CN104779944B - 一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关及方法，面向直流高压长空气间隙，利用一束沿着电场线方向(轴向)传播的激光束和一束或多束垂直于电场线方向(径向)传播的径向激光束，在电极轴线处诱导形成一系列沿着电场线分布的初始等离子体，从而引起长空气间隙击穿。各激光束的能量、馈入间隙中的时刻、以及径向激光等离子体在轴向的位置均可通过光路系统进行调节，以配合间隙击穿时放电通道的发展。本发明通过上述设计方法，可使诱导等离子体通道的总长度更长，在间隙中的分布更加广泛，从而改善激光触发的性能。

Description

一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关及方法

技术领域

本发明属于开关装置技术领域，具体涉及一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关及方法。

背景技术

激光触发开关本质上是利用大功率脉冲激光在间隙内(或电极表面)产生等离子体，使得局部电场发生畸变从而引起整个间隙发生击穿。激光触发开关具有触发延迟和抖动小，自击穿概率低，运行稳定，适合同步触发等优点，在脉冲功率技术领域中发挥着重要的应用。世界上最大的脉冲功率装置——美国圣地亚国家实验室Z装置(26MA,100ns)，包括36台同步运行的6MV激光触发开关；我国最大的脉冲功率装置“聚龙一号”包括24台同步运行的4MV激光触发开关。

由于上述优势，激光触发间隙在电力系统中的应用前景也开始受到关注，特别是基于激光触发的百千伏至百万伏级直流高压间隙，可应用于高压脉冲形成网络的开关元件、电力设备的过电压保护间隙等系统中，从而精确地实现电流合成，或实现多间隙的同步触发等。虽然百万伏级激光触发间隙在脉冲功率领域中已成功应用，其激光触发抖动可达到纳秒级的水平，然而这类激光触发开关通常工作在密闭的高压气体环境中，激光触发间隙的距离较小(1-10cm)，激光束通常沿着电场线方向(轴向)馈入，激光焦点位于高压电极表面或电极间的绝缘气体中。在电力系统的应用中，系统储能大，间隙通过的电荷数大，通流时间长，因此通常工作在开放的空气环境中，间隙距离显著增加(10-100cm)。虽然电力系统中的应用需求对触发抖动可放宽至1-10μs，但是这时的间隙距离远大于激光等离子体长度，将减弱激光等离子体对间隙间电场畸变的效果，对间隙放电通道的引导能力也大大减弱，从而影响激光触发的性能。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提出一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关及方法，该间隙开关可改善传统激光触发方式触发高压长空气间隙时激光等离子体通道长度小、触发性能不稳定的困难。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，包括由地电极和高压极构成的高压直流空气间隙、用于建立一条轴向激光光束和至少一条径向激光光束的光路系统以及用于监测激光光束状态的监测系统；激光器产生的激光由光路系统的入射端进入，高压直流空气间隙的两端接直流高压；轴向激光光束由地电极进入高压直流空气间隙，沿高压直流空气间隙电场线的方向聚焦至高压极表面，用于诱导高压电极产生等离子体；径向激光束垂直于轴向激光束，并聚焦在高压直流空气间隙的轴线处，用于诱导空气产生等离子体，轴向激光和径向激光产生的等离子体共同诱导高压直流空气间隙发生击穿。

进一步的，监测系统包括用于记录激光波形和馈入时刻的光电二极管、用于记录激光能量的激光能量计以及用于记录激光等离子体位置的相机。

进一步的，光路系统包括设置于入射光路上的第一分束镜，第一分束镜将入射激光分为两路，一路透射光作为轴向激光束由光路系统射出，经第一反光镜反射后由第一透镜进入高压直流空气间隙，并聚焦在高压极的表面；另一路反射光经第二反射镜进入第二分束镜，第二分束镜将入射激光分为两束，一路透射光作为径向激光束经第二透镜射出，聚焦在高压直流空气间隙的轴线处；另一路反射光进入激光能量计。

进一步的，第二分束镜的反射光路上还设置有第三分束镜，第三分束镜的反射光路上还设置有第四分束镜；第二分束镜的反射光进入第三分束镜后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第三透镜射出，聚焦在高压直流空气间隙的轴线处，另一路透射光进入第四分束镜；第三分束镜的透射光进入第四分束镜后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第四透镜射出，聚焦在高压直流空气间隙的轴线处，另一路透射光进入激光能量计。

