CN104635127A - 温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统 - Google Patents
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Abstract
一种温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统，包括：飞秒激光器、透镜、金属实验箱、光束收集装置、高压电源、抽气装置、制冷装置、有机玻璃衬底、第一绝缘塑料杆、第二绝缘塑料杆和第一电极、第二电极。本发明通过调节致冷装置和抽气装置改变金属实验箱内温度和气压，通过改变激光能量、电压和电极间距，实现不同条件下的激光诱导高压放电，可模拟不同的实验环境，结构简单、调节方便、操作安全，适用于观察分析不同环境条件、不同模式下的激光诱导高压放电现象。
Description
技术领域
本发明涉及高压放电，特别是一种温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统。
背景技术
雷电是自然界最为壮观和最重要的大气现象之一，同时也是自然灾害中引起灾害最重的十大灾害之一。雷电发生的频率较高，全世界平均每分钟发生1-3次云对地闪电，50％以上的森林火灾是由雷电引发的，每年雷击造成经济损失10亿美元以上，而我国每年约有10500人死于雷击事件。因此，研究雷电的防护问题尤为重要。随着飞秒激光技术的迅猛发展，高强度飞秒激光在空气中传输可以产生一条低电阻的长程等离子体通道，又称飞秒光丝。基于飞秒光丝可以诱导高压放电的特性，利用飞秒光丝开展引雷和避雷方面的研究吸引了各国政府和研究人员的高度关注。另外，飞秒光丝诱导高压放电和传输高功率电能在军事和民用两个领域都有潜在的重要应用。因此，开展相关的基础研究和应用探索研究具有十分重要的意义。
上述应用研究的核心技术是利用飞秒光丝触发高压放电和诱导高压电能传输。一般研究飞秒激光成丝诱导高压放电的模型有针-板电极、板-板电极、针-球电极、球-球电极、板-球电极等等，一电极加高压，另一电极接地或者负高压。因此设计简易的系统来演示和研究这一重要过程，尤其是飞秒光丝传导高压电能的过程尤为关键。
雷电的形成过程受到气压、温度、湿度等环境因素的影响。直接开展激光大气引雷实验是一个庞大的多方面协助的工程，受雷暴云天气自 然条件、高脉冲能量的飞秒激光系统及雷电检测系统等多方面的限制，因此，开展前期的基础研究,如飞秒光丝诱导高压电晕放电和对地击穿放电等，无论是对于引雷，还是避雷，或者是高压电能的远程超精细传输和操控都具有重要的指导意义。因此，开展上述相关研究，需要一个专门的气压和温度可控的系统。
发明内容
本发明目的在于解决上述现有技术存在的问题，提出一种温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统，该系统结构简单，操作安全方便，可模拟不同环境、进行多模式放电研究的实验系统。
本发明的技术解决方案如下：
一种温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统，特点在于其构成包括：飞秒激光器、透镜、金属实验箱、光束收集装置、高压电源、抽气装置、制冷装置、有机玻璃衬底、第一绝缘塑料杆、第二绝缘塑料杆和第一电极、第二电极；
所述的金属实验箱由金属实验箱体和金属实验箱盖构成，所述的金属实验箱体的四个侧面的中心分别设有第一激光通光窗口、第二激光通光窗口、光谱探测窗口和放电现象观察窗口，所述的四个窗口均安装透明有机玻璃密封，所述的金属实验箱盖上设有与所述的抽气装置连接的抽气装置阀门、与所述的制冷装置连接的制冷装置阀门、供所述的高压电源的高压电缆接入的高压导线通孔。在所述的金属实验箱体的四个侧面的内壁涂有黑漆层，外壁上覆盖绝热材料，在所述的金属实验箱体的底面设有置有阵列螺孔的有机玻璃衬底，第一绝缘塑料杆和第二绝缘塑料杆分别固定在所述的绝缘有机玻璃衬底的螺孔中，第一电极经第一绝缘转换体与第一绝缘塑料螺杆固定连接，第二电极经第二绝缘转换体与 第二绝缘塑料杆固定连接；
