一种测量激光引导下间隙放电的放电参数的装置及方法与流程

本发明涉及激光放电技术领域，并且更具体地，涉及一种测量激光引导下间隙放电的放电参数的装置及方法。

背景技术：

雷电及其产生的强电磁脉冲，对于输电线路和电子电气设备会造成巨大危害。在历史上，科学界提出过多种引雷手段及避雷措施，其中主动引雷的手段主要是火箭引雷，即发射引雷火箭到雷云，由于引雷火箭带有接地导线，当引雷火箭到达云层时，通过接地导线在雷电产生上行先导之前将雷电释放至大地，起到防患于未然的作用。但是火箭引雷被证实弊端明显，每次发射火箭时会消耗非常多的能量，且不能连续的进行引雷工作，所以成功率也是非常低的。

因此，在上世纪七十年代，美国科学家提出激光引雷的概念，与火箭引雷相比，激光引雷具有很大的优势。首先等离子体是一种优良的导体，而高能激光在大气环境下能将空气电离成为等离子体，所以当激光束中的等离子体达到一定浓度时，就在激光束中形成了导电通道，也就形成了一条虚拟的“导线”。利用激光和等离子体的这一特殊关系，激光引雷也就不难实现了，科学家们将高能激光通过聚焦系统聚焦形成激光束，在空气中产生等离子体通道，通过连接雷云和接地装置，使得雷电通过预设的等离子通道释放到大地，避免了对输电线路和电子电气设备造成损害。在八十年代以来，日本的科学家和几家大型的电力公司都对激光引雷技术进行了研究。

近年来，技术人员对飞秒激光引导闪电进行了模拟实验研究，实验中采用40mJ，脉冲宽度50fs的飞秒激光脉冲形成的等离子通道成功引导了3-23cm长间隙的静态高压放电。实验结果表明，飞秒激光产生的等离子体通道可使空气间隙击穿阈值降低至自然状态下的40％。这一实验虽然证明了激光对引导放电的可行性，但是其并未通过测量在激光引导下间隙放电的放电参数，从而对放电参数、激光工作参数和间隙距离之间的关联特性进行深入研究。

技术实现要素：

为了解决背景技术存在的上述问题，本发明提供一种测量在激光引导下间隙放电的放电参数的装置，所述装置包括：

放电电极，其包括高压电极(1)和接地电极(2)，所述高压电极(1)和接地电极(2)的中央位置设有圆孔；

测量装置，其包括示波器(3)、电压测量单元(4)和电流测量单元(5)，所述电压测量单元(4)的高压端与所述高压电极(1)连接以测量电压，所述电流测量单元(5)用于测量接地电极(2)和地连接的接地线上电流，示波器(3)用于采集电压信号和电流信号，其中，所述电压信号和电流信号是在激光引导下间隙放电的放电参数；

激光装置，其包括激光器(6)和聚焦透镜(7)，所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过；

激励源(8)，其用于为放电电极提供电源，其中，所述激励源(8)的输出端通过高压电线与金属垫片相连接。所述激励源(8)的接地端通过高压电线与金属垫片的一端连接，并且所述金属垫片的另一端通过高压导线与接地线连接。

进一步地，所述装置还包括电极间隙调整装置(100)，其包括与高压电极(1)连接的第一绝缘柱(101)、与接地电极(2)连接的第二绝缘柱(102)、第一光学底座(111)、第二光学底座(112)和第三光学底座(113)，其中所述高压电极(1)与金属杆(12)相连接，所述金属杆(12)通过螺栓(13)与第一绝缘柱(101)的顶部固定连接，高压电极(1)和第一绝缘柱(101)连接处以及接地电极(2)和第二绝缘柱(102)连接处分别设有连接金属导线的金属垫片接地电极，所述接地电极(2)通过螺栓(13)与第二绝缘柱(102)的顶部固定连接，所述第一绝缘柱(101)的底部通过螺栓(13)与第二光学底座(112)相连接，所述第二绝缘柱(102)的底部通过螺栓(13)与第一光学底座(111)的上半部分相连接，所述第一光学底座(111)的下半部分和所述第二光学底座(112)通过螺栓(13)与第三光学底座(113)相连接。在实际应用中，第二光学底座(112)可采用和第一光学底座(111)相同的结构，从而使高压电极(1)和接地电极(2)之间可调整的距离的范围更大。

进一步地，所述第一光学底座(111)的一侧设有旋转旋钮(14)，通过旋转所述旋钮(14)对所述第一光学底座(111)进行左右调整以实现对高压电极(1)和接地电极(2)之间距离的调整。

进一步地，所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过的方式包括：

所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后沿与所述高压电极(1)的圆孔中心点和所述接地电极(2)的圆孔中心点之间的连线垂直的方向穿过所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙；

所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后从所述接地电极(2)的圆孔穿过，并穿过所述高压电极(1)的圆孔。

进一步地，所述高压电极(1)为球形或板形或锥形，所述接地电极(2)为球形或板形或锥形。

进一步地，所述高压电极(1)和所述接地电极(2)为铜电极或不锈钢电极。

进一步地，所述电压测量单元(4)采用高压探头，所述电流测量单元(5)采用罗氏线圈。

进一步地，所述电压测量单元(4)还包括分压器。

进一步地，所述激励源(8)采用直流高压电源，所述直流高压电源的高压输出端采用电缆输出。

进一步地，所述激光器(6)采用纳秒脉冲固体激光器。

进一步地，所述示波器(3)通过信号输入通道分别与所述电压测量单元(4)和所述电流测量单元(5)连接。

根据本发明的另一方面，本发明还涉及一种测量在激光引导下间隙放电的放电参数的方法，所述方法包括：

步骤1、打开激光器(6)，调整激光器(6)的工作电压、工作频率以及激光工作参数，所述激光工作参数包括激光波长和激光能量；

步骤2、根据所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过的方式，移动高压电极(1)和接地电极(2)，并调整高压电极(1)和接地电极(2)之间的间隙；

步骤3、打开激励源(8)，逐渐升高电压；

步骤4、当激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过并发生击穿时，电压测量单元(4)和电流测量单元(5)测量在激光引导下间隙放电的电压与电流；

步骤5、示波器(7)采集电压信号和电流信号，获得放电参数、激光工作参数以及不同间隙距离之间的关联特性。

进一步地，所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过的方式包括：

所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后沿与所述高压电极(1)的圆孔中心点和所述接地电极(2)的圆孔中心点之间的连线垂直的方向穿过所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙；

所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后从所述接地电极(2)的圆孔穿过，并穿过所述高压电极(1)的圆孔。

进一步地，根据所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过的方式调整高压电极(1)和接地电极(2)之间的间隙的方法包括：

直接移动高压电极(1)和接地电极(2)来调整高压电极(1)和接地电极(2)之间的间隙；或者

移动电极间隙调整装置，并通过手动操作旋转旋钮(14)调整高压电极(1)和接地电极(2)之间的间隙。

通过本发明提供的测量在激光引导下间隙放电的放电参数的装置，能够较为准确地测量所述装置的高压电极和接地电极在不同间隙距离、不同激光入射方式和不同激光工作参数情况下的放电参数，从而获得不同间隙距离、不同激光入射方式、不同激光工作参数和放电参数之间的关联特性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1是本发明实施例一提供的测量在激光引导下间隙放电的放电参数的装置的结构图；

图2是本发明实施例一提供的测量在激光引导下间隙放电的放电参数的方法的流程图；

图3是本发明实施例二提供的具有电极间隙调整装置的测量在激光引导下间隙放电的放电参数的装置的结构图；

图4是本发明实施例二提供的电极间隙调整装置的结构图；以及

图5是本发明实施例二提供的另一个测量在激光引导下间隙放电的放电参数的方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的测量在激光引导下间隙放电的放电参数的装置的结构图。如图1所示，所述装置包括放电电极、测量装置、激光装置和激励源。所述装置的具体结构如下：

放电电极，其包括高压电极(1)和接地电极(2)，所述高压电极(1)为板形，所述接地电极(2)为球形，所述高压电极(1)和接地电极(2)的中央位置设有圆孔；

测量装置，其包括示波器(3)、电压测量单元(4)和电流测量单元(5)，所述电压测量单元(4)的高压端与所述高压电极(1)连接以测量电压，所述电流测量单元(5)用于测量接地电极(2)和地连接的接地线上电流，示波器(3)用于采集电压信号和电流信号，其中，所述电压信号和电流信号是在激光引导下间隙放电的放电参数；

激光装置，其包括激光器(6)和聚焦透镜(7)，所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过；

激励源(8)，其用于为放电电极提供电源，其中，所述激励源(8)的输出端通过高压电线与金属垫片相连接，所述激励源(8)的接地端通过高压电线与金属垫片的一端连接，所述与激励源(8)的接地端连接的金属垫片的另一端通过高压导线与接地线连接。本实施例中，激励源(8)为直流高压电源，直流高压电源的高压输出端采用电缆输出，直流高压电源为输出电压幅值可调的110kV、10kVA的直流电源。

优选地，所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过的方式包括：

所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后沿与所述高压电极(1)的圆孔中心点和所述接地电极(2)的圆孔中心点之间的连线垂直的方向穿过所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙；

所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后从所述接地电极(2)的圆孔穿过，并穿过所述高压电极(1)的圆孔。

优选地，所述高压电极(1)为球形或锥形，所述接地电极(2)为板形或锥形。

优选地，所述高压电极(1)和所述接地电极(2)为铜电极或不锈钢电极。

优选地，所述电压测量单元(4)采用高压探头，所述电流测量单元(5)采用罗氏线圈。

优选地，所述电压测量单元(4)还包括分压器。当电压高于20kV时，采用分压器输出电压信号。

优选地，所述激励源(8)采用直流高压电源，所述直流高压电源的高压输出端采用电缆输出。

优选地，所述激光器(6)采用纳秒脉冲固体激光器。

优选地，所述示波器(3)通过信号输入通道分别与所述电压测量单元(4)和所述电流测量单元(5)连接。

图2是本发明实施例一提供的测量在激光引导下间隙放电的放电参数的方法的流程图。如图2所示，所述方法从步骤S201开始。

在步骤S201，打开激光器(6)，调整激光器(6)的工作电压、工作频率以及激光工作参数，所述激光工作参数包括激光波长和激光能量；

在步骤S202，移动高压电极(1)和接地电极(2)，使激光焦点与两个电极的圆孔中心点一条水平直线上，并手动调整高压电极(1)和接地电极(2)之间的间隙；

在步骤S203，打开激励源(8)，逐渐升高电压；

在步骤S204，当激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后，从所述接地电极(2)的圆孔穿过，并穿过所述高压电极(1)的圆孔而发生击穿时，电压测量单元(4)和电流测量单元(5)测量在激光引导下间隙放电的电压与电流；

步骤205、示波器(7)采集电压信号和电流信号，获得放电参数、激光工作参数以及不同间隙距离之间的关联特性。

优选地，在步骤202和步骤204中，所述激光器(6)发出的激光光束也可以经过所述聚焦透镜(7)后沿与所述高压电极(1)的圆孔中心点和所述接地电极(2)的圆孔中心点之间的连线垂直的方向穿过所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙。

实施例二

图3是本发明实施例二提供的具有电极间隙调整装置的测量在激光引导下间隙放电的放电参数的装置的结构图。如图3所示，所述装置包括放电电极、测量装置、激光装置、激励源和电极间隙调整装置(100)。所述装置的具体结构如下：

放电电极，其包括高压电极(1)和接地电极(2)，高压电极(1)为板形，接地电极(2)为锥形，所述高压电极(1)和接地电极(2)的中央位置设有圆孔；

测量装置，其包括示波器(3)、电压测量单元(4)和电流测量单元(5)，所述电压测量单元(4)的高压端与所述高压电极(1)连接以测量电压，所述电流测量单元(5)用于测量接地电极(2)和地连接的接地线上电流，示波器(3)用于采集电压信号和电流信号，其中，所述电压信号和电流信号是在激光引导下间隙放电的放电参数；

激光装置，其包括激光器(6)和聚焦透镜(7)，所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过；

激励源(8)，其用于为放电电极提供电源。本实施例中，激励源(8)为直流高压电源，直流高压电源的高压输出端采用电缆输出，直流高压电源为输出电压幅值可调的110kV、10kVA的直流电源。

