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低抖动激光触发伪火花开关的研究

强激光与粒子束 2024年第3期36卷 142-147页

作者：杨铭杰杨鸿飞张明瞿波中国电子科技集团公司第十二研究所北京100015

伪火花开关已经成功地应用于各种脉冲功率应用,包括欧洲大型强子对撞机、反导雷达系统、航空发动机点火等。对于这样的应用,降低开关的延迟和抖动来提升稳定性是非常重要的。设计了一种激光触发伪火花开关,使用波长532 nm的激光,在不同... 详细信息

伪火花开关已经成功地应用于各种脉冲功率应用,包括欧洲大型强子对撞机、反导雷达系统、航空发动机点火等。对于这样的应用,降低开关的延迟和抖动来提升稳定性是非常重要的。设计了一种激光触发伪火花开关,使用波长532 nm的激光,在不同气压、工作电压和触发能量下,测试激光触发伪火花开关的阳极着火延迟时间和抖动两项参数。测试结果表明,增加激光能量可以降低开关的延迟和抖动,实现开关稳定性的激光能量阈值在1.5 mJ,可以使得开关的抖动小于1 ns,继续增大触发能量,开关的延迟和抖动不再明显变化;此外,增大管内的氢气压强可降低开关的延迟和抖动;当触发能量足够大时,改变阳极电压,开关的延迟和抖动不随开关电压而改变。

关键词：激光触发伪火花开关初始等离子体时间参数工作电压

HL-2M装置初始等离子体放电磁场电源实时控制系统设计

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核聚变与等离子体物理 2021年第S2期41卷 472-476页

作者：任青华李维斌王雅丽王英翘陈宇宏韩艾玻吴一郑雪核工业西南物理研究院成都610041

为满足HL-2M装置初始等离子体放电参数的需求,根据磁场电源的主回路拓扑结构设计了一套实时控制系统。系统硬件架构基于NI PXI与CompactRIO控制器,采用基于共享内存网络的千兆光纤网络传输数据,并在本地将中控传输的控制数据处理为对应... 详细信息

为满足HL-2M装置初始等离子体放电参数的需求,根据磁场电源的主回路拓扑结构设计了一套实时控制系统。系统硬件架构基于NI PXI与CompactRIO控制器,采用基于共享内存网络的千兆光纤网络传输数据,并在本地将中控传输的控制数据处理为对应的触发脉冲,具备很强的实时性与准确性。经过首次等离子体放电实验的验证,磁场电源实时控制系统可完全满足首次等离子体放电的需求。

关键词： HL-2M装置初始等离子体实时控制晶闸管电源

激光触发真空开关的初始等离子体特性及优化设计研究

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激光触发真空开关的初始等离子体特性及优化设计研究

作者：辛轶男华中科技大学

学位级别：硕士

激光触发真空开关是应用于脉冲功率系统中的一种高压强流脉冲开关,将具有通流容量大、可重频触发、触发系统与主电路隔离、触发延迟时间小的优点。目前广泛应用的开关是电触发开关,激光触发产生的初始等离子体特性与传统电脉冲触发显著... 详细信息

