CN115425523B - 一种弱激光能量触发的重复频率气体开关及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱激光能量触发的重复频率气体开关及其实现方法，主要解决现有的光导开关在应用于重复频率气体开关时容易因为过电压和过电流失效的技术问题。包括以下步骤：将光导开关P、反转电感L和限流电阻R串联构成触发回路，然后将触发回路的两端分别与三电极开关中触发间隙C2的两端电连接；开关电源在高压电极板和低压电极板之间加载脉冲高电压，触发光导开关P使其导通触发间隙C2向触发回路放电，形成LCR振荡，使得触发电极板上的电位发生改变，在过压击穿间隙C1上产生过电压，使过压击穿间隙C1迅速发生过电压击穿；过压击穿间隙C1发生过电压击穿后，在触发间隙C2形成过电压，使触发间隙C2发生过电压击穿；完成气体开关的开启。

Description

一种弱激光能量触发的重复频率气体开关及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种重复频率气体开关及其实现方法，具体涉及一种弱激光能量触发的重复频率气体开关及其实现方法。

背景技术

重复频率气体开关是重复频率脉冲源中实现功率压缩的核心部件，其击穿特性对于脉冲功率装置的整体性能至关重要。

工程实践中，为了提高气体开关在重复频率条件下的稳定性，通常采用外触发模式，外触发方式包括电触发和激光触发，其中，基于电触发技术的气体开关为了提高触发效率，要求气体开关的触发源输出电压比较高，从而导致气体开关的体积重量也相应较大；同时，基于电触发技术的气体开关的时间抖动达到3-5ns。而基于激光触发技术的气体开关，理论上可以实现较低的气体开关击穿时间抖动，但是其要求激光波长短，能量高，从而导致所需激光器的体积重量较大，进而导致气体开关的体积重量较大。

文献(LASER TRIGGERED V/N GAS SWITCH,Jiang Xingdong and Zeng Naigong,proceedings of 13^th International Coference on High-Power Particle Beams,Japan,June25-30,2000)给出了一种激光触发的V/N型气体开关，在MV级电压下，实现了约为2ns的时间抖动，但是该气体开关仍是通过激光器直接触发气体开关，也存在前述基于激光触发技术气体开关的问题。

光导开关作为半导体开关，采用激光作为触发源，但与激光器直接触发气体开关相比，可在红外条件下实行触发，需要的激光能量可大幅降低，因而可以通过光纤将触发光束馈入光导开关上，实行触发，简单便捷，且易于通过多束分光实行多路触发，此外，光导开关还具有导通时间抖动低的特点，由此可知，将光导开关代替前述V/N开关中的激光触发开关可进一步提升气体开关的性能。

但是存在的问题是，相比气体开关，光导开关耐受过电压和过电流的能力较低，光导开关在应用于重复频率气体开关时容易因为过电压和过电流失效。

发明内容

本发明的目的是解决现有的光导开关在应用于重复频率气体开关时容易因为过电压和过电流失效的技术问题，而提供了一种弱激光能量触发的重复频率气体开关及其实现方法。

一种弱激光能量触发的重复频率气体开关的实现方法，其特殊之处在于,包括以下步骤：

1)将光导开关P、反转电感L和限流电阻R串联构成触发回路，然后将触发回路的两端分别与三电极开关中触发间隙C2的两端电连接，构成气体开关；

2)开关电源在高压电极板和低压电极板之间加载脉冲高电压，触发光导开关P使其导通

3)触发间隙C2向触发回路放电，形成LCR振荡，使得触发电极板上的电位发生改变，在过压击穿间隙C1上产生过电压，使过压击穿间隙C1迅速发生过电压击穿；

4)当过压击穿间隙C1发生过电压击穿后，在触发间隙C2上形成过电压，使触发间隙C2迅速发生过电压击穿；

5)完成气体开关的开启。

进一步地，在步骤1)中：

要求加载在气体开关上的总电压V和气体开关的平均自击穿电压满足如下关系：

V＝0.6V₁～0.7V₁；

要求所述触发电压V₂和加载在气体开关上的总电压为V满足如下关系：

V₂≥0.4V；

为提高可靠性，避免三电极开关自击穿引发光导开关P的损伤，避免因为过压击穿间隙C1首先自击穿而导致光导开关P过压损毁，要求所述过压击穿间隙C1的工作电场E1和触发间隙C2的工作电场E2满足如下关系：