进一步的，第一分束镜的透射/反射比为1/1，第二分束镜的透射/反射比为1/4，第三分束镜的透射/反射比为1/3，第四分束镜的透射/反射比为1/2。

进一步的，地电极的中心开设有能够使轴向激光束穿过的通光孔。

进一步的，通光孔的直径为1mm。

进一步的，激光器接收数字延时发生器发出的动作命令，从而与其它系统进行时间关联。

进一步的，数字延时发生器和光电二极管均与用于测量激光信号和放电击穿信号的示波器相连。

本发明还公开了一种基于轴向和径向激光束多点触发间隙开关的方法，包括以下步骤：

1)高压直流空气间隙两端接直流高压，当动作指令到来后，触发数字延时发生器，数字延时发生器再输出信号触发激光器；动作指令与数字延时发生器输出信号间的时间间隔由数字延时发生器进行调整；

2)激光器输出纳秒高功率激光后，由光路系统分成一束沿轴向传播的轴向激光束和至少一束沿径向传播的径向激光束；轴向激光束由地电极的中心通光孔进入高压直流空气间隙后，聚焦至高压极的表面，诱导高压极产生初始等离子体；径向激光束聚焦至电极轴线上的不同位置处，诱导产生空气等离子体；在初始等离子体和多处空气等离子体的共同作用下，高压直流空气间隙发生击穿。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明激光诱导产生的等离子体可分布在间隙高压电极和地电极间区域中，每一处激光诱导等离子体的产生时刻，以及径向激光光束的轴向位置可根据放电通道的发展情况进行调整，从而改善激光触发性能；在传统的激光触发方法中，单束高功率激光聚焦后诱导靶电极或空气产生等离子体，但是早期形成的等离子体限制了后续激光进一步与靶或空气的作用，因此等离子体长度并不随着激光能量线性增长。在总激光能量一定的前提下，本发明利用激光分束镜，在多处诱导产生等离子体体，充分利用激光能量增加激光诱导等离子体的总长度，提高其对间隙中电场畸变的效果，从而改善触发性能。与放电触发的方式相比，激光器的触发抖动小于放电装置的触发抖动，激光的脉冲宽度小于放电脉冲宽度，因此有利于改善触发性能。

进一步的，本发明径向激光束，在其沿着径向方向馈入间隙前，增加了一段光程，使得径向激光束在轴向激光束通过后再形成初始等离子体，以避免径向等离子体对轴向激光传输的影响。

进一步的，本发明径向激光束的轴向位置和馈入时刻可通过激光光路进行调节，结合间隙参数设定径向激光束馈入的位置和时刻，有利于改善间隙触发性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实现环形光斑的光路示意图。

其中，1为高压直流空气间隙；2为高压直流空气间隙；3为数字延时发生器；4为光路系统；5为第一反光镜；6为第一透镜；7为光电二极管；8为示波器；9为地电极；10为高压极；11为激光能量计；12为第一分束镜；13为第二分束镜；14为第三分束镜；15为第四分束镜；16为第二反射镜；17为第二透镜；18为第三透镜；19为第四透镜；20为通光孔。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，包括由地电极9和高压极10构成的高压直流空气间隙1、用于建立一条轴向激光光束和至少一条径向激光光束的光路系统4以及用于监测激光光束状态的监测系统，地电极9的中心开设有能够使轴向激光束穿过的通光孔20，通光孔20的直径为1mm；激光器2产生的激光由光路系统4的入射端进入，高压直流空气间隙1的两端接直流高压，监测系统包括用于记录激光波形和馈入时刻的光电二极管7、用于记录激光能量的激光能量计11以及用于记录激光等离子体位置的相机；激光器2通过数字延时发生器3接收动作命令并与其它系统的时间关联；数字延时发生器3和光电二极管7均与用于测量激光信号与放电击穿信号的示波器8相连。

轴向激光光束由地电极9进入高压直流空气间隙1，沿高压直流空气间隙1电场线的方向聚焦至高压极10表面，用于诱导高压电极产生等离子体；径向激光束垂直于轴向激光束，并聚焦在高压直流空气间隙1的轴线处，用于诱导空气产生等离子体，轴向激光和径向激光产生的等离子体诱导高压直流空气间隙1发生击穿。

光路系统4包括设置于入射光路上的第一分束镜12，第一分束镜12将入射激光分为两路，一路透射光作为轴向激光束由光路系统射出，经第一反光镜5反射后由第一透镜6进入高压直流空气间隙1，并聚焦在高压极10的表面；另一路反射光经第二反射镜16进入第二分束镜13，第二分束镜13将入射激光分为两束，一路透射光作为径向激光束经第二透镜17射出，聚焦在高压直流空气间隙1的轴线处；另一路反射光进入激光能量计11。

