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激光触发伪火花开关的研究

周亮 张明 孙承革

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激光触发伪火花开关的研究

    作者简介: 周 亮(1980-),男,硕士,高级工程师,从事高功率脉冲气体开关研究;quartz0771@sina.com.
  • 中图分类号: TN134

The preliminary study of laser-triggered pseudospark switch

  • CLC number: TN134

  • 摘要: 通过等离子体建模仿真及物理实验结合的方式验证了激光触发伪火花开关的可行性。分别使用波长266 nm和532 nm的激光,对激光触发伪火花开关的最低激光触发能量、阳极着火延迟时间和时间跳动三项参数进行测试。在非聚焦模式下,仅调整激光能量,测得开关在波长266 nm激光触发下,最低触发能量为15 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为340 ns,时间跳动约为40 ns;在波长532 nm激光触发下,最低触发能量为83 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为420 ns,时间跳动约为60 ns。在维持实验平台不变的情况下,仅对入射激光进行聚焦,测得波长266 nm激光触发下,最低触发能量为4 mJ,当触发能量8 mJ时,阳极着火延迟时间190 ns,开关时间跳动小于1 ns;波长532 nm激光触发下,最低触发能量为6 mJ,当激光触发能量为8 mJ时,阳极着火延迟时间240 ns,开关时间跳动小于1 ns。
  • 图 1  伪火花开关典型结构

    Fig. 1  Typical structure of pseudospark switch

    图 2  最大初动能与入射光频率的关系曲线

    Fig. 2  Relationship between maximum initial kinetic energy and laser frequency

    图 3  激光触发伪火花开关脉冲放电仿真结果

    Fig. 3  Simulation results of pulse discharge based on laser-triggered pseudospark

    图 4  负高压测试电路图及实物图

    Fig. 4  Negative high voltage test circuit and physical picture

    图 5  非聚焦模式示意图

    Fig. 5  Schematic diagram of non-focused mode

    图 6  非聚焦状态下,266 nm和532 nm阳极电压跌落及激光器标准信号波形

    Fig. 6  Pulse discharge waveform of laser-triggered pseudospark(non-focused;by 266 nm and 532 nm laser beams)

    图 8  聚焦状态下,266 nm和532 nm阳极电压跌落及激光器标准信号波形

    Fig. 8  The pulse discharge waveforms of laser-triggered pseudospark(focused;by 266 nm and 532 nm laser beams)

    图 7  聚焦模式示意图

    Fig. 7  The schematic diagram of focused mode

    图 9  两种波长激光触发时间参数对比

    Fig. 9  Comparison on time parameters between two wavelengths

    表 1  非聚焦激光触发能量E测试结果

    Table 1  Test results of non-focused mode laser triggering energy E

    C/μFRLUH/V|Ua|/kVλ/nmE/mJUR/kVτdelay/ns
    0.1655.4152661512340
    0.1655.4152662212290
    0.1655.4152663012210
    0.1655.4155328312420
    0.1655.41553212012350
    0.1655.41553214012288
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    表 2  聚焦激光触发能量E测试结果

    Table 2  Test results of focusing laser triggering energy E

    C/μFRLUH/V|Ua|/kVλ/nmf/cmEmin/mJUR/kVτdelay/ns
    0.1655.41526630612240
    0.1655.41526630812190
    0.1655.415266301012180
    0.1655.41553240612290
    0.1655.41553240812240
    0.1655.415532401012240
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    表 3  聚焦激光触发着火延迟时间与时间跳动

    Table 3  Delay time and jitter of focusing laser triggering

    UH/V|Ua|/kVλ/nmEλ/mJτdelay/nsτjitter/ns
    123456
    5.4152664310310360410460530210
    624026025026024024020
    8190190190190190190<1
    10180180180180180180<1
    53241920222017601110126017201110
    629027027030030029030
    8240240240240240240<1
    10240240240240240240<1
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  • [1] 王莹, 孙元章, 阮江军, 等. 脉冲功率科学与技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2010.