E1＜E2；

要求所述光导开关P的导通时间抖动小于500ps。

进一步地，在步骤1)中，要求所述反转电感L、限流电阻R与过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容之和C三者所构成的RLC回路满足欠阻尼条件，且RLC回路的谐振周期不大于60ns。

进一步地，在步骤1)中，也可适当提高限流电阻R的电阻值，使反转电感L、限流电阻R与C三者所构成的RLC回路满足临界阻尼条件，此时，气体开关击穿抖动变大，但触发回路中的电流大小降低，在确保气体开关顺利导通的前提下，可以使得光导开关P的寿命进一步提高。

同时，本发明还提供了一种弱激光能量触发的重复频率气体开关，包括电极模块，所述电极模块包括高压电极板、低压电极板和设置于高压电极板和低压电极板之间的触发电极板，所述高压电极板用于与开关电源的正极连接，所述低压电极板用于与开关电源的负极连接；

所述高压电极板和触发电极板之间具有过压击穿间隙C1，所述触发电极板和低压电极板之间具有触发间隙C2，所述过压击穿间隙C1和触发间隙C2内均填充有高压气体，用于绝缘和作为工作介质；

其特殊之处在于：

还包括触发回路，所述触发回路包括限流电阻R、反转电感L和光导开关P；

所述限流电阻R一端与触发电极板连接，另一端与光导开关P连接，所述光导开关P的另一端与反转电感L一端连接，所述反转电感L另一端与低压电极板连接。

进一步地，定义加载在气体开关上的总电压为V，气体开关的平均自击穿电压为V₁，触发间隙C2上的触发电压为V₂；

所述平均自击穿电压为V₁和加载在气体开关上的总电压为V满足如下关系：

V＝0.6V₁-0.7V₁；

所述触发电压V₂和加载在气体开关上的总电压为V满足如下关系：

V₂≥0.4V。

进一步地，定义过压击穿间隙C1的工作电场为E1，触发间隙C2的工作电场为E2；

所述过压击穿间隙C1的工作电场E1和触发间隙C2的工作电场E2满足如下关系：

E1＜E2。

进一步地，定义过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容之和为C；

所述反转电感L、限流电阻R与C三者所构成的RLC回路满足欠阻尼条件，且谐振周期不大于60ns。

进一步地，所述光导开关P的导通时间小于500ps。

进一步地，定义过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容之和为C；

通过适当提高限流电阻R的电阻值，使反转电感L、限流电阻R与C三者所构成的RLC回路满足临界阻尼条件，此时，气体开关击穿抖动变大，但触发回路中的电流大小降低，在确保气体开关顺利导通的前提下，可以使得光导开关P的寿命进一步提高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过将光导开关串联在LCR回路中，通过LCR振荡使得触发电极板上的电位发生改变，通过在过压击穿间隙和触发间隙上依次形成的过电压，实现过压击穿间隙和触发间隙的依次快速击穿，从而避免了光导开关因光导开关自击穿等因素导致的光导开关过压过流而导致损坏的问题，实现了光导开关在高压重复频率下的可靠运行。

2、本发明通过对气体开关的工作电压、触发间隙C2的分压、过压击穿间隙C1的工作电场、触发间隙C2的工作电场以及触发回路的器件参数等进行设计，可以进一步确保光导开关在重复频率气体开关中的可靠工作，避免了过电压和通流能力相对较低的光导开关因气体开关自击穿等因素导致的光导开关过压过流损伤，使得气体开关的时间抖动方差低于1ns，可以应用于层叠Blumlein脉冲形成线为代表的对多路开关同步要求高的装置中。

附图说明

图1是本发明一种弱激光能量触发的重复频率气体开关的原理结构示意图；

图2是本发明一种弱激光能量触发的重复频率气体开关实施例的结构示意图；

图3是本发明一种弱激光能量触发的重复频率气体开关实施例中开关电源的电压波形；

图4是本发明一种弱激光能量触发的重复频率气体开关实施例中光导开关上触发激光脉冲波形和气体开关的输出电流波形。

图中，1-高压电极板，2-触发电极板，3-低压电极板，4-开关电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明一种弱激光能量触发的重复频率气体开关，包括电极模块和触发回路。

