Al2O3陶瓷在脈沖電壓下的激光觸發沿面閃絡特性研究

潘如政李敏堂趙爭菡汪友華王 玨 嚴 萍

Al2O3陶瓷在脈沖電壓下的激光觸發沿面閃絡特性研究

潘如政1李敏堂2趙爭菡1汪友華1王 玨3嚴 萍3

（1. 河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 天津 300130 2. 軍事交通學院軍事交通運輸研究所 天津 300161 3. 中國科學院電工研究所 北京 100190）

為研究脈沖電壓下的激光觸發沿面閃絡特性，在試驗室中建立了精確的激光觸發沿面閃絡試驗系統，解決了激光脈沖與試品上所加脈沖電壓的同步問題，在此基礎上應用平板電極和柱狀絕緣材料進行了激光觸發沿面閃絡試驗。試驗中采用銅材料平板電極，試品為Al2O3材料圓柱絕緣材料，試驗中激光波長為1 064/532nm并聚焦成長方形光斑，得到在不同的激光能量密度及施加電壓下的閃絡時延和抖動。研究表明：激光能量密度越大、施加電壓越高，閃絡時延和抖動越小；532nm波長激光觸發的時延小于1 064nm波長激光觸發的時延；真空條件下的時延和抖動均小于空氣條件下的時延和抖動。

沿面閃絡 脈沖電壓 激光觸發 時延 抖動 空氣 真空

1 引言

快速閉合開關[1-3]是脈沖功率技術研究中的重要課題，也是目前制約脈沖功率技術發展的瓶頸之一。沿面閃絡開關[4]具有結構簡單、可以精確控制觸發、開關抖動低、工作范圍寬、容易實現多通道放電從而獲得低開關電感等優點，閃絡開關還可以集成在脈沖功率裝置的部件之上（如脈沖形成線、變壓器等），實現設備一體化和緊湊性。沿面閃絡開關主要有電脈沖觸發[5-11]和激光脈沖觸發[12-14]兩種觸發形式，激光觸發沿面閃絡開關的時延和抖動小于電脈沖觸發沿面閃絡開關，可以應用于并聯的脈沖功率裝置中解決并聯同步問題。快速低抖動閉合開關是實現新型加速器概念—介質壁加速器[15-16]的關鍵部件的方案之一，它有希望推動介質壁加速器的發展。

激光觸發沿面閃絡開關可以實現快速閉合和極低的抖動，對其絕緣介質特性的研究非常重要。本文建立了中脈沖電壓下激光觸發沿面閃絡試驗平臺，取得了激光脈沖與脈沖電壓之間的精確同步。解決同步問題后，應用平板電極和柱狀絕緣材料進行了空氣及真空中脈沖電壓下激光觸發沿面閃絡的試驗研究。

2 試驗平臺

建立的脈沖電壓下激光觸發沿面閃絡試驗平臺框圖如圖1所示。試驗采用北京鐳寶光電技術有限公司的SGR-S400型激光器，以及自制的三路數字脈沖發生器、Marx發生器用觸發器及Marx發生器等試驗用設備。三路延時脈沖發生器觸發激光器的氙燈和Marx發生器的觸發器，Marx發生器的觸發器觸發Marx發生器，用Marx發生器輸出電壓控制示波器的TTL輸出觸發激光器的Q開關，激光器輸出激光脈沖，使高壓脈沖和激光脈沖同步施加在試品上。測量中所采用的示波器為Agilent infiniium-54832B DSO，脈沖電壓通過變比為2 100的電阻分壓器測量，電流通過靈敏度為0.007 45V/A的Rogowski線圈測量，激光脈沖通過DET210光電探頭測量。

圖1 試驗平臺框圖Fig.1 Schematic diagram of experiment system

通過測量的各試驗設備的時延及激光器的控制時序，調整三路延時脈沖發生器的CH1與通道CH2的延時，CH1控制激光器的氙燈，CH2觸發Marx發生器的觸發器，用示波器TTL觸發激光器的Q開關，得到激光脈沖與Marx輸出電壓脈沖的同步波形如圖2所示。CH1波形為Marx發生器輸出電壓波形，CH2波形為激光器的輸出激光脈沖。激光器的輸出波長為1 064nm和532nm兩種，1 064nm波長時輸出的能量范圍為400mJ到60mJ，532nm波長時輸出的能量范圍為200mJ到20mJ。改變激光脈沖的波長和能量及Marx發生器的輸出電壓對同步沒有影響。測量得出Marx輸出電壓脈沖和激光脈沖的時延為516.1ns，抖動為4.5ns。由試驗結果看出，試驗平臺能達到激光脈沖與脈沖電壓小于5ns抖動的穩定同步。

