專利名稱:多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多通道激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)，特別適合作為脈沖功率技術(shù)中快速準(zhǔn)確觸發(fā)的閉合開關(guān)。
背景技術(shù)：
快速閉合開關(guān)是脈沖功率技術(shù)中重要的技術(shù)之一，也是目前制約脈沖功率技術(shù)發(fā)展的難題和急待解決的問(wèn)題。激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)是一種可以滿足高速、高功率要求的開關(guān)形式，是解決脈沖功率設(shè)備中快速能量傳輸和轉(zhuǎn)換的重要途徑，它的研究和發(fā)展為實(shí)現(xiàn)新型高功率窄脈沖發(fā)生器、高功率微波、介質(zhì)壁加速器提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)保障。
閉合開關(guān)有多種形式，各自有自己的特點(diǎn)和適用范圍，閃絡(luò)開關(guān)相對(duì)于氣體、真空開關(guān)，它更易于實(shí)現(xiàn)高觸發(fā)精度、快速閉合(氣體開關(guān)要實(shí)現(xiàn)這一條件必須施加極高的氣壓)；半導(dǎo)體開關(guān)在重復(fù)頻率上有優(yōu)勢(shì)，但它的通流密度無(wú)法與閃絡(luò)開關(guān)相比；而磁開關(guān)在閉合速度上處于劣勢(shì)。閃絡(luò)開關(guān)還有一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)是它可以集成在脈沖功率其它部件之上(如脈沖形成線、變壓器等)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備一體性和緊湊性，為設(shè)備的小型化、實(shí)用化提供基礎(chǔ)。
閃絡(luò)開關(guān)的研究在國(guó)外已經(jīng)展開。目前閃絡(luò)開關(guān)主要采用電觸發(fā)形式。圖1是幾種目前經(jīng)常采用的閃絡(luò)開關(guān)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，閃絡(luò)開關(guān)一般是由正負(fù)電極1、沿面絕緣介質(zhì)2、觸發(fā)電極3、均壓電極(可以沒有)和絕緣外殼4組成。工作時(shí)首先施加一個(gè)電壓在電極兩端，然后通過(guò)觸發(fā)器在觸發(fā)極加一個(gè)脈沖高電壓，引起電極間的電場(chǎng)畸變，發(fā)生閃絡(luò)，開關(guān)閉合。因?yàn)橥瑯迎h(huán)境條件下閃絡(luò)的時(shí)延小于氣體間隙放電時(shí)延，所以閃絡(luò)開關(guān)一般可以實(shí)現(xiàn)比較快的閉合速度，并且分散性小。閃絡(luò)開關(guān)除了遇見與氣體開關(guān)同樣的電極的燒蝕問(wèn)題外，還會(huì)遇到介質(zhì)表面的燒蝕、污染問(wèn)題。要解決電極的燒蝕問(wèn)題，就必須使通過(guò)電極的電流均勻，同時(shí)為了防止沿面絕緣介質(zhì)在大電流下會(huì)發(fā)生分解和被電極濺射污染，所以需要電流均勻通過(guò)，減小單位面積的通流強(qiáng)度。通過(guò)特殊的觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)的多通道同時(shí)放電，這不僅減小開關(guān)的電感，加快開關(guān)閉合速度，而且對(duì)電極損耗小，不會(huì)產(chǎn)生大量的電極材料濺射和蒸發(fā)，降低了對(duì)絕緣介質(zhì)的燒蝕和污染。采用多通道放電技術(shù)，閃絡(luò)開關(guān)的通流可達(dá)到2.5MA。但是電觸發(fā)的閃絡(luò)開關(guān)的閉合時(shí)間和抖動(dòng)都在微秒或者亞微秒量級(jí)上，要實(shí)現(xiàn)納秒、亞納秒的高精度觸發(fā)，對(duì)觸發(fā)電源的要求十分高，很難實(shí)際應(yīng)用。