沿所述的飞秒激光器发射的激光光束方向依次放置所述的透镜、金属实验箱和光束收集装置，使所述的透镜、金属实验箱的第一激光通光窗口的中心、第一电极的尖端、第二电极的尖端、第二激光通光窗口的中心和光束收集装置同光轴，所述的第一电极经高压电缆与所述的高压电源相连。
所述的金属实验箱体由底面和围成一圈的四侧面构成，所述的金属实验箱盖设置在所述的金属实验箱体的顶面，并通过紧固螺丝钉与金属实验箱体固定连接，两者相连部位用橡胶填充，保证密封性。
所述的金属实验箱盖上设置抽气装置阀门、制冷装置阀门和高压导线通孔，三处均用绝缘密封胶封好。
所述的抽气装置和制冷装置设有显示所述的金属实验箱内气压和温度的显示屏。
所述的四个窗口均安装有透明有机玻璃。
所述的金属实验箱安全接地且密闭。
在所述的金属实验箱盖上设有绝缘把手。
所述的绝缘塑料杆一端有螺纹，可固定于所述的绝缘有机玻璃衬底之上。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
(1)能够较好的用于激光诱导高压放电的基础研究，电极采用针-针模型有利于演示放电过程；
(2)金属实验箱内部的绝缘有机玻璃衬底、绝缘塑料杆和绝缘转换体，既实现了电极与金属箱体的有效绝缘，又能够方便调节电极与电极、电极与光丝之间的距离；
(3)能够实现不同环境、不同电压、不同能量、不同距离和多种 模式放电的基础研究：抽气装置和制冷装置能够改变金属实验箱内的气压和温度，模拟不同的环境，高压电源和飞秒激光器改变高压和激光能量，绝缘塑料杆和绝缘转换体可以改变电极间距，放电模式可以是单电极高压模式，也可以一电极高压一电极接地模式，还可以一电极高压一电极未接地模式。
附图说明
图1为本发明温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统的结构立体图；
图2为本发明中金属实验箱体纵向剖视图；
图3为本发明温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统的结构平面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图1为本发明温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统的结构立体图,如图所示，一种温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统，包括飞秒激光器1，透镜2，金属实验箱4，第一电极5，第二电极6，光束收集装置8，高压电源9，抽气装置10和制冷装置(11)。
所述的金属实验箱4由金属实验箱体17和金属实验箱盖18构成；所述的金属实验箱体17的四侧的中心分别设有第一激光通光窗口3、第二激光通光窗口7、光谱探测窗口19、放电现象观察窗口20，所述的金属实验箱盖18上设有抽气装置阀门23、制冷装置阀门24、高压导线通孔25和绝缘把手27；所述的整个金属实验箱4内壁涂有黑漆层21，外 部覆盖绝热材料22，金属实验箱4内设有绝缘有机玻璃衬底12，第一绝缘塑料杆13，第二绝缘塑料杆14；第一绝缘转换体15，第二绝缘转换体16。
所述的飞秒激光器1出来的激光经透镜2聚焦通过第一激光通光窗口3、第二激光通光窗口7进入光束收集装置8中，成丝在第一电极5和第二电极6的尖端中间，激光能量可调。
所述的第一激光通光窗口3、第二激光通光窗口7、光谱探测窗口19和放电现象观察窗口20均设置在所述的金属实验箱体17四个侧面中心，并安装透明有机玻璃保证整个所述金属实验箱4的密封性。
所述的金属实验箱盖18设置在金属实验箱体17上，二者用金属实验箱盖18边上的八个紧固螺丝钉26固定连接在一起，相连的部分有橡胶填充以保证金属试验箱4的密封性。
所述的金属实验箱盖18上设置抽气装置阀门23、制冷装置阀门24和高压导线通孔25，三处均用绝缘密封胶封好。所述的抽气装置10、制冷装置11通过所述的抽气装置阀门23和制冷装置阀门24与所述金属实验箱4相连，所述的高压电源9的高压电缆经所述的高压导线通孔25与所述的第一电极5接通。其中高压可调，所述的抽气装置10和制冷装置11均有示数显示所述的金属实验箱4内气压和温度，并可调模拟不同环境。
