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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*高壓強流脈沖功率控制裝置,將具有通流容量大、觸發(fā)機構(gòu)隔離與重頻觸發(fā)控制方便、觸發(fā)時延抖動小等顯著優(yōu)勢。但關(guān)于LTVS的觸發(fā)機理和初始等離子體特性的研究,國內(nèi)外的相關(guān)研究報告不多見,研究剛剛起步,很不成熟。將以自行設(shè)計的激光觸發(fā)真空OMAL開關(guān)為對象,進行OMAL開關(guān)的觸發(fā)機理、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)影響要素與影響機制等的實驗與理論研究。

激光觸發(fā)真空歐瑪爾OMAL開關(guān)的觸發(fā)特性研究
針對配套激光器小型化要求,對激光觸發(fā)目標材料結(jié)構(gòu)、激光光路與聚焦方式、激光波形參數(shù)等進行優(yōu)化設(shè)計方法研究,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、多光子電離和級聯(lián)電離五種方式;對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；目標材料選擇的標準是逸出功、活躍性、熔點和毒性,材料太活躍、有毒或者熔點低都不適合做目標材料。如果目標材料的逸出功小于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,實驗選擇了KCl和Ti的混合物作為目標材料,選擇KCl的原因是其良好的溫度-蒸汽壓力特征(當達到一定溫度時,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1064nm的激光聚焦在目標材料時,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),在光場和電場的共同作用下,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動,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的作用下,進一步發(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,將OMAL開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為多棒極,避免了真空電弧的集中燒蝕難題,增加了間隙距離。同時改進了目標材料的結(jié)構(gòu),將其設(shè)計為圓錐形,置于陰極之上,這樣增大目標材料的受光面積,使目標材料壽命得到提高,且減少了對激光能量的要求。 接著對初始等離子體的發(fā)展過程進行仿真,同時開展了兩種類型OMAL開關(guān)的電場仿真。設(shè)計了初始等離子體電流測量的電路,并且分析了初始等離子體和真空電弧的發(fā)展過程。zui后搭建實驗平臺,完成對不同目標材料及混合目標材料、通孔直徑、凹槽深度、OMAL開關(guān)型式、聚焦長度、離焦量和偏振的實驗,并且應(yīng)用了雙脈沖激光器。實驗發(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,初始等離子體運動速度越快,形成流注放電速度越快,時延越短。不同激光波長產(chǎn)生初始等離子體的機理可能不同,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,使得OMAL開關(guān)工作穩(wěn)定,時延較短。多棒型不僅有利于電弧的擴散,而且*的目標材料位置,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材料的相互作用更強,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)通過程機理,有助于人們對LTVS原理的深入認識與應(yīng)用,對配套激光器小型化、LTVS的應(yīng)用開發(fā)研究提供基礎(chǔ)與指導(dǎo)。