平板電極型激光觸發真空開關的導通特性研究

蔣西平 廖敏夫 趙 巖 段雄英 鄭春陽

(1.大連理工大學電氣工程學院 大連 116024 2.國網重慶電力公司電力科學研究院 重慶 401121)

平板電極型激光觸發真空開關的導通特性研究

蔣西平1,2廖敏夫1趙 巖1段雄英1鄭春陽1

(1.大連理工大學電氣工程學院 大連 116024 2.國網重慶電力公司電力科學研究院 重慶 401121)

強激光觸發方式的真空開關由于觸發精度高、可靠性好、并能有效避免觸發裝置的電磁干擾，在快速關合開關、電磁發射、串聯補償電容保護等領域具有非常廣闊的應用前景。設計了一種平板電極型激光觸發真空開關。為了提高其觸發壽命，針對觸發電極進行優化。觸發電極耐燒蝕，靶材選取TiH2，其能為開關導通提供豐富的初始等離子體，開關的觸發性能得到加強，開關的最短時延可達650ns。詳細討論激光參數、聚焦鏡位置、主電壓值等對開關的觸發閾值、最低工作電壓和時延特性的影響，提出觸發閾值理論和電弧形成機制，為此類開關的性能優化提供理論依據。實驗表明：開關穩定的觸發閾值達4.5×107W/cm2，最低工作電壓為30V；采用正常聚焦模式能大幅度降低開關的時延；電弧電流的開始階段存在強烈振蕩過程，電流值大于5A后，如果外加電壓足夠高，振蕩現象消失，真空電弧穩定燃燒。

激光觸發真空開關 觸發閾值 最低工作電壓 時延特性 電弧形成機制

0 引言

觸發真空開關(TriggeredVacuumSwitch，TVS)具有工作電壓范圍寬、承載電荷量高(可達上千庫侖)、動作迅速、控制精度高、介質恢復迅速、無噪聲、結構緊湊、使用方便和維護簡單等優點，一直是高壓大電流快速關合[1]、電磁發射[2]、串聯補償電容保護[3]等領域的重要開關器件。其工作方式主要有沿面擊穿型、場擊穿型、電子束流型、激光束照射型等[4,5]。激光觸發真空開關(LaserTriggeredVacuumSwitch，LTVS)采用強激光觸發方式，由于激光的脈寬窄、上升時間小、相干性好、功率密度高，其觸發精度高，可靠性好，并能避免觸發裝置的電磁干擾[6]。精心設計的高性能LTVS作為快速關合開關是可行的，而且潛力巨大，在其他脈沖功率領域同樣具有非常廣闊的應用前景。

1973年，A.A.Makarevich等[7]率先把激光用于真空觸發開關領域，并將該開關成功應用到ns級脈沖整形當中。通常，針對激光觸發開關的觸發特性研究大多是氣體開關、水開關，如文獻[8]對激光觸發空氣開關的激光誘導等離子體的過程進行了研究，平均擊穿時延能達到亞s級；文獻[9]提出采用固體材料作為激光氣體開關的靶材能有效的降低激光能量，并能達到很小的抖動；文獻[10]對激光觸發水介質開關的觸發機理進行了深入探究，激光作用點在水介質中形成等離子體，在電場的作用下擴散發展迅速形成電弧通道。而針對激光觸發開關的導通機制卻少有研究，國外P.J.Brannon等[11]提出了一種在陰極采用復合材料(KCl和Ti)作為靶材的激光觸發真空開關運行新模型，開關的導通由兩個獨立的過程組成，即熱機制產生初始電流和離子再生機制形成主電流。國內華中科技大學分別針對多棒極激光觸發真空開關[6]和長間隙平板型激光觸發開關[12]的時延特性以及簡單的觸發機理進行了研究，得到的觸發性能優于以往任何一種觸發方式的真空開關。但是，這些研究大都是一些原理性的試探試驗，對初始等離子體的產生和電弧的形成并沒有深入地涉及。

本文針對LTVS的觸發電極進行優化設計，使其性能更加優良。搭建LTVS實驗測試平臺，改變激光參數、聚焦鏡位置、主電壓值等，對開關的導通性能進行探究，重點研究開關的觸發閾值、最低工作電壓和時延特性，進而探究得出初始等離子體的產生和電弧的形成機制。

