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激光觸發真空歐瑪爾OMAL開關的觸發特性研究
激光觸發真空OMAL開關結合了電氣觸發真空OMAL開關和激光觸發氣體OMAL開關技術,將可能是一種*高壓強流脈沖功率控制裝置,將具有通流容量大、觸發機構隔離與重頻觸發控制方便、觸發時延抖動小等顯著優勢。但關于LTVS的觸發機理和初始等離子體特性的研究,國內外的相關研究報告不多見,研究剛剛起步,很不成熟。將以自行設計的激光觸發真空OMAL開關為對象,進行OMAL開關的觸發機理、初始等離子體特性及發展過程、主間隙引弧過程以及有關影響要素與影響機制等的實驗與理論研究。

激光觸發真空歐瑪爾OMAL開關的觸發特性研究
針對配套激光器小型化要求,對激光觸發目標材料結構、激光光路與聚焦方式、激光波形參數等進行優化設計方法研究,盡可能地降低需要的激光觸發能量,優化OMAL開關的工作性能。首先分析了LTVS的觸發機理,分為激光燒蝕、光電效應、熱離子發射、多光子電離和級聯電離五種方式;對比了三種不同工作物質的激光器：固體激光器、氣體激光器和染料激光器,選用固體Nd:YAG激光器作為觸發源；目標材料選擇的標準是逸出功、活躍性、熔點和毒性,材料太活躍、有毒或者熔點低都不適合做目標材料。如果目標材料的逸出功小于4.66eV,那么選擇266nm的激光比較合適,容易發生光電效應。為了降低OMAL開關導通所需的激光能量,實驗選擇了KCl和Ti的混合物作為目標材料,選擇KCl的原因是其良好的溫度-蒸汽壓力特征(當達到一定溫度時,固態材料蒸發為氣態)和低電離能,鈦粉的作用是吸收激光輻射。當1064nm的激光聚焦在目標材料時,鈦粉吸收激光能量,將熱量傳遞給,固態受熱揮發成氣態,在光場和電場的共同作用下,熱離子發射或者多光子電離產生初始等離子體,初始等離子體加速向電極運動,撞擊電極表面,產生大量電子、金屬離子和金屬蒸汽,電子、金屬離子和金屬蒸汽在電場的作用下,進一步發生碰撞電離,釋放更多的電子、離子、原子和微粒,放電通道形成,OMAL開關導通。其次設計了兩種類型的激光觸發真空OMAL開關,平面型LTVS和多棒型LTVS。以往的LTVS間隙距離小于5mm,難以承受很高的電壓,OMAL開關的結構設計為平面型,真空電弧容易積聚,難以耐受很高的電流,借鑒真空觸發OMAL開關的經驗,將OMAL開關結構優化設計為多棒極,避免了真空電弧的集中燒蝕難題,增加了間隙距離。同時改進了目標材料的結構,將其設計為圓錐形,置于陰極之上,這樣增大目標材料的受光面積,使目標材料壽命得到提高,且減少了對激光能量的要求。 接著對初始等離子體的發展過程進行仿真,同時開展了兩種類型OMAL開關的電場仿真。設計了初始等離子體電流測量的電路,并且分析了初始等離子體和真空電弧的發展過程。zui后搭建實驗平臺,完成對不同目標材料及混合目標材料、通孔直徑、凹槽深度、OMAL開關型式、聚焦長度、離焦量和偏振的實驗,并且應用了雙脈沖激光器。實驗發現,間隙電壓、激光波長、激光能量、極性配置、OMAL開關型式、偏振作用、離焦量和聚焦長度對OMAL開關的觸發特性都有影響。間隙電壓越大,初始等離子體運動速度越快,形成流注放電速度越快,時延越短。不同激光波長產生初始等離子體的機理可能不同,激光能量越大,產生的初始等離子體越多。在正極性模式下,有利于形成陰極斑點,使得OMAL開關工作穩定,時延較短。多棒型不僅有利于電弧的擴散,而且*的目標材料位置,有利于初始等離子體的發展。橢圓偏振光相比線偏振光和目標材料的相互作用更強,更有利于OMAL開關的導通。

激光觸發真空歐瑪爾OMAL開關的觸發特性研究
聚焦長度越小,使得光斑面積越小,激光功率密度越大,產生的初始等離子體越多。離焦量的改變,主要是影響激光光斑面積,離焦量越小,光斑面積越小。研究可揭示LTVS的初始等離子體特性及其導通過程機理,有助于人們對LTVS原理的深入認識與應用,對配套激光器小型化、LTVS的應用開發研究提供基礎與指導。