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激光觸發(fā)真空歐瑪爾OMAL開關(guān)的觸發(fā)特性研究
激光觸發(fā)真空OMAL開關(guān)結(jié)合了電氣觸發(fā)真空OMAL開關(guān)和激光觸發(fā)氣體OMAL開關(guān)技術(shù),將可能是一種*高壓強(qiáng)流脈沖功率控制裝置,將具有通流容量大、觸發(fā)機(jī)構(gòu)隔離與重頻觸發(fā)控制方便、觸發(fā)時(shí)延抖動(dòng)小等顯著優(yōu)勢(shì)。但關(guān)于LTVS的觸發(fā)機(jī)理和初始等離子體特性的研究,國內(nèi)外的相關(guān)研究報(bào)告不多見,研究剛剛起步,很不成熟。將以自行設(shè)計(jì)的激光觸發(fā)真空OMAL開關(guān)為對(duì)象,進(jìn)行OMAL開關(guān)的觸發(fā)機(jī)理、初始等離子體特性及發(fā)展過程、主間隙引弧過程以及有關(guān)影響要素與影響機(jī)制等的實(shí)驗(yàn)與理論研究。

激光觸發(fā)真空歐瑪爾OMAL開關(guān)的觸發(fā)特性研究
針對(duì)配套激光器小型化要求,對(duì)激光觸發(fā)目標(biāo)材料結(jié)構(gòu)、激光光路與聚焦方式、激光波形參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究,盡可能地降低需要的激光觸發(fā)能量,優(yōu)化OMAL開關(guān)的工作性能。首先分析了LTVS的觸發(fā)機(jī)理,分為激光燒蝕、光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射、多光子電離和級(jí)聯(lián)電離五種方式;對(duì)比了三種不同工作物質(zhì)的激光器：固體激光器、氣體激光器和染料激光器,選用固體Nd:YAG激光器作為觸發(fā)源；目標(biāo)材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)是逸出功、活躍性、熔點(diǎn)和毒性,材料太活躍、有毒或者熔點(diǎn)低都不適合做目標(biāo)材料。如果目標(biāo)材料的逸出功小于4.66eV,那么選擇266nm的激光比較合適,容易發(fā)生光電效應(yīng)。為了降低OMAL開關(guān)導(dǎo)通所需的激光能量,實(shí)驗(yàn)選擇了KCl和Ti的混合物作為目標(biāo)材料,選擇KCl的原因是其良好的溫度-蒸汽壓力特征(當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí),固態(tài)材料蒸發(fā)為氣態(tài))和低電離能,鈦粉的作用是吸收激光輻射。當(dāng)1064nm的激光聚焦在目標(biāo)材料時(shí),鈦粉吸收激光能量,將熱量傳遞給,固態(tài)受熱揮發(fā)成氣態(tài),在光場(chǎng)和電場(chǎng)的共同作用下,熱離子發(fā)射或者多光子電離產(chǎn)生初始等離子體,初始等離子體加速向電極運(yùn)動(dòng),撞擊電極表面,產(chǎn)生大量電子、金屬離子和金屬蒸汽,電子、金屬離子和金屬蒸汽在電場(chǎng)的作用下,進(jìn)一步發(fā)生碰撞電離,釋放更多的電子、離子、原子和微粒,放電通道形成,OMAL開關(guān)導(dǎo)通。其次設(shè)計(jì)了兩種類型的激光觸發(fā)真空OMAL開關(guān),平面型LTVS和多棒型LTVS。以往的LTVS間隙距離小于5mm,難以承受很高的電壓,OMAL開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為平面型,真空電弧容易積聚,難以耐受很高的電流,借鑒真空觸發(fā)OMAL開關(guān)的經(jīng)驗(yàn),將OMAL開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為多棒極,避免了真空電弧的集中燒蝕難題,增加了間隙距離。同時(shí)改進(jìn)了目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu),將其設(shè)計(jì)為圓錐形,置于陰極之上,這樣增大目標(biāo)材料的受光面積,使目標(biāo)材料壽命得到提高,且減少了對(duì)激光能量的要求。 接著對(duì)初始等離子體的發(fā)展過程進(jìn)行仿真,同時(shí)開展了兩種類型OMAL開關(guān)的電場(chǎng)仿真。設(shè)計(jì)了初始等離子體電流測(cè)量的電路,并且分析了初始等離子體和真空電弧的發(fā)展過程。zui后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),完成對(duì)不同目標(biāo)材料及混合目標(biāo)材料、通孔直徑、凹槽深度、OMAL開關(guān)型式、聚焦長度、離焦量和偏振的實(shí)驗(yàn),并且應(yīng)用了雙脈沖激光器。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),間隙電壓、激光波長、激光能量、極性配置、OMAL開關(guān)型式、偏振作用、離焦量和聚焦長度對(duì)OMAL開關(guān)的觸發(fā)特性都有影響。間隙電壓越大,初始等離子體運(yùn)動(dòng)速度越快,形成流注放電速度越快,時(shí)延越短。不同激光波長產(chǎn)生初始等離子體的機(jī)理可能不同,激光能量越大,產(chǎn)生的初始等離子體越多。在正極性模式下,有利于形成陰極斑點(diǎn),使得OMAL開關(guān)工作穩(wěn)定,時(shí)延較短。多棒型不僅有利于電弧的擴(kuò)散,而且*的目標(biāo)材料位置,有利于初始等離子體的發(fā)展。橢圓偏振光相比線偏振光和目標(biāo)材料的相互作用更強(qiáng),更有利于OMAL開關(guān)的導(dǎo)通。

激光觸發(fā)真空歐瑪爾OMAL開關(guān)的觸發(fā)特性研究
聚焦長度越小,使得光斑面積越小,激光功率密度越大,產(chǎn)生的初始等離子體越多。離焦量的改變,主要是影響激光光斑面積,離焦量越小,光斑面積越小。研究可揭示LTVS的初始等離子體特性及其導(dǎo)通過程機(jī)理,有助于人們對(duì)LTVS原理的深入認(rèn)識(shí)與應(yīng)用,對(duì)配套激光器小型化、LTVS的應(yīng)用開發(fā)研究提供基礎(chǔ)與指導(dǎo)。