CN109378240B - 一种激光烧蚀触发薄膜开关和方波发生器 - Google Patents

Abstract

为了解决现有的用于纳秒级快前沿脉冲功率源的薄膜开关寿命短、导通稳定性和可靠性低的技术问题，本发明提供了一种激光烧蚀触发薄膜开关和方波发生器。其中，激光烧蚀触发薄膜开关包括薄膜开关底板，沿同一轴线依次设置在所述薄膜开关底板上的中空柱状阴极、绝缘薄膜和阳极；阴极一端开口，另一端封闭，且封闭端上沿阴极轴向开设有通光孔；阴极内侧壁上设有内螺纹；还包括通过激光器套筒支撑件固定支撑于薄膜开关底板上的激光器套筒、与激光器套筒一端相接的激光器套筒封盖；激光器套筒另一端与阴极螺纹连接；激光器套筒内设置有激光器；激光器的出光口位置与阴极上的通光孔相对应。

Description

一种激光烧蚀触发薄膜开关和方波发生器

技术领域

本发明涉及一种闭合开关装置，具体涉及一种适用于快前沿脉冲功率设备的薄膜开关和方波发生器。

背景技术

利用储能器件储能后通过输出开关闭合放电来产生快前沿脉冲是目前较为常见的脉冲功率装置技术方案。其中，闭合开关是脉冲功率装置的重要组成部件，其导通时间、击穿稳定性以及回路电感都将直接影响脉冲功率装置的输出参数。

常见的用于脉冲功率装置的闭合开关主要有气体开关、半导体开关和绝缘薄膜开关。气体开关通过改变气压，可产生高幅值脉冲，但由于气压与气体击穿的关系不严格遵守线性关系，因此输出稳定性差，且操作复杂；半导体开关常用于重频脉冲源中，开断稳定性好，但输出幅值较低、上升时间较长。相较而言，绝缘薄膜开关具有耐压高、电感低的特点，适用于纳秒级快前沿的高压脉冲功率源。

申请号为2014200582474的中国专利中公开了一种基于薄膜开关的全自动方波发生器，该发生器中采用了金属细针穿过阴极，刺破绝缘薄膜进行触发的薄膜开关。但是这种机械触发结构易出现卡针现象，且在多次使用后针尖老化变钝，影响触发结构的稳定性和可靠性。同时，金属细针在触发过程中会改变开关电场分布，影响开关导通性能。

发明内容

为了解决现有的用于纳秒级快前沿脉冲功率源的薄膜开关寿命短、导通稳定性和可靠性低的技术问题，本发明提供了一种激光烧蚀触发薄膜开关和方波发生器。

本发明的技术方案为：

一种激光烧蚀触发薄膜开关，包括薄膜开关底板，以及沿同一轴线依次设置在所述薄膜开关底板上的阴极、绝缘薄膜和阳极；

其特殊之处在于：

所述阴极为中空柱状结构，一端为开口端，另一端为封闭端；阴极的封闭端上沿阴极的轴向开设有通光孔；阴极的内侧壁上设置有内螺纹；

还包括通过激光器套筒支撑件固定支撑于所述薄膜开关底板上的激光器套筒、与激光器套筒其中一端相接的激光器套筒封盖；

所述激光器套筒另一端的外侧壁上，与所述阴极配合处设置有外螺纹，激光器套筒与阴极通过螺纹副连接；

激光器套筒内设置有激光器；所述激光器的出光口位置与阴极上的通光孔相对应。

进一步地，激光器出光口处设置有调焦透镜，调焦透镜用于使得绝缘薄膜上的光斑直径小于0.5mm。

进一步地，阳极外依次套装有阳极同轴绝缘子和阳极接地套筒，三者构成前端尺寸大，后端尺寸小的渐变同轴结构；阴极外套装有阴极固定装置，阴极与阴极固定装置间通过铍铜簧片保持紧密电连接；阴极固定装置与阳极接地套筒通过接地连接片联接。

进一步地，所述激光器采用波长452nm、功率3W的二极管激光器。

进一步地，阴极固定装置、阳极接地套筒、阴极和阳极均采用黄铜制成。

进一步地，阳极同轴绝缘子采用尼龙制成。

进一步地，绝缘薄膜采用棕色聚酰亚胺薄膜。

本发明同时提供了一种方波发生器，其特殊之处在于：包括上述的激光烧蚀触发薄膜开关。

本发明的有益效果在于：

1、采用激光烧蚀代替机械触发，触发过程中不会出现触发针卡在阴极孔内的现象，保障了触发功能可靠性；同时，触发激光与高压电极间不存在电接触，不会改变电场分布，提高了闭合开关导通可靠性。