电极模块包括高压电极板1、低压电极板3和设置于高压电极板1和低压电极板3之间的触发电极板2，高压电极板1、低压电极板3和触发电极板2在本实施例中均采用金属材质，需要说明的是，本领域技术人员还可采用其他导电材料，并不局限于本发明所提供的材质，高压电极板1用于与开关电源4的正极连接，低压电极板3用于与开关电源4的负极连接；高压电极板1和触发电极板2之间具有过压击穿间隙C1，触发电极板2和低压电极板3之间具有触发间隙C2，过压击穿间隙C1和触发间隙C2内均填充有高压气体，用于绝缘和作为工作介质，在本发明中高压气体优选为SF₆和N₂的混合气体，当然，本领域技术人员在具体实施本发明时，并不局限本发明的优选方案，还可根据具体情况选用其他的惰性气体。

触发回路包括限流电阻R、反转电感L和光导开关P；限流电阻R一端与触发电极板2连接，另一端与光导开关P连接，光导开关P的另一端与反转电感L一端连接，反转电感L另一端与低压电极板3连接。

因为光导开关P的过电压和过电流能力均较差，当气体开关重复频率运行时，如果气体开关出现自击穿等异常情形，会导致光导开关P因过压过流而毁伤。基于上述原因，本发明提出一种优化设计方案，可避免气体开关在重复频率运行条件下损毁，确保重复频率下可靠运行。通过优化设计，在50Hz重复频率运行下，可获得低至1ns的开关击穿时延抖动。

定义加载在气体开关上的总电压为V，气体开关的平均自击穿电压为V₁，触发间隙C2上的分电压为V₂；为确保气体开关在重复频率下的可靠运行，首先需要确保气体开关的可靠触发，要求加载在气体开关上总电压V为气体开关在重复频率运行下自击穿电压平均值V₁的0.6-0.7，即V＝0.6V₁-0.7V₁；并且触发间隙C2上分电压V₂不低于加载在气体开关上总电压V的0.4，即V₂≥0.4V，以此确保过压击穿间隙C1和触发间隙C2均可获得足够的过电压而快速导通。

其次，尽管已经限制加载在气体开关上的总电压V，仍然难以完全杜绝气体开关的自击穿，一旦过压击穿间隙C1提前自击穿，会在光导开关P的两端形成过电压，从而造成光导开关P损坏；定义过压击穿间隙C1的工作电场为E1，触发间隙C2的工作电场为E2，为避免该问题，本实施例进一步要求过压击穿间隙C1的自击穿概率低于触发间隙C2的自击穿概率，即设计过压击穿间隙C1的工作电场E1略低于触发间隙C2的工作电场E2，E1＜E2，从而假设气体开关发生过电压，也将是触发间隙C2首先发生自击穿，不会在光导开关P的两端产生过电压，避免因为过压击穿间隙C1首先发生自击穿，而导致光导开关P因过压损毁。

此外，如果光导开关P正常触发后，过压击穿间隙C1将过压击穿，然后在触发间隙C2上形成过电压；在触发间隙C2因过电压发生击穿的时延内，会对触发回路充电，产生大电流，当时延过长时，容易导致光导开关P因长时间过流而损毁，鉴于此，在对气体开关进行设计时，应确保触发间隙C2发生过电压击穿时，过电压足够高，从而使得触发间隙C2的击穿时延尽可能短，避免触发回路中的光导开关P因过流而损毁。

在满足上述条件的前提下，通过设计气体开关的参数，可得到击穿时间抖动低至1ns的气体开关。首先控制过压击穿间隙C1的击穿抖动时间，要求反转电感L、限流电阻R与触发间隙C2与过压击穿间隙C1的电容之和C所构成的RLC回路满足欠阻尼条件，且谐振周期不大于60ns，其次要求所用光导开关P的导通时间抖动小于500ps。

基于上述措施，确保气体开关在重复频率下的可靠运行，实现50Hz重复频率运行下，低至1ns的击穿时间抖动。

在本发明的其他实施方式中，也可以适当提高限流电阻R的电阻值，使反转电感L、限流电阻R与C三者所构成的RLC回路满足临界阻尼条件，此时，气体开关击穿抖动变大，但触发回路中的电流大小降低，在确保气体开关顺利导通的前提下，可以使得光导开关P的寿命进一步提高。

