本發(fā)明屬于高壓大功率脈沖功率開關(guān)，具體涉及一種間隙非均勻的激光觸發(fā)間隙串聯(lián)多間隙真空開關(guān)。

背景技術(shù)：

1、脈沖功率技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的主要基礎(chǔ)學(xué)科之一，它是研究將低功率水平的電能儲(chǔ)存起來(lái)，并經(jīng)過(guò)快速壓縮、轉(zhuǎn)換，最后在極短的時(shí)間內(nèi)有效釋放給負(fù)載的電物理技術(shù)。脈沖功率技術(shù)的發(fā)展對(duì)我國(guó)高新科學(xué)技術(shù)研究和國(guó)防科研具有重要意義。而開關(guān)作為脈沖功率裝置的關(guān)鍵器件之一，不僅起著隔離充電回路和放電回路的作用，還起著變換脈沖波形和陡化波形的作用，開關(guān)性能的好壞直接決定了電氣設(shè)備的安全性、傳輸功率的質(zhì)量、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。隨著脈沖功率技術(shù)的迅速發(fā)展，脈沖功率裝置在集成電路、環(huán)境工程、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，這些應(yīng)用對(duì)開關(guān)性能提出了更高的要求：主要是耐高壓、短觸發(fā)時(shí)延、小型化、高重復(fù)頻率和長(zhǎng)壽命。

2、脈沖功率技術(shù)中的開關(guān)器件種類繁多，按開關(guān)功能來(lái)分，可分為閉合開關(guān)和開斷開關(guān)兩大類，本文主要研究的是閉合開關(guān)。按絕緣介質(zhì)類型劃分，閉合開關(guān)可分為氣體開關(guān)、固體開關(guān)、液體開關(guān)和等離子體開關(guān)等。真空開關(guān)作為氣體開關(guān)的一種，主間隙采用真空介質(zhì)，具有載流容量大、高絕緣和高滅弧水平等特點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)使得真空開關(guān)被廣泛地應(yīng)用在大型脈沖功率裝置中。根據(jù)開關(guān)的觸發(fā)方式不同，可以分為電脈沖觸發(fā)開關(guān)和激光脈沖觸發(fā)開關(guān)。電觸發(fā)開關(guān)是通過(guò)外加觸發(fā)電源，給觸發(fā)回路供電，觸發(fā)回路放電產(chǎn)生初始等離子體導(dǎo)通開關(guān)。電觸發(fā)開關(guān)又可分為場(chǎng)擊穿型電觸發(fā)真空開關(guān)和沿面閃絡(luò)型電觸發(fā)真空開關(guān)，其中場(chǎng)擊穿型電觸發(fā)真空開關(guān)需要較高的觸發(fā)電壓，觸發(fā)延時(shí)和時(shí)延抖動(dòng)較大，而沿面閃絡(luò)型電觸發(fā)真空開關(guān)雖然不需要很高的觸發(fā)電壓，但其在放電過(guò)程中產(chǎn)生的金屬蒸氣冷卻后會(huì)沉積在沿面材料表面，這些沉積會(huì)導(dǎo)致其觸發(fā)電壓下降，因此這種開關(guān)的壽命較短。激光觸發(fā)真空開關(guān)(laser?triggered?vacuum?switch,ltvs)綜合了真空開關(guān)技術(shù)和脈沖激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不僅獲得了激光觸發(fā)控制方式的良好控制精度和穩(wěn)定性，同時(shí)避免了氣體開關(guān)電極燒蝕嚴(yán)重、工作穩(wěn)定性差、觸發(fā)時(shí)延長(zhǎng)、觸發(fā)閾值高等問題，開關(guān)器件具有良好的導(dǎo)通特性。