與電觸發(fā)形式相比，激光觸發(fā)可以輕松的實(shí)現(xiàn)快速觸發(fā)和小的抖動(dòng)。激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)在國(guó)外有初步的研究，采用NdYAG固體脈沖激光器作為觸發(fā)源，分別用波長(zhǎng)355nm、266nm的激光照射在施加有脈沖電壓(1.3μs，250kV)的絕緣介質(zhì)表面，進(jìn)行了激光觸發(fā)閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中絕緣介質(zhì)使用微堆層絕緣子，激光線狀單通道觸發(fā)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)閃絡(luò)距離為0.59cm，266nm波長(zhǎng)、能量密度50～100mJ/cm2的紫外激光照射絕緣子表面，閃絡(luò)時(shí)延為10ns，閃絡(luò)的抖動(dòng)可以達(dá)到1ns。目前只有實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還沒有出現(xiàn)產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)關(guān)于激光觸發(fā)高速沿面閃絡(luò)開關(guān)的研究還未見公開報(bào)道。從國(guó)外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用紫外波段的激光觸發(fā)閃絡(luò)可以達(dá)到不錯(cuò)的觸發(fā)效果，但采用紫外波段激光觸發(fā)，其傳輸和聚焦系統(tǒng)的價(jià)格相對(duì)于采取可見光高出很多；采用紫外波段的激光照射絕緣介質(zhì)的表面，其傷害性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見光，會(huì)影響絕緣介質(zhì)的壽命，即開關(guān)的壽命；采用單通道進(jìn)行觸發(fā)，其通流能力受到限制，一般當(dāng)電流大于1kA時(shí)，電極的濺射對(duì)絕緣介質(zhì)表面的污染和放電弧道對(duì)絕緣介質(zhì)的輻射損壞和熱破壞會(huì)迅速提高，絕緣介質(zhì)的使用壽命會(huì)大大減低。
圖2是激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)的原理圖，如圖所示當(dāng)電壓施加在電極1兩端，電極會(huì)發(fā)射電子碰撞絕緣介質(zhì)2，部分會(huì)碰撞出二次電子，如果電場(chǎng)不足的話，這種過(guò)程無(wú)法貫穿電極，不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。真空中的擊穿和閃絡(luò)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓下。此時(shí)，將一束激光6照射在絕緣介質(zhì)2表面，介質(zhì)表層會(huì)吸收激光中的能量，吸收的能量使介質(zhì)表面物質(zhì)發(fā)生快速的氣體解吸附，這樣使介質(zhì)表面的氣壓提到很高，氣體經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的擴(kuò)散，氣體的密度和電場(chǎng)條件綜合作用，達(dá)到擊穿的條件，發(fā)生閃絡(luò)。激光觸發(fā)閃絡(luò)開關(guān)是利用上述特性，引起絕緣介質(zhì)發(fā)生閃絡(luò)，開關(guān)快速閉合，可以達(dá)到納秒、亞納秒級(jí)的開關(guān)閉合速度，并且抖動(dòng)更小。
閃絡(luò)開關(guān)的壽命一直受到電極燒蝕和絕緣介質(zhì)老化損壞的限制，很難長(zhǎng)時(shí)間和重復(fù)頻率使用。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)電極燒蝕和絕緣介質(zhì)容易污染損害的缺點(diǎn)，提供一種可實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率、高速閉合和低抖動(dòng)開關(guān)的多通道激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)。