1 激光觸發真空開關結構及觸發電極設計

1.1 激光觸發真空開關結構

圖1為實驗所采用的可拆LTVS整體結構圖和剖面圖，可見LTVS由陶瓷絕緣外殼、金屬外殼、陽極觸頭、陰極觸頭、靶電極、激光照射石英玻璃窗組成。絕緣外殼起到絕緣和支撐作用，金屬外殼與陶瓷外殼共同保證滅弧室真空度。滅弧室真空度由真空泵抽至1×10-4Pa以下。在金屬外殼側面留有一個玻璃觀察窗，能有效地觀察和拍攝開關導通時形成的電弧，并確認激光是否準確照射到靶極。開關為平板電極結構，兩電極采用導電性優良、分斷電流能力高、抗電弧熔蝕性能良好和抗表面熔焊能力強的銅鉻50合金制成，兩電極間隙距離為6mm(可以調節)，觸頭直徑44mm。上觸頭光通孔直徑為2mm，下觸頭靶槽直徑為3mm。

1—石英玻璃和激光通孔；2—銅質導桿；3—陶瓷絕緣；4—鋼材料的真空腔體蓋；5—鋼材料的真空腔體外殼；6—放有觸發材料的凹槽(靶極材料)；7—陽極觸頭；8—玻璃窗口；9—高真空環境；10—陰極觸頭。圖1 開關整體結構圖和剖面圖Fig.1 Overall structure and cross-sectional diagram of switch

1.2 觸發電極優化設計

觸發電極的優化設計是激光觸發開關和其他觸發方式真空開關的最大不同。激光觸發開關導通的初始等離子體源來自激光和靶材的相互作用。激光窄脈沖照射在靶材表面，在很短的時間內，靶材吸收激光能量，然后通過熱傳導致使靶材表面熔化，進而揮發產生熱蒸氣。當功率密度達到一定值之后，一般在108W/cm2左右，金屬表面蒸發強烈，這樣去吸附氣體、電介質薄膜和金屬蒸氣將會被電離[13]，產生充足的初始等離子體，致使開關導通。

設計的靶電極位于陰極中心處，靶電極與激光入射保持垂直，激光經過聚焦后正好能照射在靶電極中間處。文獻[9]指出，大多靶材無法經受住開關高溫電弧強烈的燒蝕，影響開關的壽命。因此，本文采用了一種解決方案，如圖2a所示，即在陰極表面設計一個直徑5mm的凹槽，靶材置于其中，靶材表面距離陰極表面2mm。該距離的設計不能過大，否則會有效地增大開關的時延、抖動以及入射激光能量[6]。

圖2 靜電場仿真Fig.2 Electrostatic field simulation chart

圖3 場強特性曲線Fig.3 Field strength characteristic curve

對所設計的開關間隙進行靜電場仿真，仿真電壓3kV，電場分布如圖2b所示?？梢园l現，靶電極附近的場強明顯低于陰極附近的場強。為了對場強進行定量分析，分別得到距離陰極表面0.2mm處直線1和距離陰極表面0.2mm處直線2的場強曲線，直線位置如圖2a所示，場強曲線如圖3所示。經計算得到，直線1處平均場強612kV/m，直線2處平均場強139kV/m，即陰極附近的場強為靶電極附近的場強的4.4倍。靶電極較低的場強能有效地削弱高溫電弧對靶材的燒蝕，進而提高了開關的壽命。

1.3 靶材選取

靶材的選取關系到LTVS能否可靠觸發、觸發所需的能量和觸發的過程。觸發靶極材料采用觸發性能優越的氫化鈦(直徑為74μm)。純鈦是一種比較優良的金屬，吸氫密度高達9.2×1022/cm2，比液氫密度大1倍多。對于鈦吸氫來說，由晶體的結構理論來計算其飽和吸氫量是2.0，即形成TiH2。選擇氫化鈦作為LTVS的觸發材料是利用了它在真空高溫情況下的脫氫行為。另外，TiH2在600 ℃左右會出現一個吸熱峰，這表明TiH2在此600 ℃附近會分解得很劇烈；在680 ℃左右出現另一個吸熱高峰，分解程度更進一步。在1 000 ℃左右時，這種氫化物可以分解形成氫。TiH2在無氧、氮存在的條件下發生如下分解反應[14]

TiH2=Ti+H2↑

(1)

由式(1)可以看出，TiH2分解反應發生后生成了金屬單質Ti，鈦層逐漸形成，進而將會逐漸包圍TiH2顆粒，分解析出的H2需穿過Ti層向外擴散。

在LTVS觸發過程中，激光作用在靶材上的時間非常短，一般為ns級，這會使得TiH2瞬間釋放出大量的氣體，從而大大縮短結晶和內擴散化學反應過程，極高的反應速度足夠提供豐富的初始等離子源。當燃弧結束后，LTVS內部殘余的氣體又被分解出來的純鈦吸收，恢復成TiH2粉末，同時內部真空度和絕緣強度也恢復到原來的情況。