圖2 激光脈沖與電壓脈沖的同步Fig.2 Synchronization of laser pulse and voltage pulse

進行激光脈沖與電壓脈沖的同步試驗后，利用所建立的試驗平臺進行脈沖電壓下激光觸發沿面閃絡試驗。試驗中采用圓形的銅材料平板電極，試品為圓柱狀Al2O3陶瓷，試驗得到的激光觸發后沒發生閃絡及發生閃絡兩種情況的試驗波形分別如圖3和圖4所示。CH1波形為Marx發生器輸出電壓波形，CH2波形為電極間的電流波形，CH3波形為激光器的輸出激光脈沖。由兩圖可以看出，在試品沒有發生沿面閃絡的時候，電極之間只有微小的電容位移電流；在試品發生沿面閃絡的時候，試品兩端電壓下降并發生衰減振蕩，出現衰減振蕩的電流。

圖3 試驗波形（未閃絡）Fig.3 Test waveforms (without flashover)

圖4 試驗波形（閃絡）Fig.4 Test waveforms (flashover)

3 空氣中激光觸發沿面閃絡試驗

試驗中采用60mm直徑的銅材料平板電極，試品為20mm直徑、8/10mm厚的Al2O3陶瓷圓柱絕緣材料，試驗中激光波長為532nm和1 064nm兩種，并聚焦成2mm×30mm的長方形光斑；試驗中空氣壓力為1個大氣壓。試驗前對試品進行20min去離子水超聲波清洗，并在真空條件下進行60℃加熱烘干4h。在沒有激光觸發的情況下，10mm厚度和8mm厚度Al2O3陶瓷的自閃絡電壓分別為24kV和21kV。

3.1施加電壓對觸發閃絡特性影響

用厚度為8mm的Al2O3陶瓷在532nm波長的激光觸發下進行試驗，改變施加電壓等級，得到不同激光能量密度下閃絡的時延（激光脈沖的上升點到電壓的上升點或電流的下降點）和抖動，分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可以看出，隨著試品兩端施加電壓的升高，閃絡時延和抖動都逐漸減小，激光能量密度由0.5mJ/mm2到4.5mJ/mm2變化，閃絡時延逐漸下降，抖動也逐漸下降。沿面閃絡開關的時延可由280ns降低到200ns，抖動可由近100ns降低到30ns。

圖5 時延與激光能量密度的關系Fig.5 Delay time and laser energy density

圖6 抖動與激光能量密度的關系Fig.6 Jitter time and laser energy density

3.2不同激光波長對觸發閃絡特性影響

用厚度為8mm的Al2O3陶瓷在532nm和1 064nm波長的激光觸發下進行試驗，得到不同激光能量密度與時延和不同激光能量密度與抖動的關系，分別如圖7和圖8所示。

圖7 時延與激光能量密度的關系Fig.7 Delay time and laser energy density

由圖7和圖8可以看出，隨著激光能量密度或施加電壓的增加，閃絡時延和抖動下降；在相同激光能量密度的情況下，激光脈沖在532nm波長下的閃絡時延和抖動小于激光脈沖在1 064nm波長下的閃絡時延和抖動，這主要由于532nm波長下的光子能量是1 064nm波長下的光子能量的2倍造成的。

圖8 抖動與激光能量密度的關系Fig.8 Jitter time and laser energy density

3.3不同厚度對觸發閃絡特性影響

在激光波長為1 064nm的情況下對8mm和10mm兩種厚度的Al2O3陶瓷進行試驗，得到不同激光能量密度與時延和不同激光能量密度與抖動的關系如圖9和圖10所示。

圖9 時延與激光能量密度的關系Fig.9 Delay time and laser energy density

圖10 抖動與激光能量密度的關系Fig.10 Jitter time and laser energy density

由圖9和圖10可以看出，在相同的激光能量密度的情況下，兩種厚度的Al2O3陶瓷試品的閃絡時延和抖動差不多；隨著激光能量密度的逐漸增大，閃絡時延逐漸下降，抖動也逐漸下降。

4 真空中激光觸發沿面閃絡試驗

試驗中采用40mm直徑的銅材料平板電極，試品為20mm直徑、4/6mm厚的Al2O3陶瓷圓柱絕緣材料，試驗中激光波長為532nm和1 064nm兩種，并聚焦成0.1mm×30mm的長方形光斑；試驗中真空壓力小于4×10-3Pa。試驗前對試品進行20min去離子水超聲波清洗，并在真空條件下進行60℃加熱烘干4h。在沒有激光觸發的情況下，6mm厚度和4mm厚度Al2O3陶瓷的自閃絡電壓分別為30kV和27.3kV。