本發(fā)明采用多通道觸發(fā)技術(shù)，采用激光觸發(fā)方式。在閃絡(luò)開關(guān)的電極上施加高電壓，絕緣介質(zhì)連接正負(fù)電極。固體脈沖激光器發(fā)出的激光束，通過(guò)棱鏡組聚焦為橫跨正負(fù)電極兩端的多條平行激光線或一條激光帶，聚焦到絕緣介質(zhì)表面，引起絕緣介質(zhì)表面的快速閃絡(luò)，導(dǎo)通電路。
本發(fā)明多通道激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)可以集成到其它部件上面，減小所占用空間，提高開關(guān)的效率和性能。本發(fā)明可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行理論實(shí)驗(yàn)，也可以應(yīng)用于工程實(shí)際中要求高性能閉合開關(guān)的場(chǎng)合。
本發(fā)明多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)可以分為兩部分，一部分是放電工作部分，主要由電極、絕緣介質(zhì)、絕緣外殼(也可與其它設(shè)備集成在一起，沒有專門絕緣外殼)組成；另一部分是觸發(fā)部分，由激光器、激光傳輸系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。
電極是開關(guān)組成的重要部件，它負(fù)責(zé)向介質(zhì)兩端施加電壓，觸發(fā)后在正負(fù)電極間形成電弧通道，閉合開關(guān)。電極緊壓在絕緣介質(zhì)表面，在不破壞絕緣介質(zhì)的機(jī)械和電氣性能的基礎(chǔ)上，盡量與絕緣介質(zhì)接觸緊密，正負(fù)電極分別從開關(guān)絕緣外殼的兩側(cè)穿出，接入運(yùn)行線路。為了保證開關(guān)快速閉合電極間的距離不能太長(zhǎng)，電極的制作材料為鎢含量大于90％的銅鎢合金或碳化硅(SiC)。
絕緣介質(zhì)直接決定了開關(guān)的耐壓性能和壽命，它在開關(guān)中的主要作用是未觸發(fā)時(shí)保證開關(guān)不發(fā)生閃絡(luò)、一定程度上控制閃絡(luò)電弧通道的位置。絕緣介質(zhì)在工作時(shí)要承受高電壓，閃絡(luò)放電時(shí)的電極材料的濺射、激光輻照、電弧通道的部分熱量和電弧輻射出高能粒子的沖擊，所以要求絕緣介質(zhì)具有良好的耐閃絡(luò)強(qiáng)度、抗粒子輻射特性和熱導(dǎo)性。絕緣介質(zhì)與電極緊密接觸。絕緣介質(zhì)可以選擇聚碳酸酯、Al2O3陶瓷和微堆層絕緣子。
開關(guān)的絕緣外殼將開關(guān)的電極和絕緣介質(zhì)包圍在一定空間內(nèi)，以便采用適合放電的空間環(huán)境，如真空、高氣壓、液體等。將開關(guān)系統(tǒng)置于真空中可以減小放電對(duì)介質(zhì)的污染，更能提高開關(guān)的耐受電壓能力。開關(guān)的絕緣外殼要有與使用環(huán)境相符合的機(jī)械強(qiáng)度要求。電極伸出開關(guān)接入線路，絕緣外殼要保證兩電極間有足夠的絕緣距離。為了保證開關(guān)閉合速度足夠快，放電污染小，可重復(fù)頻率使用、并且具有高的耐受電壓，一般選擇真空環(huán)境，真空度為10-2～10-3Pa。絕緣外殼一般使用尼龍材料。絕緣外殼表面有一個(gè)投入視窗，激光從這里引入開關(guān)內(nèi)部，此投入視窗也可以作為光纖接入口。開關(guān)可能集成在其它設(shè)備上，不設(shè)專門絕緣外殼。
激光器是開關(guān)觸發(fā)的關(guān)鍵部件，它的穩(wěn)定性決定了開關(guān)觸發(fā)的穩(wěn)定性和精確性。激光器本身與開關(guān)的放電部分沒有物理接觸，可以相對(duì)隨意的選擇安放地點(diǎn)。激光器的作用是發(fā)出激光束，通過(guò)激光傳輸系統(tǒng)，聚焦系統(tǒng)照射到絕緣介質(zhì)的表面，觸發(fā)開關(guān)放電閉合。要使輸出激光可以快速觸發(fā)閃絡(luò)，并且盡可能小的損壞絕緣介質(zhì)，激光器要具有一定的能量和波長(zhǎng)，絕緣介質(zhì)表面的激光能量密度1～5mJ/mm2，波長(zhǎng)在可見光范圍并小于600nm。目前較為適宜使用的是以NdYAG為工作介質(zhì)閃光燈泵浦固體脈沖調(diào)Q激光器，輸出波長(zhǎng)532nm，能量穩(wěn)定性在5％以內(nèi)。