实施例：

一个充电时间为40μs，工作电压70kV、放电电流10kA的气体开关，其在50Hz重复频率运行下，获得了低至1ns的击穿时间抖动。如图2所示，高压电极板1、低压电极板3和触发电极板2的材质均为球墨铸铁，具有同轴对称结构，高压电极板1和低压电极板3为同轴韧环结构，韧环的厚度均为10mm，端部倒半圆R5；触发电极板2为环形板结构，板厚度2mm，内圆端部导半圆R1。高压电极板1和低压电极板3韧环导圆角的端部之间的距离为4mm，触发电极板2位于高压电极板1和低压电极板3韧环导圆角端部连线的中垂线上，在气体开关开启前，触发电极板2的存在不会影响高压电极板1和低压电极板3之间的电场分布，触发电极板2上的电场也相对较弱。过压击穿间隙C1为高压电极板1和触发电极板2构成的间隙，触发间隙C2为低压电极板3和触发电极板2之间的间隙，过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容均约为15pF。通过电容分压，因过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容相同，可知触发间隙C2上分电压V₂约为加载在气体开关上总电压V的一半，满足V₂大于0.4V的要求。

光导开关P为砷化镓材质的开关，工作在线性模式下，触发激光波长为1060μm，能量约为5mJ，其可在幅值为35kV的脉冲电压下可靠运行，其最大耐受脉冲电流可达400A。光导开关P导通时间抖动小于400ps，反转电感L的电感约为3μH，限流电阻R的阻值为100Ω，触发间隙C2和过压击穿间隙C1并联后总电容C为30pF。由此可知，RLC回路满足欠阻尼条件，回路谐振周期小于60ns。测试得到，当工作气体为表压3atm的六氟化硫气体时，本实施例中气体开关的在50Hz重复频率条件下的平均自击穿电压为103kV，设计气体开关的充电电压幅值为71kV，即工作系数约为69％，满足设计要求。

图3给出了气体开关工作于50Hz1000脉冲模式下时，加载在气体开关上的脉冲电压波形。图4给出的是光导开关P上触发激光脉冲波形和气体开关的输出电流波形，利用示波器统计了两脉冲波形的时延抖动。从图中可知该气体开关在50Hz下运行1000脉冲时，触发时延抖动仅为988ps，小于1ns。由此可知，基于上述设计方法，在50Hz重复频率条件下，获得了触发时延抖动小于1ns，工作电压为71kV的气体开关。

上述气体开关工作电压为71kV，实际上，还可通过使用工作电压更高的光导开关，并提高气体开关的工作气压，即可使气体开关工作于更高的电压下。

本发明还提供了一种弱激光能量触发的重复频率气体开关的实现方法，包括以下步骤：

1)将光导开关P、反转电感L和限流电阻R串联构成触发回路，然后将触发回路的两端分别与三电极开关中触发间隙C2的两端电连接，构成气体开关；

要求加载在气体开关上的总电压V和气体开关的平均自击穿电压满足如下关系：

V＝0.6V₁～0.7V₁；

要求所述触发电压V₂和加载在气体开关上的总电压为V满足如下关系：

V₂≥0.4V；

要求所述过压击穿间隙C1的工作电场E1和触发间隙C2的工作电场E2满足如下关系：

E1＜E2；

要求所述光导开关P的导通时间抖动小于500ps；

要求所述反转电感L、限流电阻R与过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容之和C三者所构成的RLC回路满足欠阻尼条件，且RLC回路的谐振周期不大于60ns；或，适当提高限流电阻R的电阻值，使得所述反转电感L、限流电阻R与过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容之和C三者所构成的RLC回路满足临界阻尼条件，此时，气体开关；气体开关击穿抖动变大，但触发回路中的电流大小降低，在确保气体开关顺利导通的前提下，可以使得光导开关P的寿命进一步提高。

2)开关电源4在高压电极板1和低压电极板3之间加载脉冲高电压，触发光导开关P使其导通；

3)触发间隙C2向触发回路放电，形成LCR振荡，使得触发电极板上的电位发生改变，在过压击穿间隙C1上产生过电压，使过压击穿间隙C1迅速发生过电压击穿；

4)当过压击穿间隙C1发生过电压击穿后，在触发间隙C2上形成过电压，使触发间隙C2迅速发生过电压击穿；

5)完成气体开关的开启。

Claims (10)