2、由于薄膜的厚度在几十微米量级，两电极距离非常近，开关结构电感小，有利于减小脉冲功率源输出电压的上升时间；同时由于薄膜烧蚀区直径很小，击穿后的火花电感也很小，有利于进一步缩短输出波形的上升时间；实际应用中采用本发明的方波发生器可实现幅值10kV、前沿小于1ns的方波脉冲输出。

3、激光烧蚀的触发结构不存在针尖使用后变钝老化现象，提高了薄膜开关的寿命。

附图说明

图1为本发明激光烧蚀触发薄膜开关的结构示意图。

图2为图1中A-A剖视图。

图3为具有本发明的方波发生器的电路原理图。

图4为采用本发明的方波发生器的实际产生波形。

附图标记说明：

1-直流电源，2-充电电阻，3-第一传输线、4-负载电阻、5-第二传输线，6-薄膜开关(输出开关)，7-结构电感，8-弹簧连接支撑结构，9-激光器套筒封盖，10-激光器套筒，11-激光器，12-激光器套筒支撑件，13-阴极固定装置，14-铍铜簧片，15-接地连接片，16-阴极，17-通光孔，18-绝缘薄膜，19-阳极支撑件，20-阳极接地套筒，21-阳极同轴绝缘子，22-阳极。

具体实施方式

参照图1，本发明所提供的激光烧蚀触发薄膜开关包括：弹簧连接支撑结构8、激光器套筒封盖9、激光器套筒10、激光器11、激光器套筒支撑件12、阴极固定装置13、铍铜簧片14、接地连接片15、阴极16、通光孔17、绝缘薄膜18、阳极支撑件19、阳极接地套筒20、阳极同轴绝缘子21和阳极22。

激光器11、阴极16、绝缘薄膜18和阳极22沿同一轴线依次设置；激光器11可选用波长452nm、功率3W的二极管激光器；

在出光口处集成调焦透镜，保证激光聚焦后在绝缘薄膜18上产生的光斑直径小于0.5mm，因为激光光斑直径越小，能量密度越高，烧蚀速度越快，也就是击穿速度快；激光光斑直径越小，烧蚀区域面积小，则放电电弧小，放电电感低，有利于减小上升时间；根据大量实验得知，当光斑直径约为1mm时，产生的波形前沿较为缓慢；而当光斑直径小于0.5mm时，可得到理想波形。

绝缘薄膜18应满足两个条件：1、击穿电压高；2、能够耦合激光能量，因此绝缘薄膜18采用棕色聚酰亚胺薄膜(如果为无色透明薄膜，则激光能量会透过薄膜，无法起到烧蚀作用，因此选用颜色深或透明度低的薄膜才能与激光耦合，例如棕色)；阴极16和阳极22均使用黄铜加工制作；

阴极16为中空柱状结构，一端为开口端，另一端为封闭端；阴极16的封闭端上沿阴极16的轴向开设有通光孔17；阴极16的内侧壁上设置有内螺纹；

激光器套筒10通过激光器套筒支撑件12支撑固定于薄膜开关底板上(薄膜开关底板图1中未示出)，激光器套筒10的一端与底端具有通孔的激光器套筒封盖9通过螺纹副连接，激光器套筒10的另一端伸入阴极16内，与阴极16螺纹连接；激光器套筒10内部可根据激光器11的尺寸加工成如图2所示，使激光器11出光口始终对准阴极16上的通光孔17，同时满足激光器11的散热需求；阳极接地套筒20、阳极同轴绝缘子21和阳极22从外至里依次设置，三者构成渐变同轴结构，前端尺寸较大，以满足同轴绝缘子沿面绝缘要求，后端尺寸较小，便于与标准同轴线连接；前端到后端的尺寸应渐变，否则会引起同轴电缆阻抗突变，影响波形传输；渐变同轴结构的末端可连接同轴电缆将电压波引出；阳极接地套筒20通过阳极支撑件19固定支撑于薄膜开关底板上；阳极同轴绝缘子21使用尼龙加工制作。

阴极固定装置13为圆环形，内嵌铍铜簧片14，利用铍铜簧片14的弹性使阴极16在插入后与阴极固定装置13既保持紧密电接触，又能完成更换绝缘薄膜时阴极16相对于阴极固定装置13的左右移动。阴极固定装置13与阳极接地套筒20间依靠接地连接片15联接，保证阴极固定装置13、阴极15及阳极接地套筒20均接至同一地电位且具有很小的接地电感(nH量级)；阴极固定装置13、阳极接地套筒20均使用黄铜加工制作。