激光傳輸系統(tǒng)的作用是在盡可能少損失激光能量的基礎(chǔ)上，將激光器發(fā)射出的激光傳輸?shù)骄劢瓜到y(tǒng)，它和開關(guān)的放電部分沒有直接的連接。激光傳輸系統(tǒng)可以由一組光學(xué)鏡片組成或者一組光纖組成，也可以空氣和真空作為媒質(zhì)傳輸，不需要其它附屬設(shè)備，這要由激光傳輸系統(tǒng)采取的傳輸方式來(lái)決定。有三種傳輸方式一種直接在空氣中傳輸，通過(guò)投入視窗，視窗玻璃最好采用低損耗的石英玻璃，進(jìn)入開關(guān)內(nèi)，到達(dá)聚焦系統(tǒng)，要求激光在空氣中傳輸?shù)木嚯x盡可能的短；第二種方法，采用光纖傳輸，光纖進(jìn)入開關(guān)內(nèi)，到達(dá)聚焦系統(tǒng)；第三種方法是將激光器輸出口直接置于開關(guān)中，在真空內(nèi)傳輸，到達(dá)聚焦系統(tǒng)。
聚焦系統(tǒng)的作用是將激光聚焦為需要的形狀后照射到絕緣介質(zhì)表面，觸發(fā)閃絡(luò)，閉合開關(guān)。為了保證開關(guān)的快速穩(wěn)定觸發(fā)，激光聚焦形狀為帶狀或者線狀，即均勻分布的平行細(xì)線，線寬小于0.5mm，10～50條/cm。線狀激光束線的數(shù)量及帶狀激光束帶的面積根據(jù)通過(guò)電流的大小來(lái)決定，線狀焦點(diǎn)每條通道的電流小于400A，帶狀通道的電流密度小于2kA/cm2。激光束貫穿正負(fù)兩電極，輻射在絕緣介質(zhì)表面的激光能量密度在1～5mJ/mm2。聚焦系統(tǒng)采用石英棱鏡或者棱鏡組，固定在開關(guān)的透入視窗下面，也可以直接用棱鏡作為投入視窗。
控制系統(tǒng)包括激光器的觸發(fā)接口和使用開關(guān)的系統(tǒng)傳輸來(lái)的觸發(fā)要求信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)通過(guò)傳輸電纜(兩端BNC接頭，傳輸用同軸電纜)或者光纖傳輸系統(tǒng)(兩端的光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換頭、傳輸用光纖)與激光器的觸發(fā)接口(一般為BNC接口)連接。激光器的觸發(fā)要求一般是標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)(5V、大于15μs，15V、大于15μs)。
本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，利用激光的觸發(fā)絕緣介質(zhì)沿面放電實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度、快速的閉合開關(guān)性能。同時(shí)利用多通道均勻放電技術(shù)，減小單位面積內(nèi)電流通過(guò)量，來(lái)減小每條放電電弧的能量，降低其在一定面積內(nèi)輻射高能粒子的數(shù)量和電弧通道的直徑和產(chǎn)生熱量，同時(shí)多點(diǎn)放電也使電極受熱均勻，不會(huì)發(fā)生局部過(guò)熱，降低了電極燒蝕和電極材料濺射對(duì)絕緣介質(zhì)和絕緣外殼的污染，提高電極和絕緣介質(zhì)的使用壽命，也即是提高了開關(guān)的使用壽命，并且可以重復(fù)頻率使用。本發(fā)明克服現(xiàn)有脈沖功率技術(shù)中閃絡(luò)開關(guān)電極燒蝕和絕緣介質(zhì)容易損害的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了閃絡(luò)開關(guān)長(zhǎng)壽命和重復(fù)頻率的應(yīng)用。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
圖1為常用的幾種閃絡(luò)開關(guān)結(jié)構(gòu)。圖中1為正負(fù)電極、2為沿面絕緣介質(zhì)、3為觸發(fā)電極、4為絕緣外殼，5為回流電極。
