一種激光觸發(fā)真空開關及開關系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光觸發(fā)真空開關及其觸發(fā)系統(tǒng)裝置。激光觸發(fā)真空開關包括密閉殼體、第一電極主件、第二電極主件。第一電極主件包括燃弧電極、第一電極法蘭、第一電極平臺、聚焦鏡。第二電極主件包括燃弧電極、第二電極法蘭、第二電極平臺、靶電極。觸發(fā)系統(tǒng)裝置主要包括計算機、轉換器、開關電路板、激光器和激光觸發(fā)真空開關。激光觸發(fā)真空開關的工作電壓高達30kV，工作電流高達500kA，不存在以往電脈沖觸發(fā)高壓隔離困難、觸發(fā)穩(wěn)定性差、使用壽命短等問題，能有效降低激光觸發(fā)能量，改善開關器件的延時與抖動。觸發(fā)系統(tǒng)裝置的激光器完全實現了小型化，使其配套的激光系統(tǒng)大大簡化，無需專門的電源供電器、水冷機和激光準直系統(tǒng)。
【專利說明】一種激光觸發(fā)真空開關及開關系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于高壓強流脈沖開關【技術領域】，更具體地，涉及一種激光觸發(fā)真空開關 及開關系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 脈沖功率技術是一種以較低的功率（電壓、電流）儲存電場（磁場）能量，將其以 高得多的功率變換為脈沖電磁能量并釋放到特定負載中去的電物理技術，也是納秒脈沖電 子學、通用高電壓技術和應用物理學相結合的產物。隨著其在國防和民用高科技中的迅速 發(fā)展與應用，高壓強流脈沖開關已成為制約現代脈沖功率技術發(fā)展的關鍵器件之一。如電 磁軌道炮等電能驅動武器，要求將儲能元件中的巨大能量在納秒至亞毫秒的極短時間內通 過開關釋放到負載上，開關特性與脈沖電源的輸出波形（特別是上升時間）直接關系到電 磁發(fā)射等的參數（出膛速度、膛內運行時間）控制。而高功率激光器、高能長脈沖加速器、 商功率微波武器等還要求開關具有商功率和商重復頻率。因此，重頻、商速、商壓、大電流脈 沖功率開關是國內外相關人員一直關注與致力研究發(fā)展的方向。
[0003] 目前，研究得較多的高壓強流開關主要有氣體間隙開關、半導體開關和觸發(fā)真空 開關。其中，氣體間隙開關簡便易行，通流容量大，但其欠壓比（可靠觸發(fā)導通電壓與自擊 穿電壓之比）太高，即工作電壓范圍窄，一般僅為85%?100%自擊穿電壓，使用很不方便。 半導體開關控制方便，易實現重頻觸發(fā)，但通流容量與陡度不夠，制造成本高。觸發(fā)真空開 關通流容量大，通流陡度高，欠壓比?。ㄒ话銥?%?100%自擊穿電壓），庫侖電量導通特 性好，可靠性高，對環(huán)境要求低，但其觸發(fā)時延長，抖動大，壽命與工作穩(wěn)定性差，絕緣隔離 困難，重頻觸發(fā)控制難以實現。隨著研究的深入，激光觸發(fā)氣體火花開關開始進入大家的視 野并得以應用與發(fā)展。不過其有兩大問題難以克服，一是對氣體開關觸發(fā)要求的激光能量 比較大，使得激光觸發(fā)系統(tǒng)的體積大、造價高，極大地阻礙了它的應用發(fā)展；二是它仍具有 氣體間隙開關欠壓比高的缺點。
[0004] 激光觸發(fā)真空開關將激光觸發(fā)氣體火花開關和真空開關融合在一起，結合兩者的 優(yōu)勢，通過將激光照射在靶電極上產生初始等離子體，然后在主電極電壓的作用下使開關 導通。激光觸發(fā)真空開關具有較寬的工作電壓范圍和較高的庫侖電量導通特性，并且其觸 發(fā)系統(tǒng)相對獨立，抗干擾能力強，觸發(fā)穩(wěn)定、時延短、抖動小，可實現重頻觸發(fā)。
