0 引言
激光触发真空开关（Laser Triggered Vacuum Switch, LTVS）是结合了电触发真空开关和激光触发气体开关的技术特点发展而来的一种新型脉冲功率闭合开关，它将高能短脉冲激光作为开关触发源，具有触发时延短（ns级）、触发准确度高、工作寿命长以及抗干扰能力强等优点[1-3]。目前，LTVS在串联补偿电容保护[4]、电磁发射[5]等领域已取得了一定应用，在诸多脉冲功率系统中展现出巨大的发展前景[6]。
20世纪70年代以来，国内外学者针对LTVS的运行特性展开了大量研究。前苏联A. A. Makarevich等首次利用脉冲闭合真空开关，并对其导通特性进行研究，证明了LTVS具有不逊色于气体开关的运行特性[7-8]。美国的P. J. Brannon等建议选用钛粉和氯化钾混合材料作为LTVS的目标靶材，将电极间距 0.5mm LTVS在 20μJ激光能量下的触发时延控制在100ns[9]。国内华中科技大学何正浩等对多棒极型LTVS的触发特性和触发机理进行研究，结果表明多棒极型 LTVS相比于平板型 LTVS，其触发性能有显著的优势；通过光场和电场的共同作用使目标靶材产生初始等离子体，进而使得开关导通[10]。大连理工大学廖敏夫等基于可拆卸真空灭弧室研究了LTVS的触发特性，并针对开关触发性能提升给出了一定建议；通过采用90°锥型靶材可将电极间距 3mmLTVS的触发时延控制在17ns以内（激光能量24mJ）[11]。前人研究提出了LTVS初始等离子体的产生主要取决于激光对目标靶材的热作用，初始等离子体发展主要依赖间隙电场的加速作用的观点[9,12]。但现有观点对初始等离子体的形成和发展过程描述并不完善，难以可靠解释不同工作方式下LTVS的触发机制。
LTVS内初始等离子体的产生和发展主要受作用于靶表面的激光参数、电场强度、开关工作方式、电极间距等因素影响。本文基于可拆卸真空腔体建立实验电路，调整工作极性、电极间距、开关工作电压、作用于靶材表面的激光功率密度和焦斑面积等参数，得到不同条件下LTVS触发时延的变化规律；在此基础上结合前人研究，系统研究不同工作方式下触发间隙内初始等离子体的产生和发展过程，分析LTVS的触发机理，为LTVS工作性能的进一步提升奠定基础。
1 LTVS实验系统
1.1 实验平台
实验所用 LTVS样机为可拆卸双间隙真空腔体，其结构如图1所示。实验中将下级间隙做短接处理，利用抽气系统将腔体内真空度维持在 1×10-5Pa以下。LTVS选用纵磁杯状电极，电极直径为58mm，电极表面材料为CuCr50合金；靶材为钛（Ti）与氯化钾（KCl）粉末的混合物，充分混合后压制成90°锥型靶材，靶材顶部低于电极表面1mm。
图1 可拆卸双间隙真空腔体
Fig.1 Detachable double gap vacuum chamber
图2 为搭建的LTVS触发实验电路，包括可拆卸真空腔体、激光触发系统及 8.9μF脉冲电容，测得线路电感为4.8μH。激光触发系统中Nd：YAG固体激光器产生脉宽10ns、波长1 064nm的脉冲激光，设置激光能量为 5～24mJ可调，激光束经全反镜、聚焦镜后到达目标靶材表面。利用光电探测器捕捉脉冲激光信号。
图2 LTVS触发时延试验电路
Fig.2 Text circuit of the trigger time-delay of LTVS
1.2 LTVS典型触发波形
图3 为LTVS触发波形，图中U1为开关工作电压，U2为脉冲激光信号，IS为电流信号，脉冲激光信号开始上升至间隙工作电压开始下降的时间差为开关单次触发时延t1。相同实验条件下进行15次重复实验，取 15次重复实验的平均值为开关触发时延，取15次重复实验的标准差为开关抖动时延。由式（1）与式（2）计算可得到开关的触发时延与抖动时延分别为
式中，t为开关触发时延；tj为开关抖动时延；ti为开关单次触发时延；n为同一条件下实验次数。
图3 LTVS典型触发波形
Fig.3 Typical trigger waveforms of LTVS
2 不同极性LTVS触发特性
2.1 不同工作极性下LTVS触发特性