圖2為激光觸發(fā)絕緣介質(zhì)沿面閃絡(luò)原理圖，圖中1為正負(fù)電極，2為沿面絕緣介質(zhì)，6為激光束。
圖3為本發(fā)明多通道激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為正負(fù)電極，2為沿面絕緣介質(zhì)，4為絕緣外殼，6為激光束，7為激光器，8為透入視窗，9為激光傳輸系統(tǒng)，10為聚焦系統(tǒng)。
圖4應(yīng)用于脈沖形成線中的多通道激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)的示意圖，圖中1為正負(fù)電極，2為絕緣介質(zhì)，6為激光束，7為激光器，9為激光傳輸系統(tǒng)，10為聚焦系統(tǒng)，11為信號(hào)傳輸線。
圖5為應(yīng)用于脈沖形成線中的另一種多通道激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)的示意圖，圖中1為正負(fù)電極，2為絕緣介質(zhì)，6為激光束，7為激光器，9為激光傳輸系統(tǒng)，10為聚焦系統(tǒng)，11為信號(hào)傳輸線。
圖6為應(yīng)用于介質(zhì)壁加速器的多通道激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)的示意圖，圖中1為正負(fù)電極，2為絕緣介質(zhì)，4為激光束，7為激光器，10為聚焦系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式如圖3所示，本發(fā)明多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)包括放電工作和觸發(fā)兩部分，放電工作部分主要由正負(fù)電極1、沿面絕緣介質(zhì)2、絕緣外殼4組成，也可與其它設(shè)備集成在一起，沒有專門的絕緣外殼4。觸發(fā)部分由激光器7、激光傳輸系統(tǒng)9、聚焦系統(tǒng)10和控制系統(tǒng)組成。電極1緊壓在絕緣介質(zhì)2表面，在不破壞絕緣介質(zhì)2的機(jī)械和電氣性能的基礎(chǔ)上，盡量與絕緣介質(zhì)2接觸緊密，正負(fù)電極1分別從開關(guān)絕緣外殼4的兩側(cè)穿出，接入運(yùn)行線路。絕緣外殼4將開關(guān)的電極1和絕緣介質(zhì)2包圍在真空環(huán)境中。電極1從絕緣外殼4的兩邊伸出，兩端口要密封，絕緣外殼4表面有一個(gè)投入視窗8，激光從投入視窗8引入開關(guān)內(nèi)部，此投入視窗8也可以作為光纖接入口。激光器7本身與開關(guān)的放電部分沒有物理接觸，可以相對(duì)隨意的選擇安放地點(diǎn)，但要求激光傳輸?shù)木嚯x盡可能的短。激光器7發(fā)出激光束6，通過(guò)激光傳輸系統(tǒng)9，從投入視窗8入射到開關(guān)內(nèi)，通過(guò)聚焦系統(tǒng)10照射到絕緣介質(zhì)2的表面，聚焦系統(tǒng)10的棱鏡一般固定在開關(guān)的透入視窗8下面，也可以用棱鏡作為投入視窗8?？刂葡到y(tǒng)的作用是接受觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)激光器，使開關(guān)開始工作。它通過(guò)傳輸電纜或者光纖傳輸系統(tǒng)降系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的觸發(fā)信號(hào)傳輸?shù)郊す馄鞯挠|發(fā)接口。
開關(guān)工作過(guò)程如下首先電壓通過(guò)電極1施加到絕緣介質(zhì)2兩端，通常在電壓還未達(dá)到峰值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向激光器7發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，激光器7工作，發(fā)射出一束或一組激光6，經(jīng)過(guò)激光傳輸系統(tǒng)9，通過(guò)投入視窗8，傳輸?shù)骄劢瓜到y(tǒng)10，激光聚焦在絕緣介質(zhì)2表面，此時(shí)充電電壓已經(jīng)快達(dá)到峰值，激光作用在絕緣介質(zhì)2表面，引發(fā)絕緣介質(zhì)2發(fā)生閃絡(luò)，開關(guān)閉合。