[0005] 激光觸發(fā)真空開關雖然具有良好的前瞻優(yōu)勢，滿足高壓強流脈沖開關所要求的性 能，但目前國內外關于激光觸發(fā)真空開關的研究并不多，且大部分都處在原理性試探階段。 激光觸發(fā)真空開關一般包括第一燃弧電極、第二燃弧電極和靶電極，第一燃弧電極和第二 燃弧電極的兩個相對的端面之間留有激光觸發(fā)間隙，靶電極置于凹槽內固定，這種結構在 電極之間形成電弧時，容易對陰極表面造成較大的燒蝕，觸發(fā)形成的初始等離子到達陽極 需要更多的外界能量和時間，使得開關的延時和抖動比較大，壽命較短。此外，這種結構的 觸發(fā)間隙較?。s5_)，只有一條放電通道，承受外施電壓的范圍較窄（5?30KV)，耐流能 力不佳（能承受的最大電流約為15KA)。這些導致激光觸發(fā)真空開關觸發(fā)需要的激光能量 較大，隨之配套的激光器系統(tǒng)比較龐大，需要配置電源供電器、水冷機、激光準直系統(tǒng)等附 加裝置，價格昂貴?；谏鲜鲈颍F有的激光觸發(fā)真空開關很難用于實際應用與生產中。


【發(fā)明內容】

[0006] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種激光觸發(fā)真空開關及開 關系統(tǒng)，激光觸發(fā)真空開關的工作電壓可高達30kV，工作電流可高達500kA，不存在以往電 脈沖觸發(fā)高壓隔離困難、觸發(fā)穩(wěn)定性差、使用壽命短等嚴重制約應用的問題，能有效降低激 光觸發(fā)能量，改善開關器件的延時與抖動。開關系統(tǒng)中與激光觸發(fā)真空開關配套的激光系 統(tǒng)大大簡化，激光器完全實現了小型化，因而無需專門的電源供電器、水冷機和激光準直系 統(tǒng)，可廣泛應用于實際生產中。
[0007] 為實現上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種激光觸發(fā)真空開關，其特征 在于，包括密閉殼體、第一電極主件、第二電極主件；所述密閉殼體由絕緣外殼及設置在絕 緣外殼兩端的第一電極法蘭和第二電極法蘭構成；所述第一電極主件包括第一燃弧電極、 第一電極平臺和聚焦鏡；所述第二電極主件包括第二燃弧電極、第二電極平臺和靶電極； 所述第一電極平臺為中空的倒圓臺形，通過金屬套管固定在所述第一電極法蘭上，所述聚 焦鏡嵌在所述金屬套管內，與所述金屬套管密封接觸；所述第二電極平臺為倒圓臺形，通過 電極底柱固定在所述第二電極法蘭上；所述靶電極位于所述第二電極平臺上，與所述聚焦 鏡正對，所述聚焦鏡的焦點落在所述靶電極上。
[0008] 優(yōu)選地，所述靶電極的底面與所述第二電極平臺的表面持平。
[0009] 優(yōu)選地，所述革巴電極由金屬和1?化金屬鹽混合制成。
[0010] 優(yōu)選地，所述靶電極為圓錐型、圓臺型或方型的觸發(fā)片。
[0011] 優(yōu)選地，所述第一燃弧電極包括多個子電極，在所述第一電極平臺上沿圓周均勻 排列；所述第二燃弧電極包括多個子電極，在所述第二電極平臺上沿圓周均勻排列；所述 第一燃弧電極的多個子電極與所述第二燃弧電極的多個子電極相向延伸且相互交錯排列， 相鄰子電極的間隙寬度相等，且該間隙寬度與子電極頂端到相對的電極平臺的間隙寬度相 等，相鄰子電極的間隙和子電極頂端到相對的電極平臺的間隙構成主放電間隙。
[0012] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種開關系統(tǒng)，其特征在于，包括計算機、轉換器、 開關電路板、激光器和如權利要求1至5中任一項所述的激光觸發(fā)真空開關；所述轉換器、 所述開關電路板和所述激光器依次連接，所述激光器的輸出端通過傳輸通道對準所述激光 觸發(fā)真空開關的聚焦鏡的主光軸；所述計算機用于發(fā)送控制所述激光器按預定頻率觸發(fā)的 工作指令，所述轉換器用于接收所述計算機發(fā)出的工作指令并將其轉換成所述開關電路板 能識別的指令，所述開關電路板用于根據接收到的指令，控制所述激光器工作，使所述激光 器按預定頻率發(fā)出激光脈沖信號。
[0013] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種上述激光觸發(fā)真空開關的激光觸發(fā)方法。
[0014] 總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效 果：
