Research of positive and negative polarity pseudo-spark switches
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摘要: 介绍一种正负极性工作、无需热丝供电配套的伪火花开关，其触发方式可以采用电触发、空间激光触发以及光纤传输激光能量触发。在电触发模式下开关技术指标达到工作电压±60 kV、脉冲电流16.2 kA以及抖动7 ns；空间光触发模式下，开关抖动3 ns（1 mJ/532 nm），最低触发激光能量0.15 mJ；光纤传输激光能量触发工况下（光纤入射端能量7 mJ/出射端5 mJ/532 nm），开关抖动技术指标达到3 ns。Abstract: This paper introduces a pseudo-spark switch which works in positive and negative polarity and does not need hot wire power supply. It can be triggered by one of the three modes of electric triggering, space light and fiber transmission laser energy. In the electric trigger mode, the technical specifications of the switch reach the operating voltage ±60 kV, the pulse current16.2 kA and the close jitter 7 ns; In space light trigger mode, the close jitter is 3 ns using 1 mJ/532 nm laser, and the minimum triggering laser energy is 0.15 mJ. In the fiber transmission laser energy mode (the energy of the incident end of the fiber is 7 mJ/the output end is 5 mJ), the close jitter is 3 ns.
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Key words:
- pseudo spark switch /
- positive and negative polarity /
- jitter /
- trigger mode /
- laser energy
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近年来脉冲功率技术获得长足进步，伪火花开关作为新兴的高功率脉冲开关也在DPF、重频高能激光、Marx及LTD触发及电推进等科研装置中取得应用，展现出长寿命、低抖动、高峰值功率等技术特点。随着此类开关工程应用的不断深入，对开关提出高耐压、正负极性工作、便捷触发以及去除氢源热丝供电等新的技术需求[1-2]。项目组依托中国电科技术优势和相关预先研究项目的支持，建设了正负极性伪火花开关实验平台，开展了系列研究工作，包括正负极性伪火花开关的工作机理、影响开关工作可靠性的关键因素以及多种触发模式对开关技术性能的影响等。俄罗斯大电流电子学研究所V. D. Bochkov等人针对电触发伪火花开关开展了大量研发工作，形成了TD与TP两个系列的伪火开关成熟产品，技术指标覆盖工作电压15～100 kV，脉冲电流1～150 kA，触发着火延时100～200 ns、抖动1～10 ns；美国南加州大学Andras Kuthi等人开发出四间隙伪火花开关，实现工作电压200 kV的技术指标，并分别完成了电触发与光触发实验[3-4]。以中国工程物理研究院、西北核技术研究院、西安交通大学、清华大学等科研院所及高校为代表的国内研究机构于20世纪80年代开始伪火花开关研究工作，大部分文献报道以机理分析与实验室研究为主，涉及到触发方式、耐压特性、通流能力、电极材料、时延抖动、重频特性等[5-10]，但较少形成成熟产品且未见正负极性伪火花开关研究及工程验证的相关报道。
1. 正负极性伪火花开关工作原理和样管结构设计
1.1 工作原理
正负极性伪火花开关是具有正向导通特性的低气压离子注入型开关。开关工作时，产生初始电子的阴极接脉冲放电回路的最低电位，阳极上施加脉冲放电回路的最高电位，采用宽温域储氢材料保证开关在−50～55 ℃之间工作气体压力满足低气压放电要求，触发单元的介电材料在负极性脉冲电压Ut的作用下发生沿面放电，并在阴极空腔内产生足够的初始等离子体，引发几何限制效应与空心阴极放电；在阳极电场的作用下，等离子体逐渐从阴极空腔扩散到主耐压间隙，使得间隙发生击穿，开关阳极电压迅速回落、阴极发射电流呈几何级倍增，促使开关快速闭合，将电路中脉冲电容所储存的能量在极短的时间内全部释放出来，从而实现高峰值功率的输出与调制。
1.2 样管结构设计
设计正负极性伪火花开关，按功能主要划分为三部分：主电极及绝缘管壳结构设计；初始电子产生结构设计；气源贮存结构设计。
1.2.1 主电极及绝缘管壳结构设计
依据开关工作电压和工程使用的尺寸要求，结合模块化设计思路，形成8间隙9电极结构[11]，设计整管固定高度113 mm、单间隙绝缘瓷环高度13 mm，每个间隙的极限耐压40 kV，开关设计工作电压±100 kV。开关外形及实物图如图1所示。
1.2.2 初始电子产生结构设计
为满足不同的工程使用环境的需求，项目组对电触发和光触发两种模式进行了研究；电触发模式初始电子产生机理是触发电脉冲在高介电材料表面滑闪电离工作气体[12]，光触发（空间光及光纤传输激光能量）模式的机理是光致电离与金属表面等离子体的综合作用；二种模式的触发结构示意图如图2所示。