本节针对工作极性与 LTVS触发特性关系进行研究。设置电极间距为8mm，平面靶材表面激光焦斑面积约为1.126mm2。激光能量为10.59mJ，工作电压选取2kV、6kV、10kV、12kV和16kV。LTVS的工作极性分别设置为正极性和负极性作为对比。
不同工作极性下LTVS的触发时延如图4所示。在工作电压一定时，负极性LTVS触发时延明显长于正极性LTVS。此外，负极性工作方式下LTVS的触发时延随开关工作电压的增加迅速降低，而正极性LTVS的触发时延下降速率受工作电压影响较小。结合前人研究，负极性真空间隙内初始等离子体主要为质量较大的正离子，正极性间隙内主要为质量很小的电子。相同激光能量作用下，质量较大的正、负离子获得的初速度远低于电子，且激光与靶材相互作用产生电子数量远高于正、负离子，因此正极性LTVS可获得更短的触发时延。由于电子初速度较高，间隙电压变化对其加速效果的影响并不显著，故正极性开关触发时延随电压的变化不如负极性明显。
图4 不同工作极性下LTVS触发时延
Fig.4 The trigger time-delay of LTVS with different work polarities
根据上述实验结果分析，由于间隙电场对初始等离子体加速效果的差异，工作电压变化对负极性LTVS触发特性的影响要明显强于正极性开关。为进一步验证这一观点，结合间隙电场仿真，控制真空间隙内单位距离的电场强度不变，仅改变电极间距，即初始等离子体的运动距离，研究相应条件下LTVS的触发特性。图5为电极间距8mm时间隙内电场分布，取图中距间隙中心等间距两条直线上所有点电场强度的平均值作为主间隙电场强度。由上述方法可确定图5a中工作电压为12kV，主间隙电场强度为1kV/mm；图5b中工作电压为9kV，主间隙电场强度为0.75kV/mm。
图5 电极间距8mm时间隙内电场分布
Fig.5 Electric field distribution in the gap when electrode spacing is 8mm
结合电场仿真与实验数据，不断调整电极间距与工作电压的对应关系，使间隙内电场强度分别为1kV/mm和0.75kV/mm。由上述方法得到电极间距、工作电压以及电场强度三者之间关系见表1和表2。
表1 电场强度为1kV/mm时对应的电极间距与工作电压
Tab.1 The corresponding electrode spacing and working voltage at electric field intensity of 1kV/mm
电极间距/mm 工作电压/kV 电场强度/(kV/mm)2 6 0.999 84 4 8 0.999 72 6 10 1.000 32 8 12 1.000 42 10 14 1.001 11 12 16 1.001 63
表2 电场强度为0.75kV/mm时对应的电极间距与工作电压
Tab.2 The corresponding electrode spacing and working voltage at electric field intensity of 0.75kV/mm
电极间距/mm 工作电压/kV 电场强度/(kV/mm)2 4.5 0.749 86 4 6 0.749 91 6 7.5 0.749 76 8 9 0.749 89 10 10.5 0.750 23 12 12 0.751 24
根据仿真确定的电极间距与工作电压配比，调整开关工作电压，得到相同电场强度下不同电极间距LTVS的触发时延特性，结果如图6所示。
图6 不同电极间距下LTVS触发时延
Fig.6 The trigger time-delay of LTVS with different distances of clearance
相同激光能量和电场强度下，不同工作极性LTVS的触发时延均随电极间距的增加而增大；其中负极性开关触发时延的变化程度明显强于正极性开关。随着真空间隙电场强度的增加，负极性开关的触发时延减小。结合前文可知，在激光能量与电场强度一定时，质量较大的正离子获得的初速度与加速度远低于电子，因此负极性开关受电极间距的影响更明显。在工作极性相同时，增加电场强度会使初始等离子体获得的加速度有显著的提升，故开关的触发时延随电场强度增加迅速降低。