閃絡(luò)開關(guān)經(jīng)常與其它部件，如脈沖變壓器、脈沖形成線、傳輸線等集成在一起，達(dá)到系統(tǒng)緊湊、減小體積的效果。圖5、圖6、圖7分別顯示幾種閃絡(luò)開關(guān)集成在系統(tǒng)中的應(yīng)用。
圖4、圖5是應(yīng)用于脈沖電源中的本發(fā)明多通道激光觸發(fā)沿面閃絡(luò)開關(guān)的示意圖。它們都顯示了一種脈沖功率技術(shù)中最為常用的產(chǎn)生快速上升沿方波脈沖的脈沖電源形式。脈沖電源由初級(jí)儲(chǔ)能電源、脈沖形成線、本發(fā)明多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)和脈沖輸出系統(tǒng)組成。初級(jí)能源一般有直流電源、MARX發(fā)生器、電容放電回路加脈沖變壓器等；脈沖形成線可以用水線或者油線，現(xiàn)在還有采用固體脈沖形成線的技術(shù)；輸出系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載的不同而專門設(shè)計(jì)。采用本發(fā)明多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)作為脈沖發(fā)生器的開關(guān)，可以產(chǎn)生納秒級(jí)上升沿的高壓脈沖。工作時(shí)，初級(jí)電源先向脈沖形成線充電，形成線上的電壓傳感器采到電壓信號(hào)，一定電壓值時(shí)通過(guò)信號(hào)傳輸線11向激光器7傳輸一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，激光器7工作，發(fā)射出一束或一組激光6，經(jīng)過(guò)激光傳輸系統(tǒng)9，傳輸?shù)嚼忡R或棱鏡組(聚焦系統(tǒng))10，激光聚焦在絕緣介質(zhì)2表面為帶狀或線狀，絕緣介質(zhì)2表面的激光能量密度在1～5mJ/mm2，此時(shí)充電電壓已經(jīng)快達(dá)到峰值，激光作用在絕緣介質(zhì)2表面，介質(zhì)2發(fā)生閃絡(luò)，開關(guān)閉合，輸出一個(gè)上升沿小于10ns的高壓脈沖。
圖6為多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)在介質(zhì)壁加速器中應(yīng)用的剖面示意圖。圖6中為介質(zhì)壁加速器里面兩個(gè)單元模塊，單元模塊主要由閃絡(luò)開關(guān)、微堆層絕緣子、兩條傳輸線(一條快線、一條慢線)、束流管組成。這種加速器利用兩條傳輸線的電磁波傳播速度的不同，在傳輸線底部產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的高電壓，使在束流通道內(nèi)的電子束受到電場(chǎng)作用，加速前進(jìn)。這種結(jié)構(gòu)中的傳輸線開關(guān)要求精度極高，抖動(dòng)在1ns之內(nèi)，本發(fā)明多通道激光觸發(fā)的真空沿面閃絡(luò)開關(guān)可以滿足這一要求，并且它集成在其它部件上，結(jié)構(gòu)緊湊。工作時(shí)在前端輸入高壓脈沖的同時(shí)，通過(guò)傳輸電纜或者光纖傳輸系統(tǒng)11向每臺(tái)激光器的控制系統(tǒng)同步發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，激光器7工作，發(fā)射出一束或一組激光6，經(jīng)過(guò)激光傳輸系統(tǒng)9，傳輸?shù)嚼忡R或棱鏡組(聚焦系統(tǒng))10，激光聚焦在絕緣介質(zhì)2表面為帶狀或線狀，絕緣介質(zhì)2表面的激光能量密度在1～5mJ/mm2，此時(shí)前端輸入的高壓脈沖已經(jīng)快達(dá)到峰值，激光作用在絕緣介質(zhì)2表面，介質(zhì)2表面發(fā)生閃絡(luò)，開關(guān)閉合，傳輸線開始傳輸電磁波。幾臺(tái)激光器7同時(shí)動(dòng)作，相互之間的觸發(fā)時(shí)間相差在1ns以內(nèi)。