1.2.3 气源贮存结构设计
为满足不同工况下的温度使用需求，开关设计工作温度范围为−50～55 ℃，采用宽温域特种储气材料，使开关在要求的温度范围内工作气体压力保持在10～100 Pa，储气材料采用注射成型工艺压制成1 mm厚的薄片，整管内部设计薄片固定盒，将材料固定在内部。固定结构和开关触发电极的相对位置示意如图3所示。
2. 正负极性伪火花开关样管测试
项目组制备了电触发及光触发样管，二类开关绝缘耐压结构一致，只在触发结构上做微调。耐压指标主要用电触发样管考核，同步开展时间参数测试；光触发的性能指标只在大气环境下做触发激光能量以及时间参数的测试。
2.1 电触发样管测试
项目组搭建了类似LTD单元放电支路的测试电路[13]，放电回路原理图及实物照片如图4所示，储能电容指标100 nF/100 kV，负载电阻5.4 Ω（单个电阻极限通流15 kA，所以采用单体阻值5.4 Ω的电阻，二串二并的形式，实现负载电阻最大通流30 kA），触发脉冲指标为空载−5 kV/脉冲电流18 A/脉冲宽度2 μs。
图 4 放电回路的原理及实物图(电触发)Figure 4. Principle and physical diagram of discharge circuit (electric trigger)在该平台下，正负极性伪火花开关在±60 kV/16.2 kA放电下实测抖动7 ns（包含开关及光电转换器的抖动），具体测试数据见表1，测试波形如图5所示。
表 1 电触发正负极性伪火花开关抖动数据表Table 1. Jitter data table of electrically triggered positive and negative polarity pseudo spark switchnumber of experiments take off time/ns jitter/ns working voltage/kV peak current/kA 1 622 7 ± 60 16.2 2 617 7 ± 60 16.2 3 626 7 ± 60 16.2 4 624 7 ± 60 16.2 5 631 7 ± 60 16.2 6 629 7 ± 60 16.2 7 614 7 ± 60 16.2 8 622 7 ± 60 16.2 9 635 7 ± 60 16.2 10 627 7 ± 60 16.2 2.2. 空间光触发样管测试
光触发样管平台在大气环境下建立，主要验证空间光触发模式下的光学和时间性能参数，回路原理及实物图如图6所示[14]。
图 6 放电回路的原理及实物图（空间光）Figure 6. Principle and physical diagram of discharge circuit (space light)在±10 kV/1.4 kA工作条件下，最低光触发能量0.15 mJ（532 nm），此时开关抖动较大，约为200 ns；当提高触发激光能量至1 mJ，开关抖动降低至3 ns。具体测试结果详见表2，测试波形如图7所示。
表 2 光触发正负极性伪火花开关抖动数据表Table 2. Jitter data table of light triggered positive and negative polarity pseudo spark switchnumber of experiments take off time/ns jitter/ns working voltage/kV peak current/kA minimum light triggering energy/mJ 1 62 3 ± 10 1.4 0.15 2 64 3 ± 10 1.4 0.15 3 63 3 ± 10 1.4 0.15 4 66 3 ± 10 1.4 0.15 5 65 3 ± 10 1.4 0.15 6 62 3 ± 10 1.4 0.15 7 66 3 ± 10 1.4 0.15 8 65 3 ± 10 1.4 0.15 9 66 3 ± 10 1.4 0.15 10 70 3 ± 10 1.4 0.15 2.3 光纤传输激光能量触发样管测试
为更加适用于复杂的工程环境[15]，将光能量通过石英光纤传输，光纤输入端集成光收集器，输出端集成准直及聚焦器（将光纤传输的激光准直后输出），总激光传输损耗30%，焦距为20～30 mm，532 nm激光最大传输能量为20 mJ，搭建的电路光路原理图及实物照片如图8所示。
图 8 放电回路的原理及实物图(光纤传输激光)Figure 8. Principle and physical diagram of discharge circuit (fiber transmission laser)在±10 kV/2 kA工作条件下，最低光触发能量3 mJ，此时开关抖动较大，约为300 ns；当提高触发激光能量至5 mJ，开关抖动降低至3 ns。具体测试结果详见表3，测试波形如图9所示。
表 3 光纤触发正负极性伪火花开关抖动数据表Table 3. Jitter data table of fiber triggered positive and negative polarity pseudo spark switchnumber of
experimentstake off
time/nsjitter/ns working
voltage/kVpeak
current/kAthe lowest light triggering energy
after collimation and focusing/mJ1 91 3 ± 10 2 3 2 94 3 ± 10 2 3 3 96 3 ± 10 2 3 4 92 3 ± 10 2 3 5 93 3 ± 10 2 3 6 97 3 ± 10 2 3 7 94 3 ± 10 2 3 8 99 3 ± 10 2 3 9 102 3 ± 10 2 3 10 100 3 ± 10 2 3 