3、由于真空間隙擊穿電壓與電極間距之間存在飽和效應(yīng)，導(dǎo)致ltvs的耐壓水平難以提高，目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究一般采用多個(gè)真空間隙串聯(lián)的方式解決這一問題，且大多研究是通過(guò)采用激光觸發(fā)間隙與多級(jí)自擊穿真空間隙串聯(lián)的方式提升耐壓，其工作過(guò)程為脈沖激光照射靶材產(chǎn)生初始等離子體，第一級(jí)激光觸發(fā)間隙電壓開始下降，隨后，激光觸發(fā)間隙電壓會(huì)以沖擊電壓的形式疊加至后續(xù)級(jí)聯(lián)間隙，因此，后續(xù)級(jí)聯(lián)間隙逐級(jí)導(dǎo)通的過(guò)程中會(huì)承受兩部分電壓——間隙直流工作電壓和陡峭沖擊電壓，在這兩部分工作電壓的共同作用下，串聯(lián)真空間隙逐級(jí)擊穿，最終使開關(guān)閉合。在此種開關(guān)結(jié)構(gòu)下，各間隙擊穿過(guò)程和間隙間的相互作用有關(guān)，間隙擊穿順序越靠后，疊加沖擊電壓越陡，擊穿時(shí)延越短。而前幾級(jí)真空間隙由于疊加沖擊電壓較小，擊穿時(shí)延較長(zhǎng)，使得整個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)延較長(zhǎng)，因此，需要合理設(shè)計(jì)開關(guān)結(jié)構(gòu)，注意各間隙間的配合，才能有效縮短開關(guān)導(dǎo)通時(shí)延。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種間隙非均勻的激光觸發(fā)間隙串聯(lián)多間隙的脈沖功率系統(tǒng)用多間隙真空開關(guān)，其中，從第一級(jí)間隙到最后一級(jí)間隙的間隙長(zhǎng)度采用按照一定比例逐級(jí)增大的設(shè)計(jì)方式，使得級(jí)數(shù)越靠前的真空間隙擊穿電壓越小，從而解決激光觸發(fā)多級(jí)真空開關(guān)前幾級(jí)間隙擊穿時(shí)間較長(zhǎng)的問題。該開關(guān)在提高耐壓等級(jí)的基礎(chǔ)上，降低整個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)延和抖動(dòng)，使激光觸發(fā)真空開關(guān)獲得更優(yōu)的導(dǎo)通特性；通過(guò)合理設(shè)計(jì)各間隙電極的結(jié)構(gòu)，利用各間隙磁場(chǎng)間的相互作用，可以提升開關(guān)的重頻開斷能力；通過(guò)在各間隙兩端并聯(lián)高壓無(wú)感電阻可以調(diào)控間隙間的分壓關(guān)系，使得級(jí)數(shù)越靠前的真空間隙分壓越大，從而加快間隙的擊穿時(shí)間，縮短整個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)延。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種間隙非均勻的激光觸發(fā)間隙串聯(lián)多間隙真空開關(guān)，包括激光觸發(fā)間隙、自擊穿間隙和激光觸發(fā)系統(tǒng)；

4、激光觸發(fā)間隙的陰極導(dǎo)電桿端部為螺桿結(jié)構(gòu)，多級(jí)自擊穿真空間隙的陽(yáng)極導(dǎo)電桿端部為螺母結(jié)構(gòu)，兩個(gè)間隙采用模塊式螺紋結(jié)構(gòu)連接；

5、所述的激光觸發(fā)間隙包括帶通光孔的陽(yáng)極導(dǎo)電桿、上端蓋、上絕緣外殼、下端蓋、陰極導(dǎo)電桿、帶通光孔的陽(yáng)極、帶凹槽的陰極、屏蔽罩、靶材和通光鏡片；

6、所述的通光鏡片需根據(jù)激光波長(zhǎng)選擇相應(yīng)的型號(hào)，并與帶通光孔的陽(yáng)極導(dǎo)電桿、上端蓋、上絕緣外殼、下端蓋、陰極導(dǎo)電桿組成具有一定真空度的真空腔體；

7、所述的激光觸發(fā)間隙屏蔽罩固定在上絕緣外殼內(nèi)，用于優(yōu)化激光觸發(fā)真空間隙內(nèi)的電場(chǎng)分布，并抑制電弧的噴濺；通光鏡片、帶通光孔的陽(yáng)極導(dǎo)電桿、帶通光孔的陽(yáng)極、帶凹槽的陰極和陰極導(dǎo)電桿的軸線位于同一直線上；靶材置于陰極凹槽內(nèi)，靶材表面略低于帶凹槽的陰極表面；

8、所述的多級(jí)自擊穿真空間隙包括陽(yáng)極導(dǎo)電桿、上端蓋、下絕緣外殼、下端蓋、陰極導(dǎo)電桿、屏蔽罩、支撐絕緣子和環(huán)形自擊穿電極；

9、所述的多級(jí)自擊穿真空間隙由陽(yáng)極導(dǎo)電桿、上端蓋、下絕緣外殼、下端蓋、陰極導(dǎo)電桿組成具有一定真空度的真空腔體；

10、所述的多級(jí)自擊穿真空間隙屏蔽罩固定在下絕緣外殼上，優(yōu)化多級(jí)自擊穿真空間隙內(nèi)的電場(chǎng)分布，并抑制電弧的噴濺；陽(yáng)極導(dǎo)電桿、陽(yáng)極、支撐絕緣子、環(huán)形自擊穿電極、陰極和陰極導(dǎo)電桿的軸線位于同一直線上；