    Wang Ying, Sun Yuanzhang, Ruan Jiangjun, et al. Pulse power science and technology. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2010
    [2] 刘锡三. 高功率脉冲技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 1995.

    Liu Xisan. High power pulse technology. Beijing: National Defense Industry Press, 1995
    [3] Chen H, Jiang C, Kuthi A, et al. An ultra compact back-lighted thyratron for nanosecond switching applications[J]. IEEE Trans Dielectrics and Electrical Insulators, 2009, 16(3): 1043-1047.
    [4] Jiang C, Kuthi A, Eccles B, et al. Small BLT switches for compact pulsed power applications[C]//International Power Modulator Symposium. 2004: 181-183.
    [5] Sozer B E, Jiang C, Gundersen A M. Investigation of UV LEDs for compact back-lighted thyratron triggering[C]//Digest of Technical Papers for 17th IEEE International Pulsed Power Conference. 2009.
    [6] 栾小燕, 张明, 周亮. 一种新型大电流脉冲调制器件——伪火花开关[J]. 真空电子技术, 2012(5):38-42. (Luan Xiaoyan, Zhang Ming, Zhou Liang. A novel large current pulse modulation device—Pseudospark. Vacuum Electronics Technology, 2012(5): 38-42 doi: 10.3969/j.issn.1002-8935.2012.05.009
    [7] 栾小燕, 张明, 周亮. 双间隙伪火花开关沿面放电触发材料的测试与研究[J]. 真空电子技术, 2014(2):32-37. (Luan Xiaoyan, Zhang Ming, Zhou Liang. Test and research on the trigger material of the double-gap pseudospark switch along the surface discharge. Vacuum Electronics Technology, 2014(2): 32-37 doi: 10.3969/j.issn.1002-8935.2014.02.010
    [8] 张明, 周亮, 栾小燕, 等. 伪火花开关大电容脉冲放电的测试与研究[J]. 真空电子技术, 2017(4):30-34. (Zhang Ming, Zhou Liang, Luan Xiaoyan, et al. Test and research of pseudospark switch large capacitance pulse discharge. Vacuum Electronics Technology, 2017(4): 30-34
    [9] Mechtersheimer G, Kohler R, Lasser T, et al. High repetition rate, fast current rise, pseudo-spark switch[J]. Phys E: Sci Instrum, 1986, 19(6): 466-467. doi: 10.1088/0022-3735/19/6/015
    [10] Boeuf P J, Pitchford C L. Pseudospark discharges via computer simulation[J]. IEEE Trans Plasma Science, 1991, 19(2): 286-296. doi: 10.1109/27.106826
    [11] Bochkov D V, Djailev M V, Ushich V G, et al. Sealed-off pseudospark swiches (C)//1st International Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. 2000: 136-140.
    [12] Frank K, Urban J, Bickes C, et al. Mechanism of the pseudospark initiation for the switches with a trigger unit based on flashover[J]. Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 2000, 1: 331-334. doi: 10.1109/DEIV.2000.877316