[0015] 1、靶電極位于第二電極平臺上，與嵌入電極平臺中相比，有效增大了靶電極與激 光脈沖的接觸面積，縮短了靶電極與第一燃弧電極的距離，有利于降低激光觸發(fā)能量，改善 開關器件的延時與抖動，同時避免了開關導通時電弧對第二燃弧電極的燒蝕，提高了激光 觸發(fā)真空開關的穩(wěn)定性。
[0016] 2、祀電極材料為金屬和齒化金屬鹽的混合物，在金屬中摻入齒化金屬鹽，充分利 用金屬導熱性好及鹵化金屬鹽熔點低且功函數小的特點，在激光脈沖的作用下，金屬材料 受熱后迅速將熱量傳遞給鹵化金屬鹽，使其快速電離，此外，金屬和鹵化金屬鹽還會因為光 電作用逸出部分電子，有利于開關器件的觸發(fā)，從而能有效降低激光觸發(fā)能量。
[0017] 3、在激光觸發(fā)真空開關的激光照射窗口設置聚焦鏡，與靶電極正對，聚焦鏡將激 光脈沖聚焦在靶電極上，能有效降低激光觸發(fā)能量。
[0018] 4、主電極采用多電極結構，即第一燃弧電極和第二燃弧電極均由多個子電極組 成，相互交錯排列，形成主放電間隙，其空間電勢分布比較規(guī)則，真正實現了多間隙并聯的 結構設計，有利于真空電弧的轉移和擴散。電場主要集中在兩個電極包圍的空間之內，場強 大，以斜向為主，激光脈沖與靶電極相互作用產生的初始等離子體在電場的作用下以斜向 運動為主，它們與電極表面碰撞激發(fā)更多的等離子體，如此反復循環(huán)，有利于實現主間隙的 導通，導通性能更好。
[0019] 5、放電間隙距離可達15mm，耐受電壓范圍可達50V?30KV，通流能力強，可在 5KA?500KA下穩(wěn)定導通。由于所需的激光觸發(fā)能量大大降低（幾毫焦便可導通），配套的 激光系統(tǒng)大大簡化，激光器的電源電壓可低至8V?9V，因此無需專門的電源供電器、水冷 機和激光準直系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明實施例的激光觸發(fā)真空開關的結構示意圖；
[0021] 圖2是圖1所示的激光觸發(fā)真空開關沿A-A線的剖視圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明實施例的開關系統(tǒng)的結構示意圖。
[0023] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-絕緣外殼， 2_金屬屏蔽罩，3-支架，4-第一電極法蘭，5-第二電極法蘭，6-吸氣環(huán)，7-真空腔，8, 9-螺 紋孔，10-電極底柱，11-第一電極平臺，12-第二電極平臺，13-聚焦鏡，14-金屬套管， 15-靶電極，16-第一燃弧電極，17-第二燃弧電極，18-主放電間隙。

【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的激光觸發(fā)真空開關包括密閉殼體、第一電極主件和 第二電極主件。
[0026] 密閉殼體由絕緣外殼1及設置在絕緣外殼1兩端的第一電極法蘭4和第二電極法 蘭5構成。金屬屏蔽罩2通過支架3固定在絕緣外殼1內。第一電極主件包括第一燃弧電 極16、第一電極平臺11和聚焦鏡13 ;第二電極主件包括第二燃弧電極17、第二電極平臺12 和革巴電極15。
[0027] 第一電極平臺11為中空的倒圓臺形，通過金屬套管14固定在第一電極法蘭4上， 金屬套管14上設有螺紋孔8,便于激光觸發(fā)真空開關與外電路實現電氣或機械連接。聚焦 鏡13嵌在金屬套管14內，與金屬套管14密封接觸。第二電極平臺12為倒圓臺形，通過電 極底柱10固定在第二電極法蘭5上，電極底柱10上設有螺紋孔9,便于激光觸發(fā)真空開關 與外電路實現電氣或機械連接。第一電極法蘭4和第二電極法蘭5上分別設有吸氣環(huán)6,用 于吸收電弧燃燒過程中產生的氣體，維持密閉殼體內的真空腔室7的真空度，真空腔室7的 壓力為 l〇_3Pa ?10-5Pa。
