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能源模块是大型激光设备中的一个重要单元,可提供设备所需的脉冲电流以触发氙灯,使激光束的能量产生增益。
大电流闭合开关是大功率能源系统中的重要组成部分,因为开关特性及性能将会影响到输出脉冲波形的上升时延和输出幅值。
目前用于脉冲功率系统的开关有以下几种,引燃管,气体开关,真空触发开关以及半导体开关等[1-6]。采用石墨作为电极材料的两电极气体开关适用于一些较为特殊的场合中,例如,放电能量达到1.0 MJ,放电电流幅值达到300 kA,单次转移库仑量达到100库仑(C)[1]。因此,两电极气体开关广泛应用于大功率能源模块中。有文献提及,采用石墨作为电极材料的两电极气体开关ST-300系列已经成功应用于美国国家点火装置(NIF)的主放电回路中[7-8]。
脉冲发生器用于触发气体开关,由于开关两端同时加载了直流电压与脉冲电压,在这二者的共同作用下,气体开关的击穿是一个复杂的过程。通过大量的实验可知,在合适的工作气压下气体开关可以被顺利的触发。因为工作气压将会影响到开关的自击穿电压,过高的自击穿电压将会导致开关的拒动作,反之,过低的自击穿电压将会导致开关的自闪。工作电压与自击穿电压之比即为欠压比。合适的欠压比取决于气体开关的工作气压。
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在脉冲电压下气体开关的击穿特性与脉冲电压的幅值及上升时延密切相关。然而,纳秒脉冲下的击穿特性又有着其独特之处。
图5为在不同的工作气压下气体开关的直流耐压水平曲线,图中每个点为该工作气压下10组自击电压的平均值。
Marx发生器空载输出的电压峰值及上升时延是恒定不变的,但气体开关内部工作气压和加载于开关两端的直流电压均为可调的。在不同工作气压下,气体开关的脉冲击穿电压如图6所示。图6的每个视图显示了在开关两端加载不同的直流电压下,击穿电压与工作气压关系。
当工作气压可调时,在各不同工作气压下,气体开关的脉冲击穿电压与开关两端加载的直流电压间关系如图7所示。
从图6与图7中可以发现,脉冲条件下气体开关的击穿特性与气体间隙的静态特性相关。因此,直流电压与脉冲电压叠加下气体开关的击穿特性可以通过分析其静态特性来进行研究。从图5中可以看到,气体开关的自击电压与工作气压之间呈线性关系,其自击电压的分散性随着工作气压的增大而增大。
假定,气体开关电极间的初始距离为a mm,从图5中的曲线可知,气体开关的自击电压与工作气压之间的关系如下所示。
((1)) 式中:U为气体开关的自击电压,kV;a为两电极间的初始距离,mm;P为两电极间的工作气压,kPa。
式(1)为对图5中测量数据的拟合所得,假定电极的烧蚀率为b mm/C,经过n C的库仑量转移之后,气体开关的自击电压与工作气压之间的关系如下所示。
((2)) 式中:b为电极的烧蚀率,mm/C。
气体开关的工作气压可以依据式2计算得到:电荷转移量将会导致电极的烧蚀,电极间距将会随着电极的烧蚀而增大,随之而来的是气体开关自击电压升高。此时,需要降低开关的工作气压P,以使得开关的自击电压随之降低,以保证开关能够被稳定的触发。
上述过程持续反复,当连续数百次大库仑量放电之后,电极的烧蚀将持续至开关内部气压降至与外部气压相等,此时,已无法通过调节气压的方式降低开关的自击电压,这导致欠压比降低。并且随着自击电压的升高,开关触发失败的几率将会上升。当触发失败率超出设计值时,则可以认为是开关寿命的终结。
气体开关的自击电压取决于其欠压比范围以及直流加载电压,因此,可以通过调节气压对开关的自击电压进行调节。气体开关的气压调节策略如图8所示。
图8所示的为气体开关在四个阶段中自击电压与工作气压的关系曲线。由两电极间加载的直流电压可得其自击电压范围(U1,U2),假定开关初始放电次数为n0,初始状态下,自击电压的下限值U1,工作气压为P0;随着放电的进行,电极间距逐渐增大。经过n次放电之后,自击电压升至其上限值U2,在该电压下,气体开关将无法被触发导通。此时,需要依据图8中所示的曲线将开关内部气压由P0调整至P1,使得气体开关的自击电压回归至U1。如此反复,使气体开关的自击电压保持在U1与U2之间,以保证开关能够被顺利触发导通。