[实用新型]一种激光触发真空开关及开关系统

说明书

技术领域

本实用新型属于高压强流脉冲开关技术领域，更具体地，涉及一种激光触发真空开关及开关系统。

背景技术

脉冲功率技术是一种以较低的功率(电压、电流)储存电场(磁场)能量，将其以高得多的功率变换为脉冲电磁能量并释放到特定负载中去的电物理技术，也是纳秒脉冲电子学、通用高电压技术和应用物理学相结合的产物。随着其在国防和民用高科技中的迅速发展与应用，高压强流脉冲开关已成为制约现代脉冲功率技术发展的关键器件之一。如电磁轨道炮等电能驱动武器，要求将储能元件中的巨大能量在纳秒至亚毫秒的极短时间内通过开关释放到负载上，开关特性与脉冲电源的输出波形(特别是上升时间)直接关系到电磁发射等的参数(出膛速度、膛内运行时间)控制。而高功率激光器、高能长脉冲加速器、高功率微波武器等还要求开关具有高功率和高重复频率。因此，重频、高速、高压、大电流脉冲功率开关是国内外相关人员一直关注与致力研究发展的方向。

目前，研究得较多的高压强流开关主要有气体间隙开关、半导体开关和触发真空开关。其中，气体间隙开关简便易行，通流容量大，但其欠压比(可靠触发导通电压与自击穿电压之比)太高，即工作电压范围窄，一般仅为85％～100％自击穿电压，使用很不方便。半导体开关控制方便，易实现重频触发，但通流容量与陡度不够，制造成本高。触发真空开关通流容量大，通流陡度高，欠压比小(一般为5％～100％自击穿电压)，库仑电量导通特性好，可靠性高，对环境要求低，但其触发时延长，抖动大，寿命与工作稳定性差，绝缘隔离困难，重频触发控制难以实现。随着研究的深入，激光触发气体火花开关开始进入大家的视野并得以应用与发展。不过其有两大问题难以克服，一是对气体开关触发要求的激光能量比较大，使得激光触发系统的体积大、造价高，极大地阻碍了它的应用发展；二是它仍具有气体间隙开关欠压比高的缺点。

激光触发真空开关将激光触发气体火花开关和真空开关融合在一起，结合两者的优势，通过将激光照射在靶电极上产生初始等离子体，然后在主电极电压的作用下使开关导通。激光触发真空开关具有较宽的工作电压范围和较高的库仑电量导通特性，并且其触发系统相对独立，抗干扰能力强，触发稳定、时延短、抖动小，可实现重频触发。

激光触发真空开关虽然具有良好的前瞻优势，满足高压强流脉冲开关所要求的性能，但目前国内外关于激光触发真空开关的研究并不多，且大部分都处在原理性试探阶段。激光触发真空开关一般包括第一燃弧电极、第二燃弧电极和靶电极，第一燃弧电极和第二燃弧电极的两个相对的端面之间留有激光触发间隙，靶电极置于凹槽内固定，这种结构在电极之间形成电弧时，容易对阴极表面造成较大的烧蚀，触发形成的初始等离子到达阳极需要更多的外界能量和时间，使得开关的延时和抖动比较大，寿命较短。此外，这种结构的触发间隙较小(约5mm)，只有一条放电通道，承受外施电压的范围较窄(5～30KV)，耐流能力不佳(能承受的最大电流约为15KA)。这些导致激光触发真空开关触发需要的激光能量较大，随之配套的激光器系统比较庞大，需要配置电源供电器、水冷机、激光准直系统等附加装置，价格昂贵。基于上述原因，现有的激光触发真空开关很难用于实际应用与生产中。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种激光触发真空开关及开关系统，激光触发真空开关的工作电压可高达30kV，工作电流可高达500kA，不存在以往电脉冲触发高压隔离困难、触发稳定性差、使用寿命短等严重制约应用的问题，能有效降低激光触发能量，改善开关器件的延时与抖动。开关系统中与激光触发真空开关配套的激光系统大大简化，激光器完全实现了小型化，因而无需专门的电源供电器、水冷机和激光准直系统，可广泛应用于实际生产中。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种激光触发真空开关，其特征在于，包括密闭壳体、第一电极主件、第二电极主件；所述密闭壳体由绝缘外壳及设置在绝缘外壳两端的第一电极法兰和第二电极法兰构成；所述第一电极主件包括第一燃弧电极、第一电极平台和聚焦镜；所述第二电极主件包括第二燃弧电极、第二电极平台和靶电极；所述第一电极平台为中空的倒圆台形，通过金属套管固定在所述第一电极法兰上，所述聚焦镜嵌在所述金属套管内，与所述金属套管密封接触，所述金属套管上设有螺纹孔；所述第二电极平台为倒圆台形，通过电极底柱固定在所述第二电极法兰上，所述电极底柱上设有螺纹孔；所述靶电极位于所述第二电极平台上，与所述聚焦镜正对，所述聚焦镜的焦点落在所述靶电极上。

优选地，所述靶电极的底面与所述第二电极平台的表面持平。