1.一种弱激光能量触发的重复频率气体开关的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将光导开关P、反转电感L和限流电阻R串联构成触发回路，然后将触发回路的两端分别与三电极开关中触发间隙C2的两端电连接，构成气体开关；

2)通过三电极开关中的开关电源(4)在其高压电极板(1)和低压电极板(3)之间加载脉冲高电压，触发光导开关P使其导通；

3)触发间隙C2向触发回路放电，形成LCR振荡，使得触发电极板(2)上的电位发生改变，在过压击穿间隙C1上产生过电压，使过压击穿间隙C1发生过电压击穿；

4)当过压击穿间隙C1发生过电压击穿后，在触发间隙C2上形成过电压，使触发间隙C2发生过电压击穿；

5)完成气体开关的开启。

2.根据权利要求1所述的一种弱激光能量触发的重复频率气体开关的实现方法，其特征在于，在步骤1)中：

要求加载在气体开关上的总电压V和气体开关的平均自击穿电压满足如下关系：

V＝0.6V₁～0.7V₁；

要求触发电压V₂和加载在气体开关上的总电压为V满足如下关系：

V₂≥0.4V；

要求所述过压击穿间隙C1的工作电场E1和触发间隙C2的工作电场E2满足如下关系：

E1＜E2；

要求所述光导开关P的导通时间抖动小于500ps。

3.根据权利要求2所述的一种弱激光能量触发的重复频率气体开关的实现方法，其特征在于：

在步骤1)中，要求所述反转电感L、限流电阻R与过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容之和C三者所构成的RLC回路满足欠阻尼条件，且RLC回路的谐振周期不大于60ns。

4.根据权利要求2所述的一种弱激光能量触发的重复频率气体开关的实现方法，其特征在于：

在步骤1)中，要求所述反转电感L、限流电阻R与过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容之和C三者所构成的RLC回路满足临界阻尼条件。

5.一种弱激光能量触发的重复频率气体开关，包括电极模块，所述电极模块包括高压电极板(1)、低压电极板(3)和设置于高压电极板(1)和低压电极板(3)之间的触发电极板(2)，所述高压电极板(1)用于与开关电源(4)的正极连接，所述低压电极板(3)用于与开关电源(4)的负极连接；

所述高压电极板(1)和触发电极板(2)之间具有过压击穿间隙C1，所述触发电极板(2)和低压电极板(3)之间具有触发间隙C2，所述过压击穿间隙C1和触发间隙C2内均填充有高压气体，用于绝缘和作为工作介质；

其特征在于：

还包括触发回路，所述触发回路包括限流电阻R、反转电感L和光导开关P；

所述限流电阻R一端与触发电极板(2)连接，另一端与光导开关P一端连接，所述光导开关P的另一端与反转电感L一端连接，所述反转电感L另一端与低压电极板(3)连接。

6.根据权利要求5所述的一种弱激光能量触发的重复频率气体开关，其特征在于：定义加载在气体开关上的总电压为V，气体开关的平均自击穿电压为V₁，触发间隙C2上的触发电压为V₂；

所述平均自击穿电压V₁和加载在气体开关上的总电压V满足如下关系：

V＝0.6V₁～0.7V₁；

所述触发电压V₂和加载在气体开关上的总电压为V满足如下关系：

V₂≥0.4V。

7.根据权利要求6所述的一种弱激光能量触发的重复频率气体开关，其特征在于：定义过压击穿间隙C1的工作电场为E1，触发间隙C2的工作电场为E2；

所述过压击穿间隙C1的工作电场E1和触发间隙C2的工作电场E2满足如下关系：

E1＜E2。

8.根据权利要求7所述的一种弱激光能量触发的重复频率气体开关，其特征在于：定义过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容之和为C；

所述反转电感L、限流电阻R与C三者所构成的RLC回路满足欠阻尼条件，且RLC回路的谐振周期不大于60ns。

9.根据权利要求8所述的一种弱激光能量触发的重复频率气体开关，其特征在于：所述光导开关P的导通时间抖动小于500ps。

10.根据权利要求7所述的一种弱激光能量触发的重复频率气体开关，其特征在于：定义过压击穿间隙C1和触发间隙C2的电容之和为C；

所述反转电感L、限流电阻R与C三者所构成的RLC回路满足临界阻尼条件。