  • [1] 李洪涛, 丁伯南, 谢卫平, 邓建军, 王玉娟, 秦卫东, 傅贞, 万步勇, 王厚明, 龚德森, 任靖, 孟维涛, 丁胜. 激光触发多级多通道开关研究[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(07).
    [2] 李洪涛, 丁伯南, 王玉娟, 谢卫平, 傅贞, 秦卫东, 丁胜, 万步勇, 孟维涛, 任靖, 王厚明, 龚德森. 激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(08).
    [3] 李洪涛, 王玉娟, 丰树平, 谢卫平, 邓建军, 丁伯南. 4 MV激光触发多级多通道开关特性[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(11).
    [4] 张国伟, 曾正中, 王亮平, 张信军, 吴撼宇, 吴坚, 丛培天. 2 MV激光触发气体开关实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(03): 549-553. doi: 10.3788/HPLPB20122403.0549
    [5] 谢文楷, 黎晓云, 王彬, 蒙林, 鄢扬, 高昕艳. 高电流低气压等离子体阴极电子枪设计与实验[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(02).
    [6] 张信军, 吴撼宇. μs前沿百kV激光触发水开关的实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(04): 045009. doi: 10.11884/HPLPB201527.045009
    [7] 王文斗, 王刚华, 李洪涛, 林其文. SF6气体间隙开关激光触发延迟的数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(04).
    [8] 王刚华, 王文斗, 李洪涛, 林其文. 激光触发SF6-N2混合气体开关的数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(11).
    [9] 王珏, 邵建设, 严萍, 袁伟群, 张东东, 潘如政, 张适昌. 激光触发真空沿面闪络开关的初步实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(06).
    [10] 吴撼宇, 张信军, 王亮平, 张国伟, 曾正中. 2 MV激光触发多级气体开关结构设计[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(03): 630-634. doi: 10.3788/HPLPB20122403.0630
    [11] 潘如政, 王珏, 严萍, 孙广生, 欧阳文敏, 孙连华, 李敏堂. 真空中激光触发脉冲电压下绝缘材料闪络特性[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(03).
    [12] 殷毅, 钟辉煌, 刘金亮, 杨建华, 刘列, 任合明, 洪志强. 激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(04).
    [13] 张国伟, 曾正中, 丛培天. 环槽电极结构的伪火花开关耐压特性[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(06).
    [14] 祝大军, 刘盛纲, 石金水, 何毅, 戴光森, 邓建军. 假火花开关初始放电过程的理论计算[J]. 强激光与粒子束, 1996, 08(01).
    [15] 孙明明, 顾佐, 郭宁, 李娟. 离子推力器空心阴极热特性模拟分析[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(05).
    [16] 李文旭, 鄢扬, 傅文杰, 黎晓云, 吴坚强. 小型空心阴极等离子体电子枪实验[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(01).
    [17] 王坤, 宋旭鹏, 刘克富. 柔软型高功率脉冲馈线带宽特性分析及实验验证[J]. 强激光与粒子束, 2017, 29(07): 075001. doi: 10.11884/HPLPB201729.170050
    [18] 毕岚, 薛谦忠, 席宝坤. 用于瞬态高功率脉冲辐射的超宽带天线设计[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30(08): 083007. doi: 10.11884/HPLPB201830.180001
    [19] 许建军, 廖成, 肖开奇. 传输线充电技术实现高功率亚纳秒电磁脉冲调制[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(01).
    [20] 蔡政平, 李伟松. 太赫兹器件测试用高重复频率高压脉冲电源[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30(02): 023101. doi: 10.11884/HPLPB201830.170274
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-08
  • 录用日期:  2019-09-17
  • 网络出版日期:  2019-11-07