另外，本发明在光路系统4通过设置多个分束镜产生多束径向激光束，具体结构为：在第二分束镜13的反射光路上设置第三分束镜14，第三分束镜14的透射光路上设置第四分束镜15；第二分束镜13的反射光进入第三分束镜14后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第三透镜18射出，聚焦在高压直流空气间隙1的轴线处，另一路透射光进入第四分束镜15；第三分束镜14的透射光进入第四分束镜15后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第四透镜19射出，聚焦在高压直流空气间隙1的轴线处，另一路透射光进入激光能量计11。

本发明还公开了一种基于轴向和径向激光束多点触发间隙开关的方法，包括以下步骤：

1)高压直流空气间隙1两端接直流高压，当动作指令到来后，触发数字延时发生器3，数字延时发生器再输出信号触发激光器2；动作指令与数字延时发生器3输出信号间的时间间隔由数字延时发生器进行调整；

2)激光器2输出纳秒高功率激光后，由光路系统4分成一束沿轴向传播的轴向激光束和一束或多束沿径向传播的径向激光束；轴向激光束由地电极9的中心通光孔20进入高压直流空气间隙1后，聚焦至高压极10的表面，诱导高压极10产生初始等离子体；径向激光束聚焦至电极轴线上的不同位置处，诱导产生空气等离子体；在初始等离子体和多处空气等离子体的共同作用下，高压直流空气间隙1发生击穿。

本发明的原理

本发明基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，包括一套高压直流空气间隙，一台高功率纳秒脉冲激光器，一台数字延时发生器，以及一套建立一条轴向激光光束和一条或多条径向激光光束的光路系统。间隙为直流高压长空气间隙；地电极中心有一毫米直径的通光孔可穿过激光；激光光束由高功率Nd：YAG激光器产生，激光脉宽约10ns；光路系统产生一束沿着电场线传播的激光(轴向激光束)通过地电极通光孔进入间隙，并被聚焦至高压极表面，诱导高压电极产生等离子体；同时光路系统产生另一束或多束垂直于电场线传播的激光(径向激光束)通过聚焦后，在间隙的不同轴线位置处诱导空气产生等离子体，空气等离子体与上述靶电极等离子体都位于电极中心轴线上；

径向激光束组相对于间隙高压极和地电极的位置以及它们之间的相对位置可通过光学器件进行调整；轴向激光束和各径向激光束中的激光能量可以通过调整光路系统中分束镜的分束比进行调整；轴向激光束和各径向激光束聚焦诱导产生等离子体的相对时刻可以通过各光路的延时进行调整；轴向和径向激光产生的等离子体将诱导直流间隙发生击穿。

本发明利用一组沿着电场线方向(轴向)传输的激光束和一组或多组垂直于电场线方向(径向)传输的激光束触发直流高压长空气间隙。激光器输出纳秒级高功率激光后，激光束通过由反射镜和分束镜组成的光路系统后，分束成为一束轴向激光和多束径向的激光。轴向激光束沿着电场线方向进入电极间隙后被聚焦至高压电极表面，诱导高压电极产生等离子体；径向激光束沿着垂直于电场线方向被聚焦于高压极和地电极之间的空气间隙，产生空气等离子体。在初始等离子体和多处空气等离子体的共同作用下，直流高压长空气间隙发生击穿。

轴向激光和各径向激光的馈入时刻可通过延时光路进行调节；各激光束的能量比可通过光路中分束镜的分束比进行调节。激光器可被外部电信号同步触发，输出纳秒级高功率激光束，激光束参数(脉冲波形、能量、位置等)由监测系统测量，光路系统通过绝缘支座被固定在长空气间隙周围。

参见图1，本发明包括一个直流高压空气间隙1、一台高功率Nd：YAG激光器2、一台数字延时发生器3，型号为DG535、以及一套可产生一束沿轴向方向和一束或多束沿径向聚焦激光束的光路系统4。

间隙工作在空气环境中，间隙两端充上直流高压。当动作指令(<10V的脉冲信号)到来后，触发数字延时发生器3，数字延时发生器再输出信号触发激光器2。动作指令与数字延时发生器输出信号间的时间间隔可由数字延时发生器进行调整。激光器输出纳秒高功率激光后，由光路系统4分成一束沿轴向传播的和一束或多束沿径向传播的聚焦激光束。轴向激光由地电极中心孔进入间隙后，聚焦至高压极表面，诱导高压极产生初始等离子体。径向激光束聚焦至电极轴线上的不同位置处，诱导产生空气等离子体。激光光束的状态由监测系统监测，该系统包括记录激光波形和馈入时刻的光电二极管，记录激光能量的能量计以及记录激光等离子体位置的相机。

典型光路系统见图2，主要由激光分束镜、激光反射镜和聚焦透镜组成。通过调节各分束镜的分束比可以改变各分束激光的能量，图2中为了使得四束触发激光束和进入激光能量计激光束的能量相同，分束镜1、分束镜2、分束镜3和分束镜4的透射/反射比应分别为：1/4、1/3、1/2和1/1。