[0028] 絕緣外殼1由電工絕緣材料制成。金屬屏蔽罩2用于限制電弧的燃燒范圍，避免金 屬蒸氣沉積在殼體內壁，從而使第一燃弧電極16和第二燃弧電極17保持絕緣。另外金屬 材質的屏蔽罩更利于金屬蒸氣在其表面附著，從而有效地維持開關器件內部的高真空度， 使電場保持穩(wěn)定。第一燃弧電極16和第二燃弧電極17由耐電弧燒蝕的金屬合金制成，耐 真空電弧能力強，能保證多次使用之后燒蝕情況良好。
[0029] 靶電極15為觸發(fā)片，位于第二電極平臺12上，其底面與第二電極平臺12的表面 持平。靶電極15與聚焦鏡13正對，聚焦鏡13的焦點落在靶電極15上。聚焦鏡13用于將 激光脈沖聚焦到靶電極15上，靶電極15的非嵌入式設置增大了激光脈沖與靶電極15的接 觸面積，縮短了靶電極15與第一燃弧電極16的距離，在一定的范圍內降低了需要的激光觸 發(fā)能量，避免了開關導通時電弧對電極的燒蝕，提高了激光觸發(fā)真空開關的穩(wěn)定性。觸發(fā)片 可采用多種結構類型，例如圓錐型、圓臺型或方型等。優(yōu)選地，觸發(fā)片為圓錐型結構，較其它 結構相比，圓錐型結構能更進一步降低激光觸發(fā)能量。
[0030] 靶電極15由金屬和齒化金屬鹽混合制成，金屬可以是鈦、鋁、銅、鎢等，齒化金屬 鹽可以是氯化金屬鹽、碘化金屬鹽等。例如，靶電極可由鈦和氯化鉀混合制成，在鈦中摻入 氯化鉀后，在激光脈沖的作用下，鈦受熱后迅速將熱量傳遞給氯化鉀，使其快速電離，此外， 鈦和氯化鉀還會因為光電作用逸出部分電子，有利于開關器件的觸發(fā)，從而能有效降低激 光觸發(fā)能量。靶電極的制造工藝也有相應的要求，將金屬和鹵化金屬鹽粉末置于模具中壓 制成型，施加合適的壓力，一方面使粉末材料緊密結合，另一方面不得損壞模具。
[0031] 如圖2所示，第一燃弧電極16包括多個子電極，在第一電極平臺11上沿圓周均勻 排列，第二燃弧電極17包括多個子電極，在第二電極平臺12上沿圓周均勻排列，第一燃弧 電極16的子電極與第二燃弧電極17的子電極相向延伸且相互交錯排列，各子電極的橫截 面近似為梯形。相鄰子電極的間隙寬度相等，且該間隙寬度與子電極頂端到相對的電極平 臺的間隙寬度相等，相鄰子電極的間隙和子電極頂端到相對的電極平臺的間隙構成主放電 間隙。這樣的電極結構使空間電勢分布比較規(guī)則，由于存在多個主間隙（即放電通道），真 正實現了多間隙并聯的結構設計，有利于真空電弧的轉移和擴散。第一燃弧電極16的子電 極個數和第二燃弧電極17的子電極個數可根據實際需要自行設計，優(yōu)選為2?6個。
[0032] 如圖3所示，本發(fā)明實施例的開關系統(tǒng)包括計算機、轉換器、開關電路板、激光器 和激光觸發(fā)真空開關。轉換器、開關電路板和激光器依次連接，激光器的輸出端通過傳輸通 道對準激光觸發(fā)真空開關的聚焦鏡的主光軸。計算機用于發(fā)送控制激光器按預定頻率觸發(fā) (即單位時間內發(fā)射N次激光脈沖信號）的工作指令，轉換器用于接收計算機發(fā)出的工作指 令并將其轉換成開關電路板能識別的指令，開關電路板用于根據接收到的指令，控制激光 器工作，使激光器按預定頻率發(fā)出激光脈沖信號。
[0033] 轉換器可以為接收器或單片機，當轉換器為接收器時，計算機與轉換器間的信息 傳遞通過無線電傳輸實現，當轉換器為單片機時，計算機與轉換器通過網線或光纖連接。激 光器可以采用已完成準直的軍用小型激光器，成本相對較低，且無需外加電源供電器和冷 卻系統(tǒng)。該開關系統(tǒng)可以很方便地實現遠程控制和重頻觸發(fā)。
[0034] 該開關系統(tǒng)的工作原理如下：計算機發(fā)送控制激光器按預定頻率觸發(fā)的工作指 令，轉換器接收計算機發(fā)出的工作指令并將其轉換成開關電路板可識別的指令，開關電路 板根據接收到的指令，控制激光器工作，使激光器按預定頻率發(fā)出激光脈沖信號。激光脈沖 信號經傳輸通道傳輸，沿聚焦鏡13的主光軸輸出并照射到聚焦鏡13上，經聚焦鏡13聚焦 至靶電極15上，靶電極15中的金屬材料受熱后，迅速將熱量傳遞給鹵化金屬鹽，使其快速 電離，此外，金屬和鹵化金屬鹽還會因為光電作用逸出部分電子，同時，激光脈沖和觸發(fā)片 相互作用的熱學效應也會產生負粒子（電子和負離子）。隨后，離子不斷生成形成離子流， 負粒子從陰極向陽極運動，在陽極激發(fā)出更多的正離子，正離子從陽極向陰極運動，在陰極 激發(fā)出更多的負離子、電子和中性粒子，如此循環(huán)往復，形成電流，使開關導通。