激光触发伪火花开关的研究

    作者简介: 周 亮(1980-),男,硕士,高级工程师,从事高功率脉冲气体开关研究;quartz0771@sina.com
  • 中国电子科技集团公司 第十二研究所,北京 100015

摘要: 通过等离子体建模仿真及物理实验结合的方式验证了激光触发伪火花开关的可行性。分别使用波长266 nm和532 nm的激光,对激光触发伪火花开关的最低激光触发能量、阳极着火延迟时间和时间跳动三项参数进行测试。在非聚焦模式下,仅调整激光能量,测得开关在波长266 nm激光触发下,最低触发能量为15 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为340 ns,时间跳动约为40 ns;在波长532 nm激光触发下,最低触发能量为83 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为420 ns,时间跳动约为60 ns。在维持实验平台不变的情况下,仅对入射激光进行聚焦,测得波长266 nm激光触发下,最低触发能量为4 mJ,当触发能量8 mJ时,阳极着火延迟时间190 ns,开关时间跳动小于1 ns;波长532 nm激光触发下,最低触发能量为6 mJ,当激光触发能量为8 mJ时,阳极着火延迟时间240 ns,开关时间跳动小于1 ns。

English Abstract

  • 近50年来,脉冲功率技术获得了蓬勃发展,已成为现代新概念武器发展的基础。但是随着脉冲功率技术在更高峰值功率与更大输出能量等方向的不断进步,高功率脉冲开关作为其核心器件,逐渐成为制约其发展的关键瓶颈之一[1]。例如在大型LTD装置、Marx发生装置、电磁脉冲武器、粒子束武器、可控聚变、电磁脉冲成型等工程领域中,往往需要多个单元串并联组合运行,以实现更高的系统输出峰值功率,这对高功率开关提出了新的要求:开关需要具有良好的同步性能,即具备稳定的触发延迟时间和ns量级的时间跳动[2]

    目前应用于脉冲功率技术的高功率脉冲气体开关主要有:高气压脉冲气体开关和低气压脉冲气体开关(伪火花开关、脉冲氢闸流管等)。高气压脉冲气体开关初始电子的提供方式为金属阴极场致发射,所以在脉冲放电过程中电极的参与度很高,电极损伤大,寿命低。低气压脉冲气体开关初始电子的提供方式分别为空心阴极辉光放电和热阴极电子发射[3]。此类开关放电类型属于弧光放电和密集辉光放电,在脉冲放电过程中,电极的参与度低,电极损伤小,寿命长;现有的低气压脉冲气体开关的触发方式均为电脉冲触发。在多开关串并应用中需要配套触发系统为每个开关提供触发脉冲,同时触发系统需要根据应用情况的不同进行高压隔离、电磁屏蔽、不同开关间触发信号的时序控制等,增加了系统设计和建设的难度。激光触发能量可以采用空间光路和光纤等方式传输,此种传输方式高压隔离及电磁屏蔽实现方法简单,能够大幅降低系统设计和建设的难度,所以激光触发类的开关具有研发价值。

    在物理机理上,当光束照射在金属或半导体材料表面时会产生一定密度的初始电子,在正电场的加速下,电子会与工作气体(氢气、氩气、氮气等)发生碰撞进而形成等离子体,在不同的电极结构下形成不同的放电效应[4]。本文介绍了一种新型的激光触发伪火花开关,电极结构分别为空心阴极和空心阳极结构,利用266 nm及532 nm二种不同波长激光辐照金属材料产生初始电子,形成空心阴极效应,使开关具备通导大峰值电流的能力。

    • 伪火花开关是一种工作于帕邢曲线左支的低气压放电类开关。其典型结构见图1。伪火花开关的放电过程主要经历汤森放电、阴极正离子鞘层形成、空心阴极效应、超密集辉光放电、金属弧这5个阶段。若要建立空心阴极效应,空心阴极腔室内部电子密度需达到1018 m-3,后续随着放电电流的增加逐渐向超密集辉光和金属弧进化。

      图  1  伪火花开关典型结构

      Figure 1.  Typical structure of pseudospark switch

    • 根据金属光电子发射理论及爱因斯坦定律,光电子的最大初动能Wmax只与入射光的频率$\nu$成线性关系。由实验测得Wmax$\nu$的关系曲线可知(图2),当入射光的频率$\nu$比极限频率$\nu_0$高很多时,实验曲线是一条直线,当$\nu$接近于$\nu_0$时,曲线开始逐渐偏离直线。即使当$\nu$<$\nu_0$时,由于多光子效应仍可测量到光电子发射,并不存在一个使光电子发射截止的确定的红阈频率。

      图  2  最大初动能与入射光频率的关系曲线

      Figure 2.  Relationship between maximum initial kinetic energy and laser frequency