本發(fā)明的開關(guān)耐壓水平可以達(dá)到500kV，開關(guān)的閉合速度達(dá)到15ns，開關(guān)抖動(dòng)小于1ns，通過(guò)電流可以達(dá)到10kA，壽命超過(guò)1萬(wàn)次。
本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用在脈沖功率技術(shù)中，作為脈沖電源的開關(guān)。在各種脈沖電源中，本發(fā)明開關(guān)可以用作脈沖形成線的主開關(guān)，Marx發(fā)生器的多級(jí)開關(guān)，介質(zhì)壁加速器中傳輸線的閉合開關(guān)，超寬帶發(fā)射的輸出開關(guān)以及其它各種窄脈沖發(fā)生器的開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)，包括開關(guān)的正負(fù)電極[1]、沿面絕緣介質(zhì)[2]、開關(guān)絕緣外殼[4]，固體脈沖激光器[7]、激光傳輸系統(tǒng)[9]、聚焦系統(tǒng)[10]和控制系統(tǒng)，其特征在于正負(fù)電極[1]緊壓在絕緣介質(zhì)[2]表面，正負(fù)電極[1]分別從絕緣外殼[4]的兩側(cè)穿出，接入運(yùn)行線路，正負(fù)電極[1]伸出絕緣外殼[4]的兩端口密封；絕緣外殼[4]將正負(fù)電極[1]和絕緣介質(zhì)[2]包圍在真空環(huán)境中；絕緣外殼[4]表面有一個(gè)投入視窗[8]，聚焦系統(tǒng)[10]采用石英棱鏡或者棱鏡組，固定在投入視窗[8]下面；固體脈沖激光器[7]發(fā)出激光束[6]通過(guò)激光傳輸系統(tǒng)[9]，從投入視窗[8]入射到開關(guān)內(nèi)，通過(guò)聚焦系統(tǒng)[10]聚焦為橫跨正負(fù)電極兩端的多條平行激光線或一條激光帶[4]，照射到絕緣介質(zhì)[2]表面，引起絕緣介質(zhì)表面的快速閃絡(luò)，導(dǎo)通電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)，其特征在于固體脈沖激光器[7]輸出激光波長(zhǎng)在可見光范圍并小于600nm，通過(guò)聚焦系統(tǒng)[10]聚焦為10～50條/cm、線寬小于0.5mm、橫跨電極[1]兩端、能量密度在1～5mJ/mm2之間的平行激光線，或者是橫跨電極[1]兩端、能量密度在1～5mJ/mm2之間的激光帶；線狀激光束線的數(shù)量及帶狀激光束帶的面積根據(jù)通過(guò)電流的大小來(lái)決定，線狀焦點(diǎn)每條通道的電流小于400A，帶狀通道的電流密度小于2kA/cm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)，其特征在于絕緣介質(zhì)[2]的材料可為聚碳酸酯、Al203陶瓷和微堆層絕緣子；正負(fù)電極[1]的材料為銅鎢合金或碳化硅；正負(fù)電極[1]和絕緣介質(zhì)[2]所處之真空環(huán)境的真空度在10-2～10-3pa之間；沿面絕緣的距離在2cm以內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)，其特征在于，固體脈沖激光器[7]發(fā)出激光束[6]可采用光纖傳輸，光纖進(jìn)入開關(guān)內(nèi)，到達(dá)聚焦系統(tǒng)；還可將激光器[7]輸出口直接置于開關(guān)中，在真空內(nèi)傳輸，到達(dá)聚焦系統(tǒng)。
專利摘要
一種多通道激光觸發(fā)真空沿面閃絡(luò)開關(guān)，其特征在于絕緣介質(zhì)[2]放置于正負(fù)電極[1]之間，施加有高電壓。波長(zhǎng)532nm的固體脈沖激光器[7]發(fā)出的激光束，通過(guò)聚焦系統(tǒng)聚焦為橫跨正負(fù)電極[1]兩端的多條平行激光線或一條激光帶，聚焦到絕緣介質(zhì)[2]表面，絕緣介質(zhì)表面的激光能量密度1～5mJ/mm
文檔編號(hào)H03K17/88GK1996754SQ200610169889
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月30日
發(fā)明者王玨, 嚴(yán)萍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan