激光触发真空开关关键行为研究

TLTVS（Laser Triggered Vacuum Switch）is a suitable switch device for controlling in pulsed power system. It contains the generation and propagation of initial plasma and dynamic characteristics of high-frequency dielectric recovery. This is one of the leading subject fields of electrical switches. The generation and propagation of initial plasma and dynamic characteristics of high-frequency dielectric recovery are the fundamental processes, which have significant influence on its operating characteristics (e.g., delay characteristics, dielectric recovery, and reliability of the trigger repetition rate, working life, and trigger accuracy). The project aims to study the formation and diffusion mechanism and high-frequency interruption mechanism of LTVS initial plasma, and to study their impact on the main gap conduction and breaking characteristic parameters, which focuses on the life of the trigger, the trigger accuracy (jitter time), flow capacity, the impact of dielectric recovery. High power and high precision pulsed power switch with new structures and forms with repetition rate are of great concern in recent years. The research on key behaviors and factors of LTVS clears obstacles for the basis of the theoretical aspects of this application, and explores new structure of the pulse power switch, so that this can provide technical support for the development of new LTVS and its synchronization controller.

激光真空触发开关LTVS(Laser Triggered Vacuum Switch)是一种适合于对脉冲功率进行控制的开关器件，其关键行为包含初始等离子体的产生和扩展特性以及高频动态介质恢复特性，是当前开关电器领域前沿课题之一。LTVS初始等离子体的产生和扩展以及高频动态介质恢复特性是其基础过程，对其运行特性（如时延特性、介质恢复、触发可靠性、重复频率、工作寿命及触发精度等）有重要影响。本项目旨在研究LTVS运行时初始等离子体的形成与扩散机理及高频开断机理，并研究其对主间隙导通与开断特性参数的影响，着重研究其对触发寿命、触发精度（抖动时间）、通流能力、介质恢复的影响。高精度大功率及具备一定重复频率脉冲功率开关的新结构及形式是近年来十分关注的，本项目研究LTVS的关键行为与影响因素就是在基础理论方面为这一应用扫清障碍，探索脉冲功率开关新结构形式，为新型LTVS及同步控制器的开发提供技术支持。

激光触发真空开关（LTVS）是一种综合性能优异，极具开发和应用前景的脉冲功率闭合开关，其关键工作特性取决于脉冲激光、真空电弧、触发材料三者间的相互作用。基于激光与材料相互作用数学物理模型，引入影响因子分析了不同参数对间隙内初始等离子体产生和发展过程的影响；建立多场耦合模型研究LTVS触发导通过程中间隙内等离子发展运动的微观特性。设计并搭建了基于可拆卸真空腔体的激光触发真空开关工作特性试验平台，研究涉及脉冲激光、触发材料、电极等要素的多个变量对LTVS触发特性的影响，结合试验规律进一步分析间隙内初始等离子体的产生和发展特性与真空电弧的形成机制；优化参数后可将开关触发时延控制在31ns以内。试验研究了不同电弧参数对LTVS高频开断特性的影响，分析弧后阶段真空电弧与触发材料的相互作用及触发间隙的介质强度恢复特性；探明LTVS高频开断能力随不同因素的变化规律。改变触发材料、电极结构等因素，分别研究了LTVS的寿命劣化特性和大电流燃弧特性。在以上研究基础上，结合实际需求进一步优化开关内部结构，设计并研制了一种高性能的激光触发真空开关样机。样机耐压能力高于30kV，通流能力大于100库伦，最低触发电压低于72V，最低触发能量低于10mJ；设计并搭建了样机配套的能量光纤触发系统，验证设计方案可行性，克服LTVS实用化面临的可靠性低等问题；空间光触发时样机触发时延可控制在35ns以内。针对脉冲功率系统对高压、大容量闭合开关的需求，课题提出了多间隙串联激光触发真空开关和激光触发多级真空开关两种结构，设计并研制了串联LTVS样机，研究两种工作方式下开关的触发导通过程。课题研究揭示了LTVS触发过程中初始等离子体的产生和发展机制，探明其弧后介质强度恢复过程，为下一步高压、大容量多间隙串联的激光触发真空开关研究奠定坚实的理论基础。