      激光辐照金属光电阴极,会有一定几率产生自由电子[5]。在激光触发伪火花开关中,工作气体为氘气,压力为100 Pa左右,与激光触发高气压火花开关不同,在低气压环境下,激光在开关内部的空间传输损耗极小,大部分能量均与金属光电阴极发生能量交换,产生光电子,同时由于氘气自身极易被电离,所以在空间传输过程中也会电离工作气体,产生自由电子,起到了预电离作用。

      本次实验采用的金属阴极材料的电子逸出功为6.08×10−19 J。实验采用266 nm激光进行光电触发,入射光子能量$h \times \nu = h \times \dfrac{c}{\lambda }$(其中h为普朗克常数,c为光速,λ为入射光波长),计算得到入射光子能量为7.47×10−19 J。

      金属光电子发射理论中,电流密度公式为

      ${j_{\rm{l}}} = \alpha {A_0}{T^2}f(\mu ) = \alpha {A_0}{T^2}f \Bigg[\frac{{h(\nu - {\nu _0})}}{{kT}}\Bigg]$

      (1)

      式中:α是出射电子数与入射光子数的比例系数;A0是热电子发射公式中的普适常数;T是热力学温度;f(μ)是福勒光电子发射方程;k是波耳兹曼常数。

      激光触发开关为常温态工作,T=300 K,计算得到μ=33.5$ \gg $1。当T>0 K时,有

      $f\left( \mu \right) \approx \frac{{{{\text{π}} ^2}}}{6} + \frac{{{\mu ^2}}}{2} = 563$

      (2)

      f(μ)代入公式(1)中,解得${j_{\rm{l}}} = \alpha \cdot6.2 \times {10^9}{\rm{A}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}$。在金属光电子发射理论中需要考虑表面势垒对逸出电子的反射作用,即

      $\alpha = \beta D$

      (3)

      式中:β为受激电子的浓度与正常电子浓度的比例系数;D为平均透射系数。在金属光电阴极中α通常取10−8量级,因此计算得出${j_{\rm{l}}} = 62\;{\rm{A}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}$

      为了达到预先判断激光触发伪火花开关的可行性的目的,利用计算机仿真的方法进行建模分析,为了简化仿真计算,实现趋势性判断,在仿真过程中不考虑反射光对金属的二次电离、反射光对路径中氘气的电离以及电场作用下的二次电子发射,而上述三点均对电子密度的提升有益。在仿真模型中初始边界条件设置为:阳极极板与阴极极板的距离为3 mm,阴极开孔直径3 mm,空心阴极尺寸为ϕ40 mm×10 mm,光发射区域处于空心阴极内表面正中心,直径为ϕ4 mm,光电流密度62 A/cm2,阳极设置直流电压500 V,储能电容100 nF,仿真计算结果如图3所示。通过仿真可以得到,光触发开关在90 ns时充电电压开始跌落,104 ns时,测试回路峰值电流达到最大值4.5 kA,116 ns时,储能元件能量泄放完毕,电流降至百安量级,管压降维持在10 V左右。空心阴极内电子密度最大值3.15×1020 m−3,达到空心阴极效应的阈值。通过仿真结果初步判断激光触发实现空心阴极效应的方案可行。

      图  3  激光触发伪火花开关脉冲放电仿真结果

      Figure 3.  Simulation results of pulse discharge based on laser-triggered pseudospark

    • 图4为测试系统的负高压测试电路图,包括负高压直流电源Ua、氢储存器电源UH及激光光源Lt。样管阳极接地,阴极接负高压(Ua≥-20 kV)。负高压直流电源Ua用于调节阴极负高压数值,并采用高压探棒测量阴极与阳极间的脉冲电压Uap;氢储存器电源UH调节管内氢气压强,管内压强通常在10~100 Pa的工作范围,氢储存器电压UH值越大,管内氢气压强越大[6-8];激光器能量可在0.01~100 mJ范围内调节。