11、所述串聯(lián)的多個(gè)環(huán)形自擊穿電極和支撐絕緣子固定于屏蔽罩內(nèi)部；

12、所述的支撐絕緣子為上部由圓柱狀凸起，底部有圓柱狀凹槽的帶傘裙的柱狀物，最頂部的支撐絕緣子與陽(yáng)極導(dǎo)電桿配合連接，支撐絕緣子長(zhǎng)度從第一級(jí)到最后一級(jí)按照一定比例逐級(jí)增加，各支撐絕緣子之間相互配合，將多個(gè)環(huán)形自擊穿電極內(nèi)環(huán)分別夾在中間；

13、所述的多級(jí)自擊穿陰極導(dǎo)電桿的底面帶有配合支撐絕緣子的凸起，其上端凸起經(jīng)最后一級(jí)環(huán)形自擊穿電極與支撐絕緣子底部的凹槽連接，下端穿過(guò)自擊穿下端蓋密封固定；

14、所述的串聯(lián)的環(huán)形自擊穿電極包括平板型、縱磁型、橫磁型中的一種或多種結(jié)構(gòu)的相互組合；

15、所述的環(huán)形自擊穿電極的中間空心圓直徑與支撐絕緣子上部凸起圓柱的直徑相等，電極內(nèi)環(huán)薄片厚度小于外環(huán)并與之一體連接，外環(huán)部分為主放電電極，串聯(lián)間隙導(dǎo)通后，電流通過(guò)外環(huán)部分流通，改變外環(huán)部分結(jié)構(gòu)可改變通流時(shí)間隙內(nèi)磁場(chǎng)的大小和方向，第一級(jí)環(huán)形自擊穿電極內(nèi)環(huán)夾在高壓導(dǎo)電桿和支撐絕緣子之間，以此方式串聯(lián)形成多級(jí)自擊穿真空間隙；

16、所述的激光觸發(fā)系統(tǒng)包括傳輸光纖、激光器、觸發(fā)控制器、聚焦鏡片；

17、所述的間隙非均勻的激光觸發(fā)間隙串聯(lián)多間隙真空開關(guān)在未收到觸發(fā)信號(hào)前，各間隙按分壓關(guān)系承擔(dān)靜態(tài)工作電壓，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)發(fā)出后，產(chǎn)生激光脈沖，激光脈沖經(jīng)過(guò)聚焦鏡片聚焦后，脈沖激光穿過(guò)通光鏡片轟擊靶材產(chǎn)生初始等離子體，激光觸發(fā)間隙在靜態(tài)工作電壓和初始等離子體的作用下導(dǎo)通。激光觸發(fā)間隙被觸發(fā)后，由于此時(shí)開關(guān)并未導(dǎo)通，其靜態(tài)承擔(dān)的電壓將以陡峭沖擊電壓的形式疊加至級(jí)聯(lián)間隙，由于前幾級(jí)自擊穿間隙長(zhǎng)度較短，在間隙直流工作電壓和陡峭沖擊電壓的共同作用下，前幾級(jí)自擊穿間隙優(yōu)先導(dǎo)通，串聯(lián)真空短間隙逐級(jí)發(fā)生擊穿，最終使開關(guān)閉合。

18、本發(fā)明的有益效果：

19、本發(fā)明采用激光觸發(fā)真空間隙和多級(jí)自擊穿真空間隙串聯(lián)技術(shù)，可以將開關(guān)應(yīng)用于高電壓等級(jí)、大功率脈沖功率系統(tǒng)中；自擊穿間隙的各間隙長(zhǎng)度采用逐級(jí)增大的設(shè)計(jì)方式，可以有效縮短前幾級(jí)自擊穿間隙的導(dǎo)通時(shí)間，提高開關(guān)的導(dǎo)通性能；通過(guò)在各間隙兩端并聯(lián)高壓無(wú)感電阻(耦合電阻)調(diào)控自擊穿間隙間的分壓，使得級(jí)數(shù)越靠前的真空間隙分壓越大，擊穿時(shí)間越短，進(jìn)一步加快前幾級(jí)自擊穿間隙的導(dǎo)通，使開關(guān)獲得更優(yōu)的導(dǎo)通時(shí)延；通過(guò)改變自擊穿環(huán)形電極的組合方式，利用各電極間產(chǎn)生磁場(chǎng)的相互配合，可以提升開關(guān)的重頻開斷能力。