雷射觸發真空開關關鍵行為研究

《雷射觸發真空開關關鍵行為研究》是依託大連理工大學,由廖敏夫擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雷射觸發真空開關關鍵行為研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：廖敏夫

項目摘要

雷射真空觸發開關LTVS(Laser Triggered Vacuum Switch)是一種適合於對脈衝功率進行控制的開關器件，其關鍵行為包含初始電漿的產生和擴展特性以及高頻動態介質恢復特性，是當前開關電器領域前沿課題之一。LTVS初始電漿的產生和擴展以及高頻動態介質恢復特性是其基礎過程，對其運行特性（如時延特性、介質恢復、觸發可靠性、重複頻率、工作壽命及觸發精度等）有重要影響。本項目旨在研究LTVS運行時初始電漿的形成與擴散機理及高頻開斷機理，並研究其對主間隙導通與開斷特性參數的影響，著重研究其對觸發壽命、觸發精度（抖動時間）、通流能力、介質恢復的影響。高精度大功率及具備一定重複頻率脈衝功率開關的新結構及形式是近年來十分關注的，本項目研究LTVS的關鍵行為與影響因素就是在基礎理論方面為這一套用掃清障礙，探索脈衝功率開關新結構形式，為新型LTVS及同步控制器的開發提供技術支持。

結題摘要

雷射觸發真空開關（LTVS）是一種綜合性能優異，極具開發和套用前景的脈衝功率閉合開關，其關鍵工作特性取決於脈衝雷射、真空電弧、觸發材料三者間的相互作用。基於雷射與材料相互作用數學物理模型，引入影響因子分析了不同參數對間隙內初始電漿產生和發展過程的影響；建立多場耦合模型研究LTVS觸發導通過程中間隙內等離子發展運動的微觀特性。設計並搭建了基於可拆卸真空腔體的雷射觸發真空開關工作特性試驗平台，研究涉及脈衝雷射、觸發材料、電極等要素的多個變數對LTVS觸發特性的影響，結合試驗規律進一步分析間隙內初始電漿的產生和發展特性與真空電弧的形成機制；最佳化參數後可將開關觸發時延控制在31ns以內。試驗研究了不同電弧參數對LTVS高頻開斷特性的影響，分析弧後階段真空電弧與觸發材料的相互作用及觸發間隙的介質強度恢復特性；探明LTVS高頻開斷能力隨不同因素的變化規律。改變觸發材料、電極結構等因素，分別研究了LTVS的壽命劣化特性和大電流燃弧特性。在以上研究基礎上，結合實際需求進一步最佳化開關內部結構，設計並研製了一種高性能的雷射觸發真空開關樣機。樣機耐壓能力高於30kV，通流能力大於100庫倫，最低觸發電壓低於72V，最低觸發能量低於10mJ；設計並搭建了樣機配套的能量光纖觸發系統，驗證設計方案可行性，克服LTVS實用化面臨的可靠性低等問題；空間光觸發時樣機觸發時延可控制在35ns以內。針對脈衝功率系統對高壓、大容量閉合開關的需求，課題提出了多間隙串聯雷射觸發真空開關和雷射觸發多級真空開關兩種結構，設計並研製了串聯LTVS樣機，研究兩種工作方式下開關的觸發導通過程。課題研究揭示了LTVS觸發過程中初始電漿的產生和發展機制，探明其弧後介質強度恢復過程，為下一步高壓、大容量多間隙串聯的雷射觸發真空開關研究奠定堅實的理論基礎。