      图  4  负高压测试电路图及实物图

      Figure 4.  Negative high voltage test circuit and physical picture

      测试设备与元器件:被测激光触发伪火花开关样管,高功率阻性负载RL(5 Ω),脉冲电容器组(C=160 nF),氢储存器电源,高压充电电阻(10 kΩ),负高压电源(-25 kV/0.02 A),泰克P6015A高压探头,示波器等。

      激光器有两种:(1)λ=266 nm的近紫外激光器,脉冲能量E在0.01~10 mJ范围调节,光脉冲宽度10 ns;(b)λ=532 nm激光器,脉冲能量E在1~100 mJ范围调节,光脉冲宽度10 ns。

      测试系统的负高压测试电路如图4(a)所示,整个电路为RC放电电路,脉冲电容器组由8个20 nF/30 kV的筒状电容器并联组成,总电容值为160 nF,负载电阻由2个2.5 Ω电阻串联而成,伪火花开关样管为金属−陶瓷结构[6-8];负高压直流电源Ua用于给电容器组充电,充电电压绝对值范围0~25 kV;整个电路通过宽铜板连接,其引起的回路电感及电阻可以忽略。激光器的型号为Dawa-200型四倍频激光器,具备同步的电脉冲信号的输出,该信号作为基准信号,波长266 nm激光基准信号的幅值为15 V的方波信号,波长532 nm激光基准信号幅值为5 V的方波信号,通过Edmund探头和能量计来测量激光触发能量。

    • 分别采用波长266 nm和532 nm激光光源进行实验。聚焦模式定义为利用透镜对激光聚焦;非聚焦模式定义为不采用透镜对激光聚焦。每种光源在非聚焦模式和聚焦模式两种情况下开展测试工作。在相同的氢储存器电压UH和阳极电压Ua下,通过调节光源波长和激光能量开展测试。

    • 图5所示,激光器输出光斑直径ϕ8 mm、脉宽10 ns的激光,光束入射到距离激光器出光口约500 mm处的样管石英窗中。在空心阴极背板处放置金属光电阴极,激光脉冲与金属光电阴极发生光电效应,并在电极表面射出具有一定密度的光电子,作为初始电子建立空心阴极效应并实现整管导通[9-10]

      图  5  非聚焦模式示意图

      Figure 5.  Schematic diagram of non-focused mode

      在保持氢储存器电压UH和阳极电压Ua一定的条件下,影响开关时间参数的主要因素为透过石英窗的激光能量与波长。由表1可以看出,波长266 nm的近紫外激光最低触发能量为15 mJ,阳极着火延迟时间为360 ns;而波长532 nm的激光最低触发能量为83 mJ,阳极着火延迟时间为420 ns。脉冲电流Iap=2.4 kA,电流上升沿τrise=130 ns。在两种波长激光下测试,随着激光能量的提升,阳极着火延迟时间缩短,开关导通性能提高。

      表 1  非聚焦激光触发能量E测试结果

      Table 1.  Test results of non-focused mode laser triggering energy E

      C/μFRLUH/V|Ua|/kVλ/nmE/mJUR/kVτdelay/ns
      0.1655.4152661512340
      0.1655.4152662212290
      0.1655.4152663012210
      0.1655.4155328312420
      0.1655.41553212012350
      0.1655.41553214012288

      图68所示波形为阳极电压跌落及激光器输出标准信号波形,图中纵坐标为电压,横坐标为时间。CH1所示波形为阳极电压UR跌落波形,单位为kV;CH2所示波形为激光器标准信号波形,单位为V。波形图中二条纵向标尺分别测量激光器标准信号开始的时间和阳极电压开始跌落的时间,二个时间差值为阳极着火延迟时间τdelay

      图  6  非聚焦状态下,266 nm和532 nm阳极电压跌落及激光器标准信号波形

      Figure 6.  Pulse discharge waveform of laser-triggered pseudospark(non-focused;by 266 nm and 532 nm laser beams)

