馈入时刻的光电二极管、用于记录激光能量的激光能量计以及用于记录激光等离子体位置的相机。
[0008]进一步的，光路系统包括设置于入射光路上的第一分束镜，第一分束镜将入射激光分为两路，一路透射光作为轴向激光束由光路系统射出，经第一反光镜反射后由第一透镜进入高压直流空气间隙，并聚焦在高压极的表面；另一路反射光经第二反射镜进入第二分束镜，第二分束镜将入射激光分为两束，一路透射光作为径向激光束经第二透镜射出，聚焦在高压直流空气间隙的轴线处；另一路反射光进入激光能量计。
[0009]进一步的，第二分束镜的反射光路上还设置有第三分束镜，第三分束镜的反射光路上还设置有第四分束镜；第二分束镜的反射光进入第三分束镜后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第三透镜射出，聚焦在高压直流空气间隙的轴线处，另一路透射光进入第四分束镜；第三分束镜的透射光进入第四分束镜后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第四透镜射出，聚焦在高压直流空气间隙的轴线处，另一路透射光进入激光能量计。
[0010]进一步的，第一分束镜的透射/反射比为1/1，第二分束镜的透射/反射比为1/4，第三分束镜的透射/反射比为1/3，第四分束镜的透射/反射比为1/2。
[0011]进一步的，地电极的中心开设有能够使轴向激光束穿过的通光孔。
[0012]进一步的，通光孔的直径为1mm。
[0013]进一步的，激光器接收数字延时发生器发出的动作命令，从而与其它系统进行时间关联。
[0014]进一步的，数字延时发生器和光电二极管均与用于测量激光信号和放电击穿信号的示波器相连。
[0015]本发明还公开了一种基于轴向和径向激光束多点触发间隙开关的方法，包括以下步骤:
[0016]I)高压直流空气间隙两端接直流高压，当动作指令到来后，触发数字延时发生器，数字延时发生器再输出信号触发激光器；动作指令与数字延时发生器输出信号间的时间间隔由数字延时发生器进行调整；
[0017]2)激光器输出纳秒高功率激光后，由光路系统分成一束沿轴向传播的轴向激光束和至少一束沿径向传播的径向激光束；轴向激光束由地电极的中心通光孔进入高压直流空气间隙后，聚焦至高压极的表面，诱导高压极产生初始等离子体；径向激光束聚焦至电极轴线上的不同位置处，诱导产生空气等离子体；在初始等离子体和多处空气等离子体的共同作用下，高压直流空气间隙发生击穿。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0019]本发明激光诱导产生的等离子体可分布在间隙高压电极和地电极间区域中，每一处激光诱导等离子体的产生时刻，以及径向激光光束的轴向位置可根据放电通道的发展情况进行调整，从而改善激光触发性能；在传统的激光触发方法中，单束高功率激光聚焦后诱导靶电极或空气产生等离子体，但是早期形成的等离子体限制了后续激光进一步与靶或空气的作用，因此等离子体长度并不随着激光能量线性增长。在总激光能量一定的前提下，本发明利用激光分束镜，在多处诱导产生等离子体体，充分利用激光能量增加激光诱导等离子体的总长度，提高其对间隙中电场畸变的效果，从而改善触发性能。与放电触发的方式相比，激光器的触发抖动小于放电装置的触发抖动，激光的脉冲宽度小于放电脉冲宽度，因此有利于改善触发性能。
[0020]进一步的，本发明径向激光束，在其沿着径向方向馈入间隙前，增加了一段光程，使得径向激光束在轴向激光束通过后再形成初始等离子体，以避免径向等离子体对轴向激光传输的影响。
[0021]进一步的，本发明径向激光束的轴向位置和馈入时刻可通过激光光路进行调节，结合间隙参数设定径向激光束馈入的位置和时刻，有利于改善间隙触发性能。
【附图说明】
[0022]图1是本发明的结构示意图；
[0023]图2是本发明实现环形光斑的光路示意图。
[0024]其中，I为高压直流空气间隙；2为高压直流空气间隙；3为数字延时发生器；4为光路系统；5为第一反光镜；6为第一透镜；7为光电二极管；8为不波器；9为地电极；10为高压极；11为激光能量计；12为第一分束镜；13为第二分束镜；14为第三分束镜；15为第四分束镜；16为第二反射镜；17为第二透镜；18为第三透镜；19为第四透镜；20为通光孔。
【具体实施方式】
[0025]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0026]参见图1，本发明基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，包括由地电极9和高压极10构成的高压直流空气间隙1、用于建立一条轴向激光光束和至少一条径向激光光束的光路系统4以及用于监测激光光束状态的监测系统，地电极9的中心开设有能够使轴向激光束穿过的通光孔20，通光孔20的直径为Imm ;激光器2产生的激光由光路系统4的入射端进入，高压直流空气间隙I的两端接直流高压，监测系统包括用于记录激光波形和馈入时刻的光电二极管7、用于记录激光能量的激光能量计11以及用于记录激光等离子体位置的相机；激光器2通过数字延时发生器3接收动作命令并与其它系统的时间关联；数字延时发生器3和光电二极管7均与用于测量激光信号与放电击穿信号的示波器8相连。
[0027]轴向激光光束由地电极9进入高压直流空气间隙I，沿高压直流空气间隙I电场线的方向聚焦至高压极10表面，用于诱导高压电极产生等离子体；径向激光束垂直于轴向激光束，并聚焦在高压直流空气间隙I的轴线处，用于诱导空气产生等离子体，轴向激光和径向激光产生的等离子体诱导高压直流空气间隙I发生击穿。
[0028]光路系统4包括设置于入射光路上的第一分束镜12，第一分束镜12将入射激光分为两路，一路透射光作为轴向激光束由光路系统射出，经第一反光镜5反射后由第一透镜6进入高压直流空气间隙1，并聚焦在高压极10的表面；另一路反射光经第二反射镜16进入第二分束镜13，第二分束镜13将入射激光分为两束，一路透射光作为径向激光束经第二透镜17射出，聚焦在高压直流空气间隙I的轴线处；另一路反射光进入激光能量计11。
[0029]另外，本发明在光路系统4通过设置多个分束镜产生多束径向激光束，具体结构为:在第二分束镜13的反射光路上设置第三分束镜14，第三分束镜14的透射光路上设置第四分束镜15 ;第二分束镜13的反射光进入第三分束镜14后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第三透镜18射出，聚焦在高压直流空气间隙I的轴线处，另一路透射光进入第四分束镜15 ;第三分束镜14的透射光进入第四分束镜15后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第四透镜19射出，聚焦在高压直流空气间隙I的轴线处，另一路透射光进入激光能量计11。
[0030]本发明还公开了一种基于轴向和径向激光束多点触发间隙开关的方法，包括以下步骤:
[0031]I)高压直流空气间隙I两端接直流高压，当动作指令到来后，触发数字延时发生器3，数字延时发生器再输出信号触发激光器2 ;动作指令与数字延时发生器3输出信号间的时间间隔由数字延时发生器进行调整；
[0032]2)激光