激光触发真空开关的触发特性研究

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1、分类号学号学校代码密级專肀科技大寧博士学位论文激光触发真空开关的触发特性研究学位申请人：毛晓坡学科专业：高电压与绝缘技术指导教师：何正浩教授答辩日期：年月曰ThesisSubmittedinPartialofFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringResearchontheTriggeredCharacteristicsofLaserTriggeredVacuumSwitchCandidate：：：独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成

2、果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本±论文属于保密□，在年解密后适用本授权书。

3、不保密乂请在以上方框内打学位论文作者签名：￡咬指导教师签名日期年）‘月日日期以碑华中科技大学博士学位论文摘要激光触发真空开关（结合了电气触发真空开关（和激光触发气体开关（技术，将可能是一种先进的高压强流脉冲功率控制装置，将具有通流容量大、触发机构隔离与重频触发控制方便、触发时延抖动小等显著优势。但关于的触发机理和初始等离子体特性的研究，国内外的相关研究报告不多见，研究刚刚起步，很不成熟。本文将以自行设计的激光触发真空开关为对象，进行开关的触发机理、初始等离子体特性及发展过程、主间隙引弧过程以及有关影响要素与影响机制等的实验与理论研究。针对配套激光器小型化要求，

4、对激光触发目标材料结构、激光光路与聚焦方式、激光波形参数等进行优化设计方法研究，尽可能地降低需要的激光触发能量，优化开关的工作性能。首先分析了的触发机理，分为激光烧蚀、光电效应、热离子发射、多光子电离和级联电离五种方式；对比了三种不同工作物质的激光器：固体激光器、气体激光器和染料激光器，选用固体激光器作为触发源；目标材料选择的标准是逸出功、活跃性、熔点和毒性，材料太活跃、有毒或者熔点低都不适合做目标材料。如果目标材料的逸出功小于那么选择的激光比较合适，容易发生光电效应。为了降低开关导通所需的激光能量，实验选择了和的混合物作为目标材料，选择的原因是其良好的温度蒸

5、汽压力特征（当达到一定温度时，固态材料蒸发为气态）和低电离能，钛粉的作用是吸收激光辐射。当的激光聚焦在目标材料时，钛粉吸收激光能量，将热量传递给氯化钾，氯化钾固态受热挥发成气态，在光场和电场的共同作用下，热离子发射或者多光子电离氯化钾产生初始等离子体，初始等离子体加速向电极运动，撞击电极表面，产生大量电子、金属离子和金属蒸汽，电子、金属离子和金属蒸汽在电场的作用下，进一步发生碰撞电离，释放更多的电子、离子、原子和微粒，放电通道形成，开关导通。其次设计了两种类型的激光触发真空开关，平面型和多棒型。以往的间隙距离小于，难以承受很高的电压，开关的结构设计为平面型，真

6、空电弧容易积聚，难以耐受很高的电流，本文借鉴真空触发开关的经验，将开关结构优化设计为多棒极，避免了真空电弧的集中烧蚀难题，增加了间隙距离。同时改进了目华中科技大学博士学位论文标材料的结构，将其设计为圆锥形，置于阴极之上，这样增大目标材料的受光面积，使目标材料寿命得到提高，且减少了对激光能量的要求。接着对初始等离子体的发展过程进行仿真，同时开展了两种类型开关的电场仿真。设计了初始等离子体电流测量的电路，并且分析了初始等离子体和真空电弧的发展过程。最后搭建实验平台，完成对不同目标材料及混合目标材料、通孔直径、凹榷深度、开关型式、聚焦长度、离焦量和偏振的实验，并且应

7、用了双脉冲激光器。实验发现，间隙电压、激光波长、激光能量、极性配置、开关型式、偏振作用、离焦量和聚焦长度对开关的触发特性都有影响。间隙电压越大，初始等离子体运动速度越快，形成流注放电速度越快，时延越短。不同激光波长产生初始等离子体的机理可能不同，激光能量越大，产生的初始等离子体越多。在正极性模式下，有利于形成阴极斑点，使得开关工作稳定，时延较短。多棒型不仅有利于电弧的扩散，而且独特的目标材料位置，有利于初始等离子体的发展。椭圆偏振光相比线偏振光和目标材料的相互作用更强，更有利于幵关的导通。聚焦长度越小，使得光斑面积越小，激光功率密度越大，产生的初始等离子体越多

8、。离焦量的改变，主要是影响激光光斑面积