激光觸發(fā)開關同步特性的研究

殷毅，楊杰，鐘輝煌，劉金亮，李志強，黃俊

(國防科技大學光電科學與工程學院，湖南長沙410073)

激光觸發(fā)開關同步特性的研究

殷毅，楊杰，鐘輝煌，劉金亮，李志強，黃俊

(國防科技大學光電科學與工程學院，湖南長沙410073)

利用高壓電容放電開關試驗平臺，對兩個氮氣氣體開關在266nm脈沖激光觸發(fā)作用下開關的工作特性進行了研究。實驗結果表明:兩個開關的延時、抖動隨激光能量的增加、欠壓比的增大而減小。激光能量5.5mJ時，每個開關電壓抖動時間達到了亞納秒量級，但是兩個開關的延時時間差大于1ns;當激光能量大于8mJ時，兩開關導通的延時時間差達到了亞納秒量級，可認為兩開關同步導通。

延時;抖動;同步特性;激光觸發(fā);氣體開關

1 引言

氣體火花開關結構簡單、工作電壓高，并且具有較高的dI/dt，在高功率脈沖功率系統(tǒng)中得到廣泛的應用［1-3］，其工作方式主要有自擊穿、電脈沖觸發(fā)或激光脈沖觸發(fā)［4-6］。由于激光觸發(fā)開關(LTGS)具有延遲及抖動小、預擊穿概率低、可遠程控制等優(yōu)點，是今后多臺脈沖功率裝置、多個開關同步運行的關鍵技術，因此開展激光觸發(fā)開關的研究具有重要意義。國內外對激光觸發(fā)開關開展了較多研究，如激光觸發(fā)沿面閃絡開關［7］、針對于SF6氣體的激光觸發(fā)開關的研究等等［8-10］。本文利用搭建的激光觸發(fā)開關的實驗平臺，對兩個氮氣氣體開關在266nm脈沖激光作用下，開關的同步工作特性進行了研究。

2 激光觸發(fā)開關實驗平臺

搭建了激光觸發(fā)氣體開關的實驗平臺，實驗裝置等效電路如圖1所示［11］，其中R1、R2分別為水電阻分壓器的高壓臂、低壓臂電阻，L1、L2為相應回路中電感，RL為負載電阻，C為高壓電容器，電容大小為80nF;實驗裝置結構圖如圖2所示，激光依次通過兩片全反鏡、聚焦透鏡、兩片高透光率石英玻璃后，聚焦于兩電極中心處。實驗中所使用的激光器是一臺氙燈放電泵浦、晶體電光調Q的Nd:YAG激光器，激光脈沖寬度約10ns。開關外筒內直徑為368mm，與負載相連接電極直徑為70mm，留有直徑4mm的激光通孔，另一側開關電極直徑為50mm。

圖1 激光觸發(fā)開關實驗平臺等效電路圖Fig．1Equivalent circuit of LTGS test-bed

根據(jù)靜電場條件下滿足的物理方程式(1)，利用有限元軟件對開關靜電場分布進行模擬。

式中，ε0、εr為介質的介電常數(shù)和相對介電常數(shù);V為電壓值;q為電荷。

假設左側電極電勢為600kV，右側電極接地，電極間距2.5cm，圖3給出了開關中沿著兩電極間軌跡線1、2、3上電場強度的數(shù)值大小，可以看出開關兩電極間電場基本均勻分布，右側電極中心開有直徑為4mm的激光通孔，激光通孔的存在對開關電極中心電場強度基本沒有影響，僅在靠近通孔的1～2mm處電場強度有變化。

圖2 激光觸發(fā)開關實驗平臺結構圖Fig．2Schematic of LTGS test-bed

圖3 開關中心處不同軌跡上電場強度分布Fig．3Electric field distribution along centre line of two electrodes

3 典型試驗波形以及數(shù)據(jù)處理方法

在開關電極間距1.1cm、開關內氣體為0.1MPa氮氣、自擊穿電壓約32kV時，進行了不同參數(shù)下實驗研究，主要測量了開關導通的延時和抖動。開關的延時是指激光脈沖到達時刻與放電電壓起始時刻之差，實驗中給出的延時平均值為該參數(shù)下至少十次以上數(shù)據(jù)的平均值，采用式(2)計算;開關的抖動是擊穿時延的標準差，采用式(3)計算。

式中，td為開關的平均延時時間;tdi為開關每次實驗時的延時時間;tj即為開關的抖動;n為同一條件下開關的工作次數(shù)。

圖4為實驗中典型波形，激光脈沖信號的測量采用DET210光電二極管，負載電壓測量采用具有納秒響應時間的水電阻分壓器。為保證測量結果的準確性，實驗中測量電壓與光信號的電纜長度一致。

圖4 激光觸發(fā)開關實驗典型實驗波形Fig．4Typical waveforms of LTGS

4 實驗研究

4.1 不同激光波長觸發(fā)實驗研究

在焦距72cm(532nm和1064nm激光)和64cm (266nm激光)情況下，將不同波長激光觸發(fā)下開關的工作特性進行比較，得到的延時和抖動特性如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，266nm激光觸發(fā)能量閾值明顯小于1064nm和532nm，且延時、抖動小，如對于8.5mJ@266nm激光，其延時時間為9ns，抖動在亞納秒;對于99.5mJ@532nm和107.1mJ@ 1064nm激光，其延時時間分別為10.4ns、11.8ns，抖動在亞納秒。

圖5 三個波長激光不同能量下延時對比Fig．5Delay time of LTGS with different wavelengths

4.2 兩個開關的同步觸發(fā)特性研究

圖6 三個波長激光不同能量下抖動對比Fig．6Jitter time of LTGS with different wavelengths

開關的同步性是脈沖功率裝置同步運行的關鍵技術。本文開展了單束激光分成兩束同步觸發(fā)兩個氣體開關的研究。實驗裝置示意圖如圖7所示，實物圖如圖8所示。根據(jù)前面的研究，選擇266nm激光，激光透鏡焦距64cm，進行兩開關的觸發(fā)實驗。激光光路通過等光程設計，保證激光同時到達兩開關內。通過對激光光信號和兩個開關負載上電壓進行測量，可得到兩開關的延時、抖動特性，進而分析兩開關的同步工作特性。

圖7 兩開關同步觸發(fā)實驗裝置示意圖Fig．7Schematic of synchronous operated LTGSs

實驗中所用的電容器與觸發(fā)單個開關時一致，為80nF。保持激光能量15mJ不變，在不同欠壓比(PSB)下實驗波形如圖9所示;保持開關欠壓比85%不變，不同激光能量下得到的實驗波形如圖10所示。圖中波形是利用示波器的余輝模式，重頻1Hz時，10次波形的疊加圖。圖9和圖10中納秒數(shù)表示示波器橫軸每格代表的時間。

圖8 兩開關同步觸發(fā)實驗裝置實物圖Fig．8Picture of synchronous operated LTGSs

圖9 不同欠壓比下兩負載波形Fig．9Waveforms of load voltage with different percentages of self-breakdown voltage

圖10 不同能量下兩負載波形Fig．10Waveforms of load voltage with different laser energy

假設開關1、2對應的平均延時時間分別為Td1和Td2，兩開關延時時間Td1和Td2差的絕對值表示為delt(t)。實驗中由于半透半反鏡、多個全反鏡的調節(jié)精度，以及開關結構、位置等方面不是完全一致，因此觸發(fā)兩個開關的能量會略有差別，開關1的入射激光相對開關2略大約3%，因此延時時間Td1略小于Td2。實驗中激光能量取兩開關入射能量的平均值，不同欠壓比下、不同能量下實驗數(shù)據(jù)如圖11和圖12所示。

從圖9和圖11可以看出在50%欠壓比下兩個電脈沖延時時間不一致，而且每個脈沖都存在抖動，圖中直觀表現(xiàn)就是波形重疊性不好;70%欠壓比下每個脈沖抖動基本在亞納秒，但延時時間不一致; 80%欠壓比時，兩開關延時時間趨于一致，圖中直觀表現(xiàn)就是所有波形一致性好、重疊在一起。從圖10和圖12中可以看出當激光能量5.5mJ時，每個開關電壓波形基本重合在一起，但延時時間不一致，當激光能量大于8mJ時，兩開關導通的延時時間基本一致，可認為此時兩開關同步導通。

圖11 不同欠壓比下兩開關延時Fig．11Delay times of switches with different percentages of self-breakdown voltage

圖12 不同激光能量下兩開關延時Fig．12Delay time of switches with different laser energy

5 結論

利用高壓電容放電開關試驗平臺，對兩個氮氣氣體開關在266nm脈沖激光觸發(fā)作用下開關的同步工作特性進行了研究。給出了重頻1Hz運行時，不同欠壓比、不同激光能量下的開關負載電壓波形疊加圖。通過實驗研究表明:兩個開關的延時、抖動隨激光能量的增加、欠壓比的增大而減小。激光能量5.5mJ時，每個開關電壓抖動時間達到了亞納秒量級，但是兩個開關的延時時間并不一致;當激光能量大于8mJ時，兩開關導通的延時時間小于1ns。實驗結果為今后開展多個開關的同步運行提供了參考。

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Investigation of synchronous characteristic of laser triggered gas switches

YIN Yi，YANG Jie，ZHONG Hui-huang，LIU Jin-liang，LI Zhi-qiang，HUANG Jun
(College of Opto-electric Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Using the high voltage capacitor discharge gas switch test bed，the synchronous characteristics of two nitrogen filled laser triggered gas switches are experimentally investigated．The laser pulse with wavelength of 266 nm and pulse width～10 ns is used to trigger the gas switch．The results show that the delay time and jitter time of the gas switch are both decreased as the laser energy increasing．As the percentage of self-breakdown voltage increasing，the delay and jitter time are also decreased．At the laser energy 5.5 mJ，the jitter time of the single gas switch breakdown voltage is at the range of sub-nanosecond，however，the difference of two delay times of the two switches are greater than one nanosecond．At the laser energy of 8.8 mJ，the difference of two delay times of the two switches is at the range of sub-nanosecond;therefore the two switches can be regarded as synchronously operated．

delay time;jitter time;synchronous;laser triggered;gas switch

TN242

A

1003-3076(2014)11-0056-05

2013-05-23

國家自然科學基金資助項目(11075209;11075210)

殷毅(1979-)，男，遼寧籍，副研究員，博士，研究方向為脈沖功率技術;楊杰(1985-)，男，陜西籍，博士研究生，從事高功率微波研究。