激光触发多级气体真空混合开关

大连理工大学电气工程学院的研究人员廖敏夫、李文浩等，在2015年第9期《电工技术学报》上撰文，触发真空开关的电寿命是制约其发展的瓶颈，基于激光触发和快速操动机构的开关可解决此问题。当其工作电流过大时，快速操动机构动作联动激光触发间隙电极闭合。因为主电极和靶电极的烧蚀和相应的材料损耗是造成电寿命较短的主要原因，因此快速操动机构的应用所带来的开关寿命的增加是显著的。

首先介绍了基于激光触发和快速操动机构设计的开关的结构，并对其进行了静电场仿真，以优化参数。而后对所设计的开关进行了基本特性实验，当工作电压为250kV，激光能量为2mJ时，开关延时为60ns，抖动为5ns。通过实验发现，随着激光能量和开关工作电压的升高，开关导通延时和抖动显著减小。所设计的开关可应用在对寿命要求较高的脉冲功率系统中。

触发真空开关可采用多种触发方式，如电触发、电子束触发、激光触发和沿面触发等[1-5]。1973年，A. A. Makarevich[3]首次进行了对激光触发真空开关（laser triggered vacuum switch, LTVS）的研究，而后LTVS逐步发展。与此同时激光触发气体开关（Laser Triggered Gas Switch, LTGS）也得到了极大地发展[6]。

Sandia实验室工作电压5 MV、工作电流700 kA的激光触发气体开关的寿命为工作150次[7]，目前高电压、大电流LTVS的寿命还很短。本文介绍的开关，创新性地加入了快速操动机构，在开关承受大电流时驱动触发间隙电极闭合，接触导电代替电弧导电，减少电极烧蚀，虽然自击穿间隙的电弧仍存在，但考虑到靶电极的烧蚀是导致开关不能正常工作的最重要因素，因此仍可提高开关寿命。

下文首先描述了所设计开关的结构，随后介绍快速操动系统及整个开关的工作原理，并通过数值计算仿真设计开关的静电场，以验证设计的合理性，最后介绍开关的延迟和抖动等基本特性。

结论

1）本文所设计的开关，因为加入了自击穿间隙和触发间隙一同构成了多级结构，所以具有较高的工作电压。在开关中，加入了快速操动机构，减少了大电流电弧对电极的烧蚀损害，在开关具有大电流工作能力的同时有效地提高开关的使用寿命。

2）通过实验发现，增加激光触发能量和开关工作电压，能够使开关导通延时和抖动显著减小。当激光触发能量大于1 mJ，开关工作电压欠压比大于82%时，开关工作性能较好。当额定工作电压为250 kV，激光能量为2 mJ时，开关延时为60 ns，抖动为5 ns。

3）由于采用了激光触发方式，开关的延时及其抖动较其他类型的开关明显减小，并可进一步应用于需要同步控制的开关系统中，为开发出性能更好的开关提供了一种新思路。