如图2所示，对于径向激光束，在其沿着径向方向馈入间隙前，增加了一段光程，其目的是使得径向激光束在轴向激光束通过后再形成初始等离子体，以避免径向等离子体对轴向激光传输的影响。径向激光束的轴向位置和馈入时刻可通过激光光路进行调节，结合间隙参数设定径向激光束馈入的位置和时刻，有利于改善间隙触发性能。

如上所述，本发明的基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，结合了激光诱导初始等离子体和激光诱导空气等离子体的共同作用，激光诱导等离子体可广泛分布与空气间隙中，诱导等离子体的总长度增加，且具有引导放电通道的能力，从而有利于改善间隙的触发性能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，其特征在于：包括由地电极(9)和高压极(10)构成的高压直流空气间隙(1)、用于建立一条轴向激光光束和至少一条径向激光光束的光路系统(4)以及用于监测激光光束状态的监测系统；激光器(2)产生的激光由光路系统(4)的入射端进入，高压直流空气间隙(1)的两端接直流高压；轴向激光光束由地电极(9)进入高压直流空气间隙(1)，沿高压直流空气间隙(1)电场线的方向聚焦至高压极(10)表面，用于诱导高压电极产生等离子体；径向激光束垂直于轴向激光束，并聚焦在高压直流空气间隙(1)的轴线处，用于诱导空气产生等离子体，轴向激光和径向激光产生的等离子体共同诱导高压直流空气间隙(1)发生击穿；

所述光路系统(4)包括设置于入射光路上的第一分束镜(12)，第一分束镜(12)将入射激光分为两路，一路透射光作为轴向激光束由光路系统射出，经第一反光镜(5)反射后由第一透镜(6)进入高压直流空气间隙(1)，并聚焦在高压极(10)的表面；另一路反射光经第二反射镜(16)进入第二分束镜(13)，第二分束镜(13)将入射激光分为两束，一路透射光作为径向激光束经第二透镜(17)射出，聚焦在高压直流空气间隙(1)的轴线处；另一路反射光进入激光能量计(11)；

所述第二分束镜(13)的反射光路上还设置有第三分束镜(14)，第三分束镜(14)的反射光路上还设置有第四分束镜(15)；第二分束镜(13)的反射光进入第三分束镜(14)后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第三透镜(18)射出，聚焦在高压直流空气间隙(1)的轴线处，另一路透射光进入第四分束镜(15)；第三分束镜(14)的透射光进入第四分束镜(15)后分为两路，一路反射光作为径向激光束经第四透镜(19)射出，聚焦在高压直流空气间隙(1)的轴线处，另一路透射光进入激光能量计(11)。

2.根据权利要求1所述基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，其特征在于：所述监测系统包括用于记录激光波形和馈入时刻的光电二极管(7)、用于记录激光能量的激光能量计(11)以及用于记录激光等离子体位置的相机。

3.根据权利要求1所述基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，其特征在于：所述第一分束镜(12)的透射/反射比为1/1，第二分束镜(13)的透射/反射比为1/4，第三分束镜(14)的透射/反射比为1/3，第四分束镜(15)的透射/反射比为1/2。

4.根据权利要求1所述基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，其特征在于：所述地电极(9)的中心开设有能够使轴向激光束穿过的通光孔(20)。

5.根据权利要求4所述基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，其特征在于：所述通光孔(20)的直径为1mm。

6.根据权利要求1所述基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，其特征在于：所述激光器(2)接收数字延时发生器(3)发出的动作命令，从而与其它系统进行时间关联。

7.根据权利要求6所述基于轴向和径向激光束多点触发的间隙开关，其特征在于：所述数字延时发生器(3)和光电二极管(7)均与用于测量激光信号和放电击穿信号的示波器(8)相连。

8.一种采用权利要求1所述间隙开关的基于轴向和径向激光束多点触发间隙开关的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)高压直流空气间隙(1)两端接直流高压，当动作指令到来后，触发数字延时发生器(3)，数字延时发生器再输出信号触发激光器(2)；动作指令与数字延时发生器(3)输出信号间的时间间隔由数字延时发生器进行调整；

2)激光器(2)输出纳秒高功率激光后，由光路系统(4)分成一束沿轴向传播的轴向激光束和至少一束沿径向传播的径向激光束；轴向激光束由地电极(9)的中心通光孔(20)进入高压直流空气间隙(1)后，聚焦至高压极(10)的表面，诱导高压极(10)产生初始等离子体；径向激光束聚焦至电极轴线上的不同位置处，诱导产生空气等离子体；在初始等离子体和多处空气等离子体的共同作用下，高压直流空气间隙(1)发生击穿。