一种激光触发串联电触发型双间隙真空开关

本发明属于高压大功率脉冲功率开关，具体涉及一种激光触发串联电触发型双间隙真空开关。

背景技术：

1、脉冲功率技术目前广泛应用于国防、能源、基础科研等领域。高压开关器件在脉冲功率系统的储能和脉冲形成等环节中起到决定性作用，开关的性能直接决定了脉冲功率系统的容量、输出波形质量等关键指标。

2、应用于脉冲功率系统的真空开关领域中，根据触发方式的不同有电触发和激光触发两种类型开关。电触发真空开关由外部设置的高压脉冲源击穿真空(场击穿真空触发开关)或击穿固体沿面(沿面闪络真空触发开关)，在触发电极与阴极之间形成放电通路，利用放电过程中产生的初始等离子体使开关导通。由于真空的绝缘特性，场击穿真空触发开关的触发阈值电压较高，且导通时延一般为微秒级，其导通性能劣于沿面闪络型真空触发开关，因而在实际中多采用沿面闪络型真空触发开关。激光触发真空开关利用脉冲激光作用阴极触头表面金属，阴极触头表面金属吸收激光能量，使其升温、熔化、蒸发、电离产生初始等离子体，完成开关的导通。为了过得更好的导通特性，一般在激光触发真空开关的阴极触发表面填充特殊金属制成的靶材，如氯化钾与钛的混合材料等。

3、由于真空间隙的耐压水平与间隙长度之间存在饱和效应，为了将激光触发真空开关应用到更高电压等级的脉冲功率系统中，一般采用多个真空间隙串联的方式。目前，国内外报道的多级激光触发真空开关的结构大都为一级激光触发间隙串联若干级真空短间隙，其工作过程可分为激光触发第一级间隙和剩余级联真空短间隙过电压自击穿两个阶段。在开关未导通时，第一级激光触发间隙与级联真空短间隙共同承担静态电压，从而提高了开关的整体耐压水平。激光脉冲轰击金属或金属靶材后，在间隙内产生初始等离子体使第一级真空间隙导通。第一级真空间隙导通后，该间隙承担的静态工作电压以脉冲电压的形式叠加到剩余的真空短间隙上，真空短间隙在过电压的作用下逐级发生击穿，从而完成整个开关的导通。根据平板电极的脉冲电压击穿判据可知，在脉冲电压的作用下，平板电极发生击穿需要一定的时间积累，这导致了第一个级联间隙的击穿需要较长的时间才能完成，延长了整个开关的导通时间，影响了脉冲功利性系统输出脉冲波形的参数指标。

技术实现思路

1、本发明提出一种激光触发真空间隙串联电触发真空间隙的脉冲功率系统用双间隙真空开关，其中电触发真空间隙的触发脉冲源由电阻耦合部分激光触发间隙导通后产生的脉冲电压提供，从而解决平板电极在脉冲电压下导通时间长的问题。该开关可以在提高耐压等级的基础上，降低整个开关的导通时间和抖动，获得更优的导通性能；合理的选择两个间隙内触头的结构尺寸，利用两者间产生磁场的相互配合，可以提升整个开关的重频开关能力；本发明中激光触发间隙与电触发真空间隙之间采用模块式螺纹连接的方式，既可以根据脉冲功率系统的要求配置参数合理的间隙，又便于超过寿命周期间隙的更换

2、本发明的技术方案：

3、一种激光触发串联电触发型双间隙真空开关，包括激光触发真空间隙、电触发真空间隙、激光触发系统和电阻耦合电触发系统；

4、激光触发间隙的阴极导电杆端部为螺杆结构，电触发真空间的阳极导电杆端部为螺母结构，两个间隙采用模块式螺纹结构连接；

5、所述的激光触发真空间隙包括带通光孔的阳极导电杆、上端盖、绝缘外壳、下端盖、阴极导电杆、带通光孔的阳极、带凹槽的阴极、靶材、屏蔽罩、通光镜片；

6、所述的通光镜片根据激光波长选择合适的透光参数，并与带通光孔的阳极导电杆、上端盖、绝缘外壳、下端盖、阴极导电杆等构成密封的真空腔体，保持开关所要求的真空度；

7、所述的激光触发真空间隙内部，屏蔽罩固定于绝缘外壳上，用于优化开关内部电场并起到防止电弧喷溅的作用。带通光孔的阳极导电杆、带通光孔的阳极、阴极凹槽和通光镜片的轴线位于同一直线上。靶材置于阴极凹槽内，为保证激光触发间隙的工作寿命，靶材上平面略低于带凹槽的阴极表面；

