CN104656461B - 一种激光触发高压开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及脉冲功率技术领域，提供了一种激光触发高压开关；所述激光触发高压开关包括激光器、光路系统和高压开关腔；其中：高压开关腔包括阴极和阳极；光路系统，用于将激光器产生的初始激光束在阴极和阳极的轴线上形成线聚焦的激光束；所述高压开关腔内充有高压气体，所述线聚焦的激光束在高压电场作用下放电，使开关导通；本发明在不破坏电极原有结构的前提下，减小开关的触发抖动时间及延迟时间，并降低触发能量。

Description

一种激光触发高压开关
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，特别涉及一种激光触发高压开关。
背景技术
激光触发气体开关是指利用激光脉冲聚焦于高压开关电极的表面或者间隙，使得焦点及其附近的绝缘气体电离形成等离子体，在电场作用下迅速发展成为火花放电通道使开关闭合。激光触发气体开关具有结构简单、抖动低、高稳定性以及与电脉冲完全隔离等优点，是实现多台脉冲源同步运行的重要技术途径，是脉冲功率技术发展的重要研究内容。
通常在脉冲功率技术中引入激光触发开关的途径有四种，如图1所示：
1)在开关电极的轴向引入激光，聚焦后焦点位于另一电极的表面；这种情况需破坏电极的原有结构，且光路调节复杂，电极表面容易烧蚀。
2)在开关电极径向引入，聚焦后焦点位于两电极之间，这种情况虽然不需破坏电极的原有结构，但由于激光为点聚焦并且位于两电极之间，需要激光的能量大，且触发抖动及延迟时间都会加大。
3)与第一种方式相似，但焦点位于另一电极内部，更容易烧蚀电极。
4)与第一种方式相似，但激光聚焦后焦点位于两电极间，存在的最主要的问题是破坏原有电极结构。
基于此，现有技术确实有待于改进。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种新的激光触发开关，在不破坏电极原有结构的前提下，减小开关的触发抖动时间及延迟时间，并降低触发能量。
为了解决上述问题，本发明提供一种激光触发高压开关，其采用的技术方案如下：
所述激光触发高压开关包括激光器、光路系统和高压开关腔；其中：高压开关腔包括阴极和阳极；
激光器，用于产生初始激光束；
光路系统，用于将初始激光束在阴极和阳极之间形成线聚焦的激光束；
所述高压开关腔(3)内充有高压气体，所述线聚焦的激光束在高压电场作用下放电，使开关导通。
优选的，所述光路系统进一步包括：准直对镜、扩束单元、透光窗以及柱透镜，其中：
准直对镜，用于将初始激光束准直在阴极和阳极之间；
扩束单元，用于将初始激光束进行扩束；
透光窗，位于高压开关腔的表面，使得扩束后的激光束进入高压开关腔内；
柱透镜，位于高压开关腔内，用于将激光束聚焦在阴极和阳极之间。
优选的，所述光路系统还包括光阑；所述光阑位于扩束单元和透光窗之间，用于调节扩束后激光束的长度。
优选的，所述光路系统，进一步用于将初始激光束在阴极和阳极的轴线上形成线聚焦的激光束。
本发明相对于现有技术，有以下优点：
(1)相比于轴向引入光路，径向引入无需破坏原有电极结构，独立、结构简单、安装便捷；
(2)相比于点聚焦，该方法在开关电极之间形成线状等离子体，在电场作用下迅速发展成为火花放电通道，使开关闭合，具有触发延迟时间短、抖动低、触发能量低等特点；
(3)激光聚焦在开关通道之间，而不是电极表面，具有对电极无损伤，能够高重复频率工作的特点。
附图说明
图1为现有技术中的四种激光触发开关方式；
图2为本发明一实施例的一种激光触发高压开关的示意图；
图3为本发明一实施例的一种激光触发高压开关的轴向切面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图2所示，本发明提供一种激光触发高压开关，包括：
激光器1、光路系统2和高压开关腔3；其中：高压开关腔3包括阴极31和阳极32；