激光触发真空开关是应用于脉冲功率系统中的一种高压强流脉冲开关,将具有通流容量大、可重频触发、触发系统与主电路隔离、触发延迟时间小的优点。目前广泛应用的开关是电触发开关,激光触发产生的初始等离子体特性与传统电脉冲触发显著不同,激光的引入会产生与靶电极相互作用特有的微观过程。对开关触发初始等离子体特性及其影响因素进行研究,有利于揭露激光与靶电极的作用机理,指导激光参数的设定,降低开关触发的能量阈值,减小激光系统的体积,有利于开关的小型化、通用化,推动开关的实际应用进程。首先,分析激光与物体相互作用的物理过程及等离子体的产生机制可知,在高功率激光的辐射作用下,气态、液态、固态的物质转变为等离子体态的主要机制为光电离、热电离及碰撞电离。通过电镜扫描观察触发后靶电极表面状况,利用X-射线能谱图判断触发后焦斑处残留元素的含量及比例,测量靶材的光谱透射率判断复合靶材对激光的吸收情况,可知,激光与靶电极作用时,靶电极中的金属钛吸收激光能量使得靶电极温度上升,氯化钾汽化并部分电离,形成以自由电子、氯化钾晶体产生的正负离子为主的初始等离子体。初始等离子体蒸汽在高温、高场强、强激光的环境下,通过热机制与碰撞电离机制使得气团电离程度增强,并碰撞主电极产生更多的自由电子与正负离子,最终导致激光触发真空开关导通。其次,研究激光与触发材料作用的光学过程,包括分析靶电极对激光的反射与吸收,建立靶电极三维热传导模型,分析激光引起的汽化与烧蚀现象。选取不同金属在不同波长的条件下,测量每种材料的激光触发能量阈值。将碱性卤化物等触发材料制成开关靶电极,测量开关的延迟时间,判断靶电极对开关性能的影响。通过实验研究得出结论,采用氯化钾与钛的混合物制作靶电极,可使开关触发性能最佳。然后,通过理论分析与实验研究相结合的方法,研究了激光波长、能量、脉冲波形等对初始等离子体特性的影响。建立靶电极的激光吸收率模型,据此分析波长对初始等离子体产生过程的影响,并通过实验得知,波长越短,靶电极的激光吸收率越高,产生的初始等离子体越多。建立描述靶电极吸收激光能量后的热传导方程,分析激光能量对初始等离子体数量及运动速度的影响,计算靶电极的烧蚀面积。通过实验验证可知,激光能量越大,烧蚀去除靶电极形成的初始等离子体数量越多,初始运动速度越快;由单峰与双峰脉冲的能量密度分布及等离子体的形成过程,结合等离子体屏蔽作用,分析脉冲波形对去除靶材程度的影响。通过采用不同波形的激光脉冲,测量开关的延迟时间,对比研究脉冲波形对开关导通性能的影响,可知,单峰脉冲可减少等离子体屏蔽作用的影响,可去除更多的靶材材料,形成更多初始等离子体。最后,应用本文研究得到的相关实验规律,以优化开关的触发性能为目标,对靶电极材料及结构的选择、激光参数的设定进行优化设计,提出优化方向与建议。优化方向包括靶电极颗粒粒径、材料配比、制作工艺、激光波长、能量、触发位置等。提升激光触发真空开关的导通性能,减小开关激光系统体积,与开关触发过程中的初始等离子体特性息息相关。本文通过建立靶电极热传导模型与激光吸收率模型,对靶电极与激光作用的物理过程进行了理论分析,并开展了一系列实验探究开关触发的基本规律。本文所做的研究工作,使得对开关的触发过程的研究更为清晰,为开关的优化设计与激光器的小型化奠定了基础,推进了开关的应用进程。

关键词：激光触发真空开关初始等离子体触发机理靶电极激光参数优化设计方法

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不同极性激光触发真空开关触发机制研究

电工技术学报 2020年第15期35卷 3341-3347页

作者：赵通廖敏夫陈占清范忠宪邹积岩大连理工大学电气工程学院大连116024

激光触发真空开关(LTVS)的触发特性主要取决于初始等离子体的产生及发展特性。基于可拆卸真空腔体搭建实验电路,改变激光功率密度、激光焦斑面积、电场强度、电极间距等参数,结合不同极性下LTVS内初始等离子体产生及发展过程,分析相应... 详细信息

激光触发真空开关(LTVS)的触发特性主要取决于初始等离子体的产生及发展特性。基于可拆卸真空腔体搭建实验电路,改变激光功率密度、激光焦斑面积、电场强度、电极间距等参数,结合不同极性下LTVS内初始等离子体产生及发展过程,分析相应条件下锥靶LTVS的触发特性。实验结果表明:正极性LTVS触发特性明显优于负极性LTVS。增加激光功率密度、增加激光焦斑面积、增加间隙内电场强度及缩短电极间距可有效减少LTVS触发时延。随着激光功率密度的增加,LTVS触发时延逐渐降低且趋于稳定;正负极性LTVS触发时延差距随激光功率密度增加明显减小,在激光功率密度为14.98×10~7W/cm^2时两者差距仅为6.5ns。

关键词：激光参数初始等离子体激光触发真空开关触发特性

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基于热传导模型的场击穿型触发真空开关

电工技术学报 2008年第2期23卷 82-86页

作者：廖敏夫段雄英邹积岩大连理工大学电气工程与应用电子技术系大连116024

介绍了场击穿型触发真空开关的基本结构和工作过程。从场击穿型触发真空开关场致发射击穿机理的分析出发,通过数学建模,引入热力学运动方程,建立了场击穿型触发真空开关的真空放电阴极斑点热传导模型,它可以用来描述和估算场击穿方式下... 详细信息

介绍了场击穿型触发真空开关的基本结构和工作过程。从场击穿型触发真空开关场致发射击穿机理的分析出发,通过数学建模,引入热力学运动方程,建立了场击穿型触发真空开关的真空放电阴极斑点热传导模型,它可以用来描述和估算场击穿方式下触发真空开关的时延特性。然后以初始等离子体的产生与扩展机理为重点,讨论了场击穿型触发真空开关的时延特性,进行了实验和仿真分析计算,研究表明,所建立的阴极斑点热传导模型其时延计算结果和实验数据较为吻合,证明了计算模型的正确性。

关键词：触发真空开关初始等离子体阴极斑点热传导模型时廷特性

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激光触发真空开关极性配置特性的研究

电工技术学报 2015年第14期30卷 215-219页

作者：何正浩魏良才毛晓坡王英林华中罗亚运黄倩华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室湖北省武汉市430074 国网湖北省电力公司电力科学研究院湖北省武汉市430077 华中科技大学激光技术国家重点实验室湖北省武汉市430074 南昌工程学院江西省南昌市330099

