激光触发真空欧玛尔OMAL开关的触发特性研究
激光触发真空OMAL开关结合了电气触发真空OMAL开关和激光触发气体OMAL开关技术,将可能是一种*高压强流脉冲功率控制装置,将具有通流容量大、触发机构隔离与重频触发控制方便、触发时延抖动小等显著优势。但关于LTVS的触发机理和初始等离子体特性的研究,国内外的相关研究报告不多见,研究刚刚起步,很不成熟。将以自行设计的激光触发真空OMAL开关为对象,进行OMAL开关的触发机理、初始等离子体特性及发展过程、主间隙引弧过程以及有关影响要素与影响机制等的实验与理论研究。

激光触发真空欧玛尔OMAL开关的触发特性研究
针对配套激光器小型化要求,对激光触发目标材料结构、激光光路与聚焦方式、激光波形参数等进行优化设计方法研究,尽可能地降低需要的激光触发能量,优化OMAL开关的工作性能。首先分析了LTVS的触发机理,分为激光烧蚀、光电效应、热离子发射、多光子电离和级联电离五种方式;对比了三种不同工作物质的激光器：固体激光器、气体激光器和染料激光器,选用固体Nd:YAG激光器作为触发源；目标材料选择的标准是逸出功、活跃性、熔点和毒性,材料太活跃、有毒或者熔点低都不适合做目标材料。如果目标材料的逸出功小于4.66eV,那么选择266nm的激光比较合适,容易发生光电效应。为了降低OMAL开关导通所需的激光能量,实验选择了KCl和Ti的混合物作为目标材料,选择KCl的原因是其良好的温度-蒸汽压力特征(当达到一定温度时,固态材料蒸发为气态)和低电离能,钛粉的作用是吸收激光辐射。当1064nm的激光聚焦在目标材料时,钛粉吸收激光能量,将热量传递给,固态受热挥发成气态,在光场和电场的共同作用下,热离子发射或者多光子电离产生初始等离子体,初始等离子体加速向电极运动,撞击电极表面,产生大量电子、金属离子和金属蒸汽,电子、金属离子和金属蒸汽在电场的作用下,进一步发生碰撞电离,释放更多的电子、离子、原子和微粒,放电通道形成,OMAL开关导通。其次设计了两种类型的激光触发真空OMAL开关,平面型LTVS和多棒型LTVS。以往的LTVS间隙距离小于5mm,难以承受很高的电压,OMAL开关的结构设计为平面型,真空电弧容易积聚,难以耐受很高的电流,借鉴真空触发OMAL开关的经验,将OMAL开关结构优化设计为多棒极,避免了真空电弧的集中烧蚀难题,增加了间隙距离。同时改进了目标材料的结构,将其设计为圆锥形,置于阴极之上,这样增大目标材料的受光面积,使目标材料寿命得到提高,且减少了对激光能量的要求。 接着对初始等离子体的发展过程进行仿真,同时开展了两种类型OMAL开关的电场仿真。设计了初始等离子体电流测量的电路,并且分析了初始等离子体和真空电弧的发展过程。zui后搭建实验平台,完成对不同目标材料及混合目标材料、通孔直径、凹槽深度、OMAL开关型式、聚焦长度、离焦量和偏振的实验,并且应用了双脉冲激光器。实验发现,间隙电压、激光波长、激光能量、极性配置、OMAL开关型式、偏振作用、离焦量和聚焦长度对OMAL开关的触发特性都有影响。间隙电压越大,初始等离子体运动速度越快,形成流注放电速度越快,时延越短。不同激光波长产生初始等离子体的机理可能不同,激光能量越大,产生的初始等离子体越多。在正极性模式下,有利于形成阴极斑点,使得OMAL开关工作稳定,时延较短。多棒型不仅有利于电弧的扩散,而且*的目标材料位置,有利于初始等离子体的发展。椭圆偏振光相比线偏振光和目标材料的相互作用更强,更有利于OMAL开关的导通。

激光触发真空欧玛尔OMAL开关的触发特性研究
聚焦长度越小,使得光斑面积越小,激光功率密度越大,产生的初始等离子体越多。离焦量的改变,主要是影响激光光斑面积,离焦量越小,光斑面积越小。研究可揭示LTVS的初始等离子体特性及其导通过程机理,有助于人们对LTVS原理的深入认识与应用,对配套激光器小型化、LTVS的应用开发研究提供基础与指导。