      图  8  聚焦状态下,266 nm和532 nm阳极电压跌落及激光器标准信号波形

      Figure 8.  The pulse discharge waveforms of laser-triggered pseudospark(focused;by 266 nm and 532 nm laser beams)

    • 采用透镜将入射到样管内的激光进行聚焦,以此方式来提升光能量密度,进而提升光电离效率。由表2可以看出,波长266 nm的激光聚焦后,开关的最低激光触发能量由15 mJ降为6 mJ,阳极着火延迟时间τdelay由360 ns降为250 ns;而波长532 nm的激光聚焦后,开关的最低激光触发能量由83 mJ降为6 mJ,阳极着火延迟时间τdelay由420 ns降为280 ns。

      表 2  聚焦激光触发能量E测试结果

      Table 2.  Test results of focusing laser triggering energy E

      C/μFRLUH/V|Ua|/kVλ/nmf/cmEmin/mJUR/kVτdelay/ns
      0.1655.41526630612240
      0.1655.41526630812190
      0.1655.415266301012180
      0.1655.41553240612290
      0.1655.41553240812240
      0.1655.415532401012240

      图  7  聚焦模式示意图

      Figure 7.  The schematic diagram of focused mode

    • 影响开关阳极着火延迟时间与时间跳动的主要因素为:氢气压强、触发激光波长与激光触发能量。根据气体放电原理与物理拟合实验发现,阳极着火延迟时间与时间跳动主要由激光触发能量与氢气压强决定[11-12]。因此,在本次实验中保持氢储存器电压UH=5.4 V、工作电压|Ua|=15 kV不变,排除氢气压强与工作电压的影响,通过调整激光触发能量分组对开关的时间参数进行测试。

      表3所示,为波长266 nm与532 nm两种波长的聚焦激光入射到样管后的时间参数。其中τdelay为阳极着火延迟时间,τjitter为阳极着火延迟时间的差异,定义为时间跳动,当入射激光能量达到8 mJ时,开关的时间跳动均小于1 ns。图9为入射波长为266及532 nm时,激光触发时间参数对比,可以发现,相同能量的266 nm激光比532 nm激光的阳极着火延迟时间和时间跳动要低得多,266 nm激光触发能量阈值E0≤4 mJ,而532 nm激光触发能量阈值E0≤6 mJ。这是由于氢气更容易在近紫外波段被电离,因此266 nm激光触发能量阈值低,光电离效率高,阳极着火延迟时间与时间跳动小。

      表 3  聚焦激光触发着火延迟时间与时间跳动

      Table 3.  Delay time and jitter of focusing laser triggering

      UH/V|Ua|/kVλ/nmEλ/mJτdelay/nsτjitter/ns
      123456
      5.4152664310310360410460530210
      624026025026024024020
      8190190190190190190<1
      10180180180180180180<1
      53241920222017601110126017201110
      629027027030030029030
      8240240240240240240<1
      10240240240240240240<1

      图  9  两种波长激光触发时间参数对比

      Figure 9.  Comparison on time parameters between two wavelengths

    • 本文分别采用波长266 nm激光和532 nm激光对伪火花开关进行触发可行性实验,并通过调整伪火花开关的氢储存器电压测得了系列的数据;非聚焦工作模式下,最低激光触发能量为83 mJ;聚焦工作模式下,最低激光触发能量为6 mJ;当激光触发能量为8 mJ时,时间跳动<1 ns。此次实验验证了激光触发伪火花开关的可行性。后续将采用电子逸出功3 eV的金属光电阴极,并优化金属光电阴极及空心阴极的结构,以此进一步降低激光触发所需的能量。

      致谢 感谢中国工程物理研究院流体物理研究所黄子平技术团队及西北核技术研究所黄珂技术团队给予的指导和帮助。

参考文献 (12)

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