4.1施加電壓對觸發閃絡特性影響

用厚度為4mm的Al2O3陶瓷在1 064nm波長的激光觸發下進行試驗，改變施加電壓等級，得到不同激光能量密度下閃絡的時延和抖動，分別如圖11和圖12所示。

圖11 時延與激光能量密度的關系Fig.11 Delay time and laser energy density

圖12 抖動與激光能量密度的關系Fig.12 Jitter time and laser energy density

由圖11和圖12可以看出，隨著試品兩端施加電壓的升高，閃絡時延和抖動都逐漸減小，激光能量密度由16.5mJ/mm2到134mJ/mm2變化，閃絡時延逐漸下降，抖動也逐漸下降。沿面閃絡開關的時延可由25ns降低到15ns，抖動可由近2ns降低到小于1ns。

4.2不同激光波長對觸發閃絡特性影響

用厚度為6mm的Al2O3陶瓷在532nm和1 064nm波長的激光觸發下進行試驗，得到不同激光能量密度與時延和不同激光能量密度與抖動的關系，分別如圖13和圖14所示。

圖13 時延與激光能量密度的關系Fig.13 Delay time and laser energy density

圖14 抖動與激光能量密度的關系Fig.14 Jitter time and laser energy density

由圖13和圖14可以看出，隨著激光能量密度或施加電壓的增加，閃絡時延和抖動下降；在相同激光能量密度的情況下，激光脈沖在532nm波長下的閃絡時延和抖動小于激光脈沖在1 064nm波長下的閃絡時延和抖動，這主要由于532nm波長下的光子能量是1 064nm波長下的光子能量的2倍造成的。

4.3不同厚度對觸發閃絡特性影響

在激光波長為532nm的情況下對4mm和6mm兩種厚度的Al2O3陶瓷進行試驗，得到不同激光能量密度與時延和不同激光能量密度與抖動的關系如圖15和圖16所示。

圖15 時延與激光能量密度的關系Fig.15 Delay time and laser energy density

圖16 抖動與激光能量密度的關系Fig.16 Jitter time and laser energy density

由圖15和圖16可以看出，在相同的激光能量密度的情況下，兩種厚度的Al2O3陶瓷試品的閃絡時延和抖動差不多；隨著激光能量密度的逐漸增大，閃絡時延逐漸下降，抖動也逐漸下降，趨勢一致。

5 結論

在激光觸發沿面閃絡開關的研究中，對絕緣介質的激光觸發沿面閃絡特性研究尤為重要。本文建立了脈沖電壓下激光觸發沿面閃絡試驗平臺，取得了激光脈沖與脈沖電壓小于5ns抖動的穩定同步。解決同步問題后，應用銅材料平板電極和Al2O3陶瓷柱狀絕緣材料進行了空氣及真空中脈沖電壓下激光觸發沿面閃絡的試驗研究，得出閃絡時延和抖動與激光能量密度、施加電壓及厚度的關系，為激光觸發沿面閃絡開關的研究打下基礎。

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Study of Al2O3Ceramics’ Laser-Triggered Surface Flashover Characteristics with Pulsed Voltage

Pan Ruzheng1 Li Mintang2 Zhao Zhenghan1 Wang Youhua1 Wang Jue3 Yan Ping3
（1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Institute of Military Transportation, Military Transportation University Tianjin 300161 China 3. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China）

With the aim of studying the characteristics of laser-triggered surface flashover with pulsed voltage, synchronization problem of laser pulse and voltage pulse is solved through a high precision laser trigger system is built up in test system. Experiment of laser-triggered surface flashover is carried out using the flat electrodes and columned insulators based on the test system. The material of electrode is copper and the material of insulator is Al2O3. Laser pulse’s wavelengths are 532nm and 1 064nm, and laser is focused with rectangle. The flashover delay time and jitter time are obtained through experiment, and the results of experiment show that flashover delay time and jitter time decrease with increase of pulsed voltage or laser energy density, the delay time of 1 064nm laser trigger is larger than that of 532nm laser trigger, and the delay time and jitter time in vacuum condition are less than the delay time and jitter time in air condition.

Surface flashover, pulsed voltage, laser triggered, delay time, jitter time, air, vacuum

TM89

潘如政 男，1977年生，博士，講師，研究方向為高電壓絕緣及脈沖功率技術。

國家自然科學基金（50907068）、河北省自然科學基金（E2012202011）和河北省博士后基金資助項目。

2013-11-22

李敏堂 男，1975年生，博士，講師，研究方向為脈沖功率技術及電磁驅動技術。