激光器1，用于产生初始激光束；
光路系统2，用于将初始激光束在阴极31和阳极32之间形成线聚焦的激光束；
所述高压开关腔3内充有高压气体，所述线聚焦的激光束在高压电场作用下放电，使开关导通。
其工作原理如下：
激光器1产生的初始激光束经光路系统2后，阴极31和阳极32之间形成线聚焦的激光束，激光束击穿产生电子，在高压电场作用下迅速发展为火花放电通道，使开关导通。由于激光在聚焦线处形成的电弧几乎充满整个开关间隙，能够得到最小的开关延迟时间与抖动，并且不破坏原有电极结构，对电极表面无损伤。
优选的，所述光路系统2将初始激光束在阴极31和阳极32的轴线上形成线聚焦的激光束，进一步减小了开关延迟时间与抖动，并降低了触发能量。
在本发明的一个实施例中，如图3所示，所述光路系统2包括：准直对镜21、扩束单元22、透光窗23以及柱透镜24，其中：
准直对镜21，用于将初始激光束准直在阴极31和阳极32之间；优选的，准直对镜21使得初始激光束准直在阴极31和阳极32的轴线上，保证最后聚焦的线状激光束在阴极31和阳极32的轴线上。
扩束单元22，用于将初始激光束进行扩束；
透光窗23，位于高压开关腔3的表面，使得扩束后的激光束进入高压开关腔内；
柱透镜24，位于高压开关腔3内，且位于透光窗23与阴极31之间，用于将激光束聚焦在阴极31和阳极32之间。
高压开关腔3内充高压气体，气压约为1MPa；采用准直对镜21改变激光器1发出激光束的光路，利用扩束单元22将激光束扩大，通过透光窗23进入高压开关腔3内，在高压开关腔3内利用柱透镜24将激光束聚焦在阴极31和阳极32两电极的轴线上，形成线状激光束，激光束击穿产生电子，在高压电场作用下迅速发展为火花放电通道，使开关导通。
优选的，所述光路系统2还包括光阑25；所述光阑25位于扩束单元22和透光窗23之间，用于调节扩束后激光束的长度。
本发明的光路系统不限于上述结构，凡是能够实现将初始激光束在阴极31和阳极32之间形成线聚焦激光束的光路系统均满足本发明的实施要求。
本发明相对于现有技术，有以下优点：
(1)相比于轴向引入光路，径向引入无需破坏原有电极结构，独立、结构简单、安装便捷；
(2)相比于点聚焦，该方法在开关电极之间形成线状等离子体，在电场作用下迅速发展成为火花放电通道，使开关闭合，具有触发延迟时间短、抖动低、触发能量低等特点；
(3)激光聚焦在开关通道之间，而不是电极表面，具有对电极无损伤，能够高重复频率工作的特点。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种激光触发高压开关，其特征在于，所述激光触发高压开关包括激光器(1)、光路系统(2)和高压开关腔(3)；其中：
高压开关腔(3)包括阴极(31)和阳极(32)；
激光器(1)，用于产生初始激光束；
光路系统(2)，用于将初始激光束在阴极(31)和阳极(32)之间的轴线上形成线聚焦的激光束；
所述高压开关腔(3)内充有高压气体，所述线聚焦的激光束在高压电场作用下放电，使开关导通。
2.如权利要求1所述的激光触发高压开关，其特征在于，所述光路系统(2)进一步包括：准直对镜(21)、扩束单元(22)、透光窗(23)以及柱透镜(24)，其中：
准直对镜(21)，用于将初始激光束准直在阴极(31)和阳极(32)之间；
扩束单元(22)，用于将初始激光束进行扩束；
透光窗(23)，位于高压开关腔(3)的表面，使得扩束后的激光束进入高压开关腔(3)内；
柱透镜(24)，位于高压开关腔(3)内，用于将激光束聚焦在阴极(31)和阳极(32)之间。
3.如权利要求2所述的激光触发高压开关，其特征在于，所述光路系统(2)还包括光阑(25)；
所述光阑(25)位于扩束单元(22)和透光窗(23)之间，用于调节扩束后激光束的长度。
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