图2为本发明中金属实验箱体纵向剖视图，如图所示，金属实验箱体4内底部设置有一块打满螺孔的绝缘有机玻璃衬底12，所述的第一绝缘塑料杆13和第二绝缘塑料杆14一端均有螺纹，可将其固定在所述的绝缘有机玻璃衬底12上；所述的第一绝缘转换体15上面的两个通孔一个用来固定第一绝缘塑料杆13，另一个用来固定第一电极5，所述的第一电极5连接高压导线；所述的第二绝缘转换体16上面的两个通孔一个 用来固定第二绝缘塑料杆14，另一个用来固定第二电极6的，所述的第二电极6未接地或接地模式，第一电极5和第二电极6的尖端相对。通过旋转所述的第一绝缘塑料杆13、第二绝缘塑料杆14、第一电极5和第二电极6在所述的第一绝缘转换体15或第二绝缘转换体16中的位置以及第一绝缘塑料杆13和第二绝缘塑料杆14在所述的绝缘有机玻璃衬底(12)上的位置，可以三维调节电极到任何位置。
所述的金属实验箱盖18上设置有绝缘把手27，方便抬起和搬移金属实验箱盖18。所述的整个金属实验箱4是密闭且有效接地的。
经试验表明，本发明可以通过调节致冷装置和抽气装置改变金属实验箱内温度和气压，通过改变激光能量、电压和电极间距，实现不同条件下的激光诱导高压放电。可模拟不同的实验环境，结构简单、调节方便、操作安全，适用于观察分析不同环境条件、不同模式下的激光诱导高压放电现象。其实质属于高强度飞秒激光技术，适用于雷电防护、高电压控制和应用领域。
Claims (4)
1.一种温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统，特征在于其构成包括：飞秒激光器(1)、透镜(2)、金属实验箱(4)、光束收集装置(8)、高压电源(9)、抽气装置(10)、制冷装置(11)、有机玻璃衬底(12)、第一绝缘塑料杆(13)、第二绝缘塑料杆(14)和第一电极(5)、第二电极(6)；
所述的金属实验箱(4)由金属实验箱体(17)和金属实验箱盖(18)构成，所述的金属实验箱体(17)的四个侧面的中心分别设有第一激光通光窗口(3)、第二激光通光窗口(7)、光谱探测窗口(19)和放电现象观察窗口(20)，所述的四个窗口均安装透明有机玻璃密封，所述的金属实验箱盖(18)上设有与所述的抽气装置(10)连接的抽气装置阀门(23)、与所述的制冷装置(11)连接的制冷装置阀门(24)、供所述的高压电源(9)的高压电缆接入的高压导线通孔(25)，在所述的金属实验箱体(17)的四个侧面的内壁涂有黑漆层(21)，外壁上覆盖绝热材料(22)，在所述的金属实验箱体(17)的底面设有置有阵列螺孔的有机玻璃衬底(12)，第一绝缘塑料杆(13)和第二绝缘塑料杆(14)分别固定在所述的绝缘有机玻璃衬底(12)的螺孔中，第一电极(5)经第一绝缘转换体(15)与第一绝缘塑料螺杆(13)固定连接，第二电极(6)经第二绝缘转换体(16)与第二绝缘塑料杆(14)固定连接；
沿所述的飞秒激光器(1)发射的激光光束方向依次放置所述的透镜(2)、金属实验箱(4)和光束收集装置(8)，使所述的透镜(2)、金属实验箱(4)的第一激光通光窗口(3)的中心、第一电极(5)的尖端、第二电极(6)的尖端、第二激光通光窗口(7)的中心和光束收集装置(8)同光轴，所述的第一电极(5)经高压电缆与所述的高压电源(9)相连，所述的金属实验箱(4)接地且密闭。
2.根据权利要求1所述的温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统，其特征在于，所述的金属实验箱体(17)由底面和围成一圈的四侧面构成，所述的金属实验箱盖(18)设置在所述的金属实验箱体(17)的顶面，并通过紧固螺丝钉(26)与金属实验箱体(17)固定连接，两者相连部位用橡胶填充保证密封性。
3.根据权利要求1所述的温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统，其特征在于，所述的抽气装置(10)和制冷装置(11)设有显示所述的金属实验箱(4)内气压和温度的显示屏。
4.根据权利要求1所述的温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统，其特征在于，在所述的金属实验箱盖(18)上设有绝缘把手(27)。
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