简单介绍了激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch——LTVS)的基本结构和工作原理,对初始等离子体的产生和扩展所涉及的物理过程进行详细地分析,并对其工作在不同的极性配置方式下开展了一系列实验。主要研究LTVS在不同极性... 详细信息

简单介绍了激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch——LTVS)的基本结构和工作原理,对初始等离子体的产生和扩展所涉及的物理过程进行详细地分析,并对其工作在不同的极性配置方式下开展了一系列实验。主要研究LTVS在不同极性配置方式下的导通时延大小及其分散性的关系,从而为LTVS的结构优化设计提供理论依据。实验验证了LTVS在正极性配置下的工作可靠性高、时延小,当工作在正极性配置下,有利于阴极斑点的形成,减小导通时延及其分散性,提高其可靠性,说明了等离子体的扩展过程实际上是近阴极区等离子体鞘层的增长过程。

关键词：激光触发真空开关极性配置模式导通时延抖动时延初始等离子体

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多棒型激光触发真空开关时延特性的研究

电工技术学报 2015年第5期30卷 106-110页

作者：毛晓坡何正浩王英樊文芳林华中谈发力强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉430074 激光技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉430074

介绍了激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS)的基本结构和工作原理,对初始等离子体的产生和扩展所涉及的物理过程进行详细分析,并对其工作在不同的间隙电压、激光波长、激光能量和极性配置下开展了一系列实验。通过对... 详细信息

介绍了激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS)的基本结构和工作原理,对初始等离子体的产生和扩展所涉及的物理过程进行详细分析,并对其工作在不同的间隙电压、激光波长、激光能量和极性配置下开展了一系列实验。通过对开关结构的改进提高了开关的耐流能力;间隙距离的增加,使其耐压能力得到提高;独特的触发片结构设计,降低了开关对激光能量的依赖,减少了开关的时延。

关键词：激光触发真空开关时延初始等离子体

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沿面击穿型触发真空开关的热传导模型分析

中国电机工程学报 2008年第15期28卷 118-122页

作者：廖敏夫段雄英邹积岩大连理工大学电气工程与应用电子技术系辽宁省大连市116024

介绍了沿面击穿型触发真空开关的基本结构和工作过程。从沿面击穿型触发真空开关场致发射击穿机理的分析出发,通过数学建模,引入热力学运动方程,建立了沿面型触发真空开关的真空放电阴极斑点热传导模型,它可以用来描述和估算沿面放电方... 详细信息

介绍了沿面击穿型触发真空开关的基本结构和工作过程。从沿面击穿型触发真空开关场致发射击穿机理的分析出发,通过数学建模,引入热力学运动方程,建立了沿面型触发真空开关的真空放电阴极斑点热传导模型,它可以用来描述和估算沿面放电方式下触发真空开关的时延特性。然后以初始等离子体的产生与扩展机理为重点,讨论了沿面型触发真空开关的时延特性,对于采用氢化钛作为涂敷材料的沿面击穿型触发真空开关,进行了具体的分析计算。研究表明,以所建立的阴极斑点热传导模型为基础计算得到的时延结果和Lafferty及Farrall的经典实验数据相吻合,证明了计算模型的正确性。

关键词：触发真空开关初始等离子体阴极斑点热传导模型时延特性

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激光触发真空开关的微电流研究

高压电器 2017年第3期53卷 47-50页

作者：黄祖成向彬曹祥薇宗云张予毛晓坡华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室武汉430074 广州智光电气股份有限公司广州510000 国网湖北省电力公司电力科学研究院武汉430077 武汉黄鹤楼新材料科技开发有限公司武汉430040 石家庄信息工程职业学院通信工程系石家庄050035

从微电流的角度分析激光触发真空开关(laser triggered vacuum switch,LTVS)的触发特性。通过设计微电流测试电路,在开关两端施加一定的电压,施加电压值不能使开关导通,这样可以更好的分析开关导通前,开关内部初始等离子体的发展情况。... 详细信息

从微电流的角度分析激光触发真空开关(laser triggered vacuum switch,LTVS)的触发特性。通过设计微电流测试电路,在开关两端施加一定的电压,施加电压值不能使开关导通,这样可以更好的分析开关导通前,开关内部初始等离子体的发展情况。通过实验发现,在双脉冲激光作用下,平面型LTVS的微电流随着施加电压的增加而增加,连续两次脉冲激光照射平面型LTVS的目标材料,产生更多的初始等离子体。结果表明,双脉冲激光的触发模式,有利于降低开关导通所需的触发能量,微电流的产生是ns级,使得开关可以高速稳定的导通,从而有利于开关整体装置的小型化与实用化设计。

关键词：激光触发真空开关(LTVS) 微电流初始等离子体