图 9 十发次累积波形图(光纤传输激光)Figure 9. Cumulative waveforms of 10 pulses (fiber transmission laser)3. 结 论
本文总结了项目组对正负极性伪火花开关开展的阶段性研究工作，在电触发模式下，对开关电极及绝缘耐压结构的合理性进行实验验证；同时分别对电触发和光触发（空间光、光纤传输激光）模式下的时间参数和光学参数进行了测试。测试开关在±60 kV电压下，电触发（触发脉冲指标为空载−5 kV/脉冲电流18 A/脉冲宽度2 μs）模式下，开关抖动7 ns；采用1 mJ/532 nm的空间激光触发时，开关抖动为3 ns（最低光触发能量0.15 mJ）；采用光纤传输532 nm激光触发时，当准直聚焦输出后能量为5 mJ时，开关抖动3 ns（最低可触发的准直聚焦输出后能量为3 mJ）。
后续项目组拟进行更高电压等级下的系统测试，深入开展不同光电阴极材料、抗烧蚀电极材料、不同光纤准直聚焦距离以及不同的工作气体等方面的实验研究，为伪火花开关研制和创新发展提供详实的基础数据，促进其在脉冲功率等相关技术领域的工程应用。
致 谢 感谢西北核技术研究院黄珂团队以及中国工程物理研究院流体物理研究所黄子平团队给予的指导和帮助。
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图 4 放电回路的原理及实物图(电触发)
Figure 4. Principle and physical diagram of discharge circuit (electric trigger)
图 6 放电回路的原理及实物图（空间光）
Figure 6. Principle and physical diagram of discharge circuit (space light)
图 8 放电回路的原理及实物图(光纤传输激光)
Figure 8. Principle and physical diagram of discharge circuit (fiber transmission laser)
图 9 十发次累积波形图(光纤传输激光)
Figure 9. Cumulative waveforms of 10 pulses (fiber transmission laser)
表 1 电触发正负极性伪火花开关抖动数据表
Table 1. Jitter data table of electrically triggered positive and negative polarity pseudo spark switch
number of experiments take off time/ns jitter/ns working voltage/kV peak current/kA 1 622 7 ± 60 16.2 2 617 7 ± 60 16.2 3 626 7 ± 60 16.2 4 624 7 ± 60 16.2 5 631 7 ± 60 16.2 6 629 7 ± 60 16.2 7 614 7 ± 60 16.2 8 622 7 ± 60 16.2 9 635 7 ± 60 16.2 10 627 7 ± 60 16.2 
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表 2 光触发正负极性伪火花开关抖动数据表
Table 2. Jitter data table of light triggered positive and negative polarity pseudo spark switch
number of experiments take off time/ns jitter/ns working voltage/kV peak current/kA minimum light triggering energy/mJ 1 62 3 ± 10 1.4 0.15 2 64 3 ± 10 1.4 0.15 3 63 3 ± 10 1.4 0.15 4 66 3 ± 10 1.4 0.15 5 65 3 ± 10 1.4 0.15 6 62 3 ± 10 1.4 0.15 7 66 3 ± 10 1.4 0.15 8 65 3 ± 10 1.4 0.15 9 66 3 ± 10 1.4 0.15 10 70 3 ± 10 1.4 0.15
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表 3 光纤触发正负极性伪火花开关抖动数据表
Table 3. Jitter data table of fiber triggered positive and negative polarity pseudo spark switch
number of
experimentstake off
time/nsjitter/ns working
voltage/kVpeak
current/kAthe lowest light triggering energy
after collimation and focusing/mJ1 91 3 ± 10 2 3 2 94 3 ± 10 2 3 3 96 3 ± 10 2 3 4 92 3 ± 10 2 3 5 93 3 ± 10 2 3 6 97 3 ± 10 2 3 7 94 3 ± 10 2 3 8 99 3 ± 10 2 3 9 102 3 ± 10 2 3 10 100 3 ± 10 2 3
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