弹簧连接支撑结构8将一弹簧固定设置于激光器11的底部，弹簧的一端与弹簧连接支撑结构8相连，弹簧的另一端穿过激光器套筒封盖9底部通孔后与激光器11相连；弹簧连接支撑结构8一方面可用于支撑激光器套筒10及其内部的激光器11保持水平，以保证出光方向水平，另一方面，在开关触发后绝缘薄膜18需要更换，这时需要把阴极16和阳极22分开，此时拉动激光器套筒10带动阴极固定装置13和阴极16向图1中左方移动，即可实现换膜。弹簧连接支撑结构8也可用电磁铁结构替代，实现自动控制换膜。

薄膜开关工作时，阳极22已加上充电电压，阴极固定装置13、阴极16与阳极接地套筒20接地，绝缘薄膜18设置在阴极16与阳极22之间，承受充电电压。此时由于绝缘薄膜18的击穿电压高于充电电压，薄膜开关两电极间保持绝缘良好。装入激光器11前，经过调焦，使其出光焦点聚焦在绝缘薄膜18上，这样，其光斑能量密度很大，足以使绝缘薄膜光斑处的温度急剧上升并被烧穿。此时绝缘薄膜18绝缘性能遭到破坏，两电极在薄膜烧蚀处击穿，开关闭合。

参照图3，为本发明所提供的薄膜开关在方波发生器中的实际应用示例。本发明的薄膜开关6(输出开关)设置在两根等长的同轴传输线3和5的末端。首先由直流电源1通过充电电阻2向传输线3和5充电至预定电压，之后薄膜开关6被激光触发导通，在传输线上产生反向电压波。由波过程可知在负载电阻4上可产生一个幅值为充电电压、半宽为波在传输线3或5上的传输时间的两倍的方波。该方波波形前沿、波形平整度等由薄膜开关6的导通时间、结构电感7以及电路其他杂散参数共同确定。

图4所示为采用本发明的方波发生器实际产生波形。按照脉冲上升时间定义(电压幅值从峰值的10％上升到90％的时间)，在图4中标注了电压幅值为峰值10％和90％的时间，可以看出，该方波发生器产生方波上升时间小于1ns，峰值8kV。

在脉冲功率装置中，脉冲上升时间和电压峰值是两个主要参考指标。脉冲上升时间越小、电压峰值越高，装置研制难度越大。而决定这两个参数的关键部件就是闭合开关。从已得到的数据可以说明，该开关性能已达到国内先进水平。同时，在多次实验中，开关运行稳定性较高。

Claims (7)

1.一种激光烧蚀触发薄膜开关，包括薄膜开关底板，以及沿同一轴线依次设置在所述薄膜开关底板上的阴极(16)、绝缘薄膜(18)和阳极(22)；

其特征在于：

所述阴极(16)为中空柱状结构，一端为开口端，另一端为封闭端；阴极(16)的封闭端上沿阴极(16)的轴向开设有通光孔(17)；阴极(16)的内侧壁上设置有内螺纹；

还包括通过激光器套筒支撑件(12)固定支撑于所述薄膜开关底板上的激光器套筒(10)、与激光器套筒(10)其中一端相接的激光器套筒封盖(9)；

所述激光器套筒(10)另一端的外侧壁上，与所述阴极(16)配合处设置有外螺纹，激光器套筒(10)与阴极(16)通过螺纹副连接；

激光器套筒(10)内设置有激光器(11)；所述激光器(11)的出光口位置与阴极(16)上的通光孔(17)相对应；

激光器(11)出光口处设置有调焦透镜，调焦透镜用于使得绝缘薄膜(18)上的光斑直径小于0.5mm；

阳极(22)外依次套装有阳极同轴绝缘子(21)和阳极接地套筒(20)，三者构成前端尺寸大，后端尺寸小的渐变同轴结构。

2.根据权利要求1所述的激光烧蚀触发薄膜开关，其特征在于：阴极(16)外套装有阴极固定装置(13)，阴极(16)与阴极固定装置(13)间通过铍铜簧片(14)保持紧密电连接；阴极固定装置(13)与阳极接地套筒(20)通过接地连接片(15)联接。

3.根据权利要求2所述的激光烧蚀触发薄膜开关，其特征在于：所述激光器(11)采用波长452nm、功率3W的二极管激光器。

4.根据权利要求3所述的激光烧蚀触发薄膜开关，其特征在于：阴极固定装置(13)、阳极接地套筒(20)、阴极(16)和阳极(22)均采用黄铜制成。

5.根据权利要求4所述的激光烧蚀触发薄膜开关，其特征在于：阳极同轴绝缘子(21)采用尼龙制成。

6.根据权利要求5所述的激光烧蚀触发薄膜开关，其特征在于：绝缘薄膜(18)采用棕色聚酰亚胺薄膜。

7.一种方波发生器，其特征在于：包括权利要求1-6任一所述的激光烧蚀触发薄膜开关。

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