图4是本发明实施例二提供的电极间隙调整装置的结构图。如图4所示，所述电极间隙调整装置(100)，其包括与高压电极(1)连接的第一绝缘柱(101)、与接地电极(2)连接的第二绝缘柱(102)、第一光学底座(111)、第二光学底座(112)和第三光学底座(113)，其中所述高压电极(1)与金属杆(12)相连接，所述金属杆(12)通过螺栓(13)与第一绝缘柱(101)的顶部固定连接，高压电极(1)和第一绝缘柱(101)连接处以及接地电极(2)和第二绝缘柱(102)连接处分别设有连接金属导线的金属垫片，接地电极，所述接地电极(2)通过螺栓(13)与第二绝缘柱(102)的顶部固定连接，所述第一绝缘柱(101)的底部通过螺栓(13)与第二光学底座112)相连接，所述第二绝缘柱(102)的底部通过螺栓(13)与第一光学底座(111)的上半部分相连接，所述第一光学底座(111)的下半部分和所述第二光学底座(112)通过螺栓(13)与第三光学底座(113)相连接，所述第一光学底座(111)的上半部分与下班部分可滑动连接，所述第一光学底座(111)的上半部分相对于下半部分的滑动用以调整高压电极(1)和接地电极(2)之间的间隙。第一光学底座(111)的上半部分与下半部分滑动连接的具体方式可以采用滑轮滑轨配合连接、螺杆螺纹配合连接等传统滑动连接方式，本发明对此不做限定。

优选地，所述第一光学底座(111)的一侧设有旋转旋钮(14)，通过旋转所述旋钮(14)对所述第一光学底座(111)的上半部分进行左右调整以实现对高压电极(1)和接地电极(2)之间距离的调整。

优选地，所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过的方式包括：

所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后沿与所述高压电极(1)的圆孔中心点和所述接地电极(2)的圆孔中心点之间的连线垂直的方向穿过所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙；

所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后从所述接地电极(2)的圆孔穿过，并穿过所述高压电极(1)的圆孔。

优选地，所述高压电极(1)为球形或锥形，所述接地电极(2)为板形或球形。

优选地，所述高压电极(1)和所述接地电极(2)为铜电极或不锈钢电极。

优选地，所述电压测量单元(4)采用高压探头，所述电流测量单元(5)采用罗氏线圈。

优选地，所述电压测量单元(4)还包括分压器。当电压高于20kV时，采用分压器输出电压信号。

优选地，所述激励源(8)采用直流高压电源，所述直流高压电源的高压输出端采用电缆输出。

优选地，所述激光器(6)采用纳秒脉冲固体激光器。

优选地，所述示波器(3)通过信号输入通道分别与所述电压测量单元(4)和所述电流测量单元(5)连接。

图5是本发明实施例二提供的另一个测量在激光引导下间隙放电的放电参数的方法的流程图。如图5所示，所述方法从步骤S501开始。

在步骤S501，打开激光器(6)，调整激光器(6)的工作电压、工作频率以及激光工作参数，所述激光工作参数包括激光波长和激光能量；

在步骤S502，利用电极间隙调整装置(100)调整高压电极(1)和接地电极(2)之间的间隙，并使激光焦点和两个电极的圆孔中心保持在一条水平直线上；

在步骤S503，打开激励源(8)，逐渐升高电压；

在步骤S504，当激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后，从所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙穿过并发生击穿时，电压测量单元(4)和电流测量单元(5)测量在激光引导下间隙放电的电压与电流；

步骤5、示波器(7)采集电压信号和电流信号，获得放电参数、激光工作参数以及不同间隙距离之间的关联特性。

优选地，在步骤S502和步骤S504中，所述激光器(6)发出的激光光束经过所述聚焦透镜(7)后也可以沿与所述高压电极(1)的圆孔中心点和所述接地电极(2)的圆孔中心点之间的连线垂直的方向穿过所述高压电极(1)与所述接地电极(2)之间的间隙。

已经通过上述实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该【装置、组件等】”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。