[发明专利]一种激光触发多级真空开关

说明书

本发明属于高压大功率脉冲功率开关技术领域，具体涉及一种激光触发多级真空开关。一种激光触发多级真空开关，包括激光触发真空间隙、多级自击穿真空间隙和触发系统；多级自击穿真空间隙通过紧固连接件固定在激光触发真空间隙的上端，均压环套装于上绝缘外壳外部；本发明采用激光触发真空间隙和多级自击穿真空间隙串联技术，二者相互配合实现激光触发多级真空开关在高压、高重频、大功率脉冲功率系统中的应用；采用多路激光同时轰击触发靶材，增大激光对靶材的作用面积，产生更多初始等离子体，进一步提升激光触发真空开关的导通性能，采用激光触发多级真空开关，避免长期维护所需的复杂工艺和高额成本。

技术领域

本发明属于高压大功率脉冲功率开关技术领域，具体涉及一种激光触发多级真空开关。

背景技术

随着我国大功率、高重频脉冲功率技术研究的不断进步及脉冲功率系统容量的不断增长，脉冲功率系统对其开关器件的导通时延、通流容量、高频开断、使用寿命等关键工作特性提出了更高要求。目前应用较为广泛的脉冲功率开关器件主要有气体触发开关和真空触发开关两种；根据开关触发方式不同，又可分为电脉冲触发和激光触发两种类型。其中，电脉冲触发开关是在主电极间隙设置触发电极，利用高压脉冲放电产生初始等离子体使间隙导通。电脉冲触发开关维持良好触发特性的前提是保持相对较高的欠压比并提供一定触发能量，这对其工作环境和触发系统提出了较高要求。电脉冲触发开关导通后电弧对触发极及触发极涂覆材料烧蚀较为严重，影响电脉冲触发开关的导通性能和使用寿命。激光触发开关以激光作为触发源，将触发系统与主电极间隙电气隔离，利用高能激光脉冲轰击靶电极产生初始等离子体导通主间隙。相较于电脉冲触发方式，激光触发开关具有导通延时短、触发精度高、控制便捷、可重复触发等优势，同时避免电弧烧蚀对触发极工作寿命的影响。因此在大功率、高重频脉冲功率系统中多采用激光触发的方式。

激光触发气体开关多采用SF6气体等绝缘性能良好的电负性气体作为开关的绝缘和灭弧介质，其导通延时可达数十纳秒。为满足高压、大功率脉冲功率系统对高性能开关器件的需求，有学者提出将激光触发气体间隙与多级过压自击穿气体间隙串联组成MV级激光触发多级多通道的气体开关，以SF6/N2的混合气体为开关绝缘和灭弧介质，其导通瞬时功率可达T瓦级，导通延时为10纳秒左右。但受SF6气体自身电气特性限制，激光触发气体开关的重频工作特性较差；且电弧放电会使开关内SF6气体大量分解，影响多级触发气体开关的工作稳定性，需要定期更换气体以维持开关工作性能，后期维护成本较高。

激光触发真空开关以真空为主电极间绝缘和灭弧介质，具有通流能力强、可靠性高、重频特性好、免维护等优势，相同条件下可获得优于激光触发气体开关的导通特性。目前国内外针对大功率激光触发开关器件的研究基本都集中在激光触发气体开关方面，高压、大功率激光触发真空开关的研究未见报道。这是由于真空间隙的耐压水平与其间隙距离间存在非线性增长关系，限制了激光触发真空开关的应用电压等级。基于多断口真空断路器技术和激光触发多级气体开关技术相关研究，若将激光触发真空间隙与多级过压自击穿真空间隙串联组成激光触发多级真空开关；设置合理的间隙距离、设计各部分电极结构和激光光路，以满足脉冲功率系统对开关电压等级和导通性能的需求；充分利用激光触发真空开关的导通优势与真空短间隙的灭弧和绝缘特点，大幅提升开关的重频开断能力，同时有效降低后期维护成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于激光触发真空间隙与自击穿真空间隙串联的高压、大功率激光触发多级真空开关；设计激光触发系统，产生多路能量相等的平行激光同时轰击多个靶电极中触发靶材，提升激光触发真空间隙的导通特性，与多级过压自击穿真空间隙相配合，使激光触发多级真空开关获得更佳的导通性能；通过调控多级自击穿真空间隙内电极结构，利用间隙间磁场的协同作用提升激光触发多级真空开关的重频开断能力。

本发明的技术方案：

一种激光触发多级真空开关，包括激光触发真空间隙、多级自击穿真空间隙和触发系统；