8、所述的电触发真空间隙包括阳极导电杆、上端盖、绝缘外壳、下端盖、中空的阴极导电杆、阳极、中空的阴极、触发电极、闪络沿面、绝缘法兰、屏蔽罩；

9、所述的电触发真空间隙由阳极导电杆、上端盖、绝缘外壳、下端盖、中空的阴极导电杆和绝缘法兰实现真空密封，保持开关所要求的真空度；

10、所述的电触发真空间隙内部，屏蔽罩固定于绝缘外壳上，用于优化开关内部电场并起到防止电弧喷溅的作用。触发电极通过绝缘法兰固定于中空的阴极导电杆，闪络沿面固定于触发电极端帽与中空的阴极凹槽之间。中空的阴极导电杆、中空的阴极、触发电极、闪络沿面和绝缘法兰的轴线位于同一直线上；

11、所述的激光触发系统包括信号传输光纤、激光器、触发控制器、聚焦镜片；

12、所述的耦合电触发系统包括耦合电阻、耦合电阻、耦合电阻、限流电阻、续流电容。耦合电阻并联于上端盖和下端盖之间；耦合电阻并联于下端盖和触发电极之间；耦合电阻一端与耦合电阻相连，另一端与下端盖相连；限流电阻和续流电容串联后，与耦合电阻并联。激光触发间隙与电触发间隙的静态分压比可以通过调整三个耦合电阻的阻值实现，电触发间隙中沿面闪络发生后的续流电流大小可以通过改变耦合电阻和限流电阻的阻值实现。根据脉冲功率系统的要求，通过合理配置三个耦合电阻和电流电阻，可以获得最优的开关性能；

13、所述的双间隙激光触发真空开关在脉冲功率系统未触发前，通过耦合电阻、耦合电阻、耦合电阻分压使触发电极获得静态电压，续流电容获得续流能量。当触发控制器获得触发指令后，触发信号通过耦合电阻传输给激光器，产生激光脉冲，激光脉冲经过聚焦镜片聚焦后，通过通光镜片轰击靶材以产生初始等离子体，激光触发间隙在静态工作电压和初始等离子的作用下导通。激光触发间隙导通后，其静态承担的电压将以脉冲电压的形式叠加到电触发真空间隙上，同时触发电极通过耦合电阻获得脉冲电压，使闪络沿面产生过电压发生闪络，续流电容通过限流电阻向闪络沿面提供能量，产生初始等离子体，从而使电触发真空间隙在静态工作电压、脉冲电压、初始等离子三者的共同作用下迅速的导通。

14、所述的带通光孔的阳极、带凹槽的阴极和阳极、中空的阴极包括平板型、纵磁型、横磁型中的一种或两种结构的相互组合。

15、根据脉冲功率系统对开关的要求，所述的闪络沿面可以选择高铝瓷；所述触发电极可以选择铜、钨、不锈钢等材料；所述的靶材可以选择氯化钾与钛的混合物、石墨、铜铬合金等材料，为保证开关的工作寿命，靶材上平面略低于凹槽的阴极表面；

16、本发明的有益效果：

17、1.本发明采用激光触发真空间隙与电触发真空间隙串联技术，可以将开关应用于更高电压等级的脉冲功率系统中，并且使开关获得更快的导通时间和更小的抖动。

18、2.本发明中电触发真空间隙的触发脉冲通过耦合电阻由本系统提供，无需外设脉冲电压发生器。

19、3.本发明中激光触发间隙与电触发真空间隙之间采用模块式螺纹连接的方式，既可以根据脉冲功率系统的要求配置参数合理的间隙，又便于超过寿命周期间隙的更换。