2.2 不同激光功率密度下LTVS触发特性
本节对比不同激光功率密度下 LTVS的触发特性。实验时平面靶材表面的激光焦斑面积约为1.126mm2。
式中， FA为锥靶表面焦斑面积；φ为靶材锥角。由式（3）计算可得锥型靶材表面的激光焦斑面积约为1.592mm2。进而得到激光功率密度为
式中， SP为激光功率密度；E为激光能量；wt为激光脉宽。由式（4）可得激光能量与锥靶表面的激光功率密度对应关系见表 3。设置 LTVS电极间距为 2mm，工作电压为 10kV。工作极性分别设置为正极性、负极性作为对比。
表3 激光能量与激光功率密度对应关系
Tab.3 The relationship between laser energy and laser power density
激光能量/mJ 功率密度/(107W/cm2)5.25 3.24 8.28 5.38 10.59 6.65 15.04 9.45 19.94 12.52 21.63 13.57 23.85 14.98
不同激光功率密度下LTVS的触发时延和抖动如图7所示。在工作极性相同时，随着激光功率密度的不断增加，LTVS触发时延呈现出持续减小的趋势；当激光功率密度超过 12.52×107W/cm2时，LTVS触发时延趋于稳定。正、负极性下LTVS触发时延的差距随激光功率密度增加明显减小，在激光功率密度为14.98×107W/cm2时正、负极性LTVS触发时延差距仅为 6.5ns。这是由于激光功率密度增加时，激光与目标靶材相互作用后更容易产生初始等离子体。当激光功率密度超过一定值时，其不再是影响LTVS触发时延的主要因素，并且极性效应对LTVS触发时延的影响也将减弱。由图7可知，正极性下 LTVS时延抖动不超过 6ns，而负极性下LTVS时延抖动不超过10ns。
图7 不同激光功率密度下LTVS触发时延
Fig.7 The trigger time-delay of LTVS with different laser power densities
2.3 不同激光焦斑面积下LTVS触发特性
本节对激光焦斑面积与LTVS触发特性关系进行研究。设置电极间距为 8mm，激光功率密度为6.65×107W/cm2。锥型靶材表面的激光焦斑面积分别选取 0.622mm2、1.018mm2、1.592mm2、1.788mm2、1.952mm2和2.8mm2。LTVS的工作电压分别选取2kV、10kV和 16kV。LTVS的工作极性分别设置为正极性和负极性作对比。图 8为不同激光焦斑面积下LTVS的触发时延。
图8 不同激光焦斑面积下LTVS触发时延
Fig.8 The trigger time-delay of LTVS with different laser focal areas
激光功率密度一定时，LTVS的触发时延随激光焦斑面积增大持续变小。另外，正极性LTVS的触发时延明显快于负极性 LTVS。随着激光焦斑面积的增加，目标靶材产生初始等离子体的数量将会增多，故增加激光焦斑面积可缩短LTVS触发时延。相同激光功率密度作用下，电子的初速度远大于正离子，因此相较于负极性LTVS，正极性LTVS触发时延明显更短。由图8可知，正极性下LTVS时延抖动不超过 7ns，而负极性下 LTVS时延抖动不超过 20ns。
3 实验结果分析
3.1 初始等离子体产生过程分析
激光会透过目标靶材表层向内进行传播，并在靶材内以热量的形式传递，使靶材表层的温度急剧升高。当靶材表层温度超过其沸点时，靶材将会气化形成蒸气粒子。蒸气粒子将继续吸收激光能量，当其温度升高到一定程度时将电离形成高温高密度的等离子体。等离子体将继续吸收剩余激光能量并向外快速膨胀，形成等离子爆炸冲击波[13]。F. P.Gagliano提出用无纲量吸收常数B表示激光与目标靶材相互作用后，目标靶材的爆炸程度；B值越小，激光烧蚀目标靶材深度越深，形成的爆炸程度越强烈[14]。本文引入B来表征激光与目标靶材的作用过程为
式中，λt为靶材的热传导系数；αA为靶材的激光吸收率；Lv为靶材的蒸发温度；PS为激光的功率密度；cp为靶材的比定压热容。
本文假定靶材自身特性的相关系数为常数 K。相同激光焦斑面积条件下，由式（5）可知，激光功率密度 SP持续增加时，无纲量吸收常数B持续减小，因此激光烧蚀目标靶材深度越深，形成的爆炸程度越强烈。爆炸程度的增加有利于LTVS触发间隙内产生初始等离子体，同时提高初始等离子体获得的初速度，故LTVS触发时延随激光功率密度的增加而减小。当激光功率密度超过 12.52×107W/cm2时，激光与目标靶材相互作用后会产生足够多的初始等离子体，初始等离子体的数量将趋于饱和，因此LTVS触发时延下降率随激光功率密度增加逐渐平缓。同时，靶材产生的大量初始等离子体几乎充满整个触发间隙，从而减弱极性效应对LTVS触发时延的影响，故随着激光功率密度的增加，正、负极性下LTVS触发时延差距明显缩小。
相同激光功率密度条件下，由式（5）可知，无纲量吸收常数B保持不变，即表示激光烧蚀目标靶材的深度相同。增加激光焦斑面积代表激光与目标靶材相互作用的区域增加。随着激光焦斑面积的增加，目标靶材产生初始等离子体的数量迅速增多，这样更有利于LTVS的成功触发，从而使LTVS触发时延不断减小。
3.2 极性对初始等离子体发展过程的影响
目标靶材产生初始等离子体后，不同工作极性会使扩散到开关主间隙内初始等离子体种类不同，进而对初始等离子体发展过程产生影响。图9所示为不同工作极性下初始等离子体发展过程。正极性配置时，在间隙电场作用下，初始等离子体经LTVS触发间隙向阳极运动的粒子主要以电子为主，而初始等离子体向靶材所在阴极运动的粒子主要以正离子为主。负极性配置时，在间隙电场作用下，初始等离子体经LTVS触发间隙向阴极运动的粒子主要以正离子为主，而初始等离子体向靶材所在阳极运动的粒子主要以电子为主[15]。因电子质量远小于正离子质量，所以在相同激光功率密度作用下，电子获得的初速度远大于正离子，且激光与目标靶材相互作用后产生的电子数量远多于正离子；同时在相同工作电压作用下，电子获得的加速度远大于正离子，故在相同条件下，正极性LTVS的触发时延明显短于负极性LTVS。
图9 不同工作极性下初始等离子体发展过程
Fig.9 The development process of initial plasma under different working polarities
电极间距一定时，LTVS触发间隙内初始等离子体获得的加速度随电场强度增强迅速提高，因此LTVS触发时延随电场强度增加而明显减小。由于质量较小的电子获得的初速度较大，故间隙电场强度对电子运动速度产生的加速效果不如正离子明显，所以正极性LTVS受电场强度影响较弱。电场强度一定时，初始等离子体在触发间隙内获得的加速度保持不变，因此LTVS触发时延随电极间距增加而变大。在相同激光功率密度与电场强度条件下，电子获得的初速度与加速度远大于正离子，故相较于正极性 LTVS，负极性 LTVS受电极间距影响的效果更加明显。
4 结论
本文通过改变影响开关触发特性的激光参数与外电路参数等，分析不同参数对LTVS触发特性的影响，实验结果表明：
1）LTVS触发特性受工作极性的影响比较明显。相同条件下，电子获得的初速度与加速度均远大于正离子，故正极性LTVS触发时延更短。
2）随着激光功率密度的增加，初始等离子体的数量与初速度均有明显的提升，LTVS触发时延不断降低且下降趋势逐渐平稳。LTVS触发时延受极性效应的影响随激光功率密度增加而明显减小；在激光功率密度为 14.98×107W/cm2时，正负极性LTVS触发时延差距仅为6.5ns。
3）LTVS内初始等离子体的数量随激光与靶材相互作用面积的增加而增多，因此LTVS触发时延随激光焦斑面积的增加而缩短。在激光焦斑面积为2.8mm2时，正极性LTVS触发时延为31.2ns。
4）电场强度和电极间距对LTVS触发时延均有明显的影响；增加电场强度或减小电极间距可有效缩短LTVS触发时延。
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