[0035] 由于激光觸發(fā)真空開關的主電極由多個子電極組成，存在多個放電通道，靶電極 產生的初始等離子體在電場的作用下運動到主電極，激發(fā)產生更多的等離子體。此外，靶電 極采用由金屬和鹵化金屬鹽混合制成的觸發(fā)片，一方面充分利用了金屬導熱性好及鹵化金 屬鹽熔點低、功函數小的特性，使得熱量可以迅速傳遞給鹵化金屬鹽，使其快速電離，同時 金屬和鹵化金屬鹽還會因為光電作用逸出部分電子，另一方面，靶電極位于第二電極平臺 上，與嵌入凹槽內的結構相比，增大了激光觸發(fā)時的有效接觸面積。這些設計都極大地降低 了激光觸發(fā)能量，改善了開關器件的延時與抖動，避免了開關導通時電弧對陰極的燒蝕，提 高了激光觸發(fā)真空開關的穩(wěn)定性能，從而使得激光觸發(fā)真空開關配套的激光系統(tǒng)得到大大 簡化，滿足技術經濟性要求，可廣泛應用于實際生產中。
[0036] 本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種激光觸發(fā)真空開關，其特征在于，包括密閉殼體、第一電極主件、第二電極主 件； 所述密閉殼體由絕緣外殼及設置在絕緣外殼兩端的第一電極法蘭和第二電極法蘭構 成；所述第一電極主件包括第一燃弧電極、第一電極平臺和聚焦鏡；所述第二電極主件包 括第二燃弧電極、第二電極平臺和靶電極；所述第一電極平臺為中空的倒圓臺形，通過金屬 套管固定在所述第一電極法蘭上，所述聚焦鏡嵌在所述金屬套管內，與所述金屬套管密封 接觸；所述第二電極平臺為倒圓臺形，通過電極底柱固定在所述第二電極法蘭上；所述靶 電極位于所述第二電極平臺上，與所述聚焦鏡正對，所述聚焦鏡的焦點落在所述靶電極上。
2. 如權利要求1所述的激光觸發(fā)真空開關，其特征在于，所述靶電極的底面與所述第 二電極平臺的表面持平。
3. 如權利要求1或2所述的激光觸發(fā)真空開關，其特征在于，所述靶電極由金屬和鹵化 金屬鹽混合制成。
4. 如權利要求1或2所述的激光觸發(fā)真空開關，其特征在于，所述靶電極為圓錐型、圓 臺型或方型的觸發(fā)片。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的激光觸發(fā)真空開關，其特征在于，所述第一燃弧電 極包括多個子電極，在所述第一電極平臺上沿圓周均勻排列；所述第二燃弧電極包括多個 子電極，在所述第二電極平臺上沿圓周均勻排列；所述第一燃弧電極的多個子電極與所述 第二燃弧電極的多個子電極相向延伸且相互交錯排列，相鄰子電極的間隙寬度相等，且該 間隙寬度與子電極頂端到相對的電極平臺的間隙寬度相等，相鄰子電極的間隙和子電極頂 端到相對的電極平臺的間隙構成主放電間隙。
6. -種開關系統(tǒng)，其特征在于，包括計算機、轉換器、開關電路板、激光器和如權利要求 1至5中任一項所述的激光觸發(fā)真空開關； 所述轉換器、所述開關電路板和所述激光器依次連接，所述激光器的輸出端通過傳輸 通道對準所述激光觸發(fā)真空開關的聚焦鏡的主光軸；所述計算機用于發(fā)送控制所述激光器 按預定頻率觸發(fā)的工作指令，所述轉換器用于接收所述計算機發(fā)出的工作指令并將其轉換 成所述開關電路板能識別的指令，所述開關電路板用于根據接收到的指令，控制所述激光 器工作，使所述激光器按預定頻率發(fā)出激光脈沖信號。
7. -種如權利要求1至5中任一項所述的激光觸發(fā)真空開關的激光觸發(fā)方法。
【文檔編號】H03K17/54GK104113314SQ201410257481
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權日:2014年6月11日
【發(fā)明者】何正浩, 樊文芳, 王英, 毛曉坡, 林華中 申請人:華中科技大學