2 實驗裝置和技術

2.1 光學裝置

圖4為實驗光學平臺，采用Nd：YAG固體激光器，型號DAWA-100，允許輸出激光波長為1 064nm；激光脈沖寬度約為7ns，最大能量為177mJ，能量連續可調。激光器產生的激光先經過全反鏡(99.99%)反射，再經焦距為40cm、透過率為95%的聚焦透鏡會聚，會聚后透過JGS2型石英玻璃窗(90%)，最終照射到LTVS的靶電極上，產生初始等離子體。在進行光路調節時，由側面的玻璃窗確認激光是否照射到靶極上。靶極材料經70kN強壓力壓制之后置于陰極中央靶槽中。

2.2 實驗回路

實驗主回路由充電回路和放電回路兩部分組成，放電回路采用LC振蕩回路，實驗電路框圖如圖5所示。圖中，工頻交流220V的電壓通過自耦調壓器調壓，然后經升壓變壓器，再經高壓硅堆和充電電阻后，對高壓電容器充電。當電容兩端電壓達到預先設定的值，斷開電源，停止充電，觸發激光器產生激光，LTVS導通放電，高壓電容兩端電壓下降。

電容器C的型號為MY20-9，額定電壓為20kV，實際電容值為8.7μF；高壓硅堆的反向耐壓值為30kV；水電阻的阻值為110MΩ；試驗變壓器的型號為YD-5/50，單相，50Hz，戶內式；負載電感采用繞組線圈，電感值為43.6μH。

2.3 測量電路

本實驗中需要測量的參數有TVS兩端電壓即主電容兩端電壓、通過LTVS的電流、激光器調Q輸出電壓。為此，采用TektronixP6015A電壓探頭測量電壓，其測量范圍為直流0～20kV(峰值可達40kV)，測量帶寬為直流至75MHz。采用TektronixA621電流探頭即電流鉗測量電流，測量范圍為0.1A～2kA(峰值電流可達5kA)，測量帶寬為直流和交流5Hz～50kHz。如圖4所示，為避免高壓的引入所帶來的危險，在低電位處測量電流。所有被測量使用TektronixDPO3034示波器采樣，以激光器調Q的輸出電壓作為示波器的觸發信號。DPO3034示波器具有4通道，帶寬為500MHz，采樣率為2.5GS/s，性能優越，可以滿足本實驗的要求。

3 實驗及結果分析

3.1 實驗方法

觸發閾值和最低工作電壓[12，15]是衡量LTVS觸發性能的兩個關鍵性因素。觸發閾值決定了產生的初始等離子體是否充足，最低工作電壓是等離子體擴散的重要前提。而它們又直接或間接地影響了開關的時延特性。因此，本文主要研究激光觸發能量、外加電壓、聚焦鏡位置等參數對觸發閾值、最低工作電壓和時延特性的影響，探究LTVS觸發導通的一般規律，深入分析LTVS電弧的形成過程。

圖6 LTVS導通成功波形Fig.6 Successful conduction waveforms of LTVS

圖7 開關時延波形Fig.7 Time delay waveforms

圖6為激光器能量114mJ、主電極電壓400V時，LTVS觸發導通成功時的激光器調Q輸出電壓波形、主電極電壓波形、開關導通電流波形。激光調Q輸出發出信號經過一定時間，主電極電壓開始下降，開關導通電流開始上升。LTVS導通半個周期后在電流過零時成功開斷，振蕩回路截止，電容C上殘留反向電壓。圖7為開關的觸發時延波形。圖7中td1為激光器固有延遲時間，即從激光器調Q的電壓信號發出到激光器發出激光的時間，其值為940ns；td2為激光發出到開關電流開始上升的時間，其大小與激光光路、初始等離子體產生以及擴散過程有關，其值為681ns。本文將td2定義為開關的總延遲時間，時延的測量為20次導通時延的平均值。

3.2 觸發閾值

觸發閾值是觸發開關在一定結構和欠電壓比情況下，所需的最小激光能通量密度[16]。在靶材、開關參數和外施電壓一定的情況下，激光便成為了初始等離子體形成的唯一決定性因素，初始等離子體形成的多少是LTVS可靠導通的關鍵。因此，對觸發閾值的定量研究有著重要的現實應用價值。

在一定的電壓和真空度下，觸發閾值Jth可以按照如下的公式計算

(2)

式中，Qmin為觸發開關所需的最小激光能量；τ為激光脈沖半高寬度；A為光斑面積。

文獻[17]的研究結果表明電光調Q開關的電源電壓對激光脈沖的性能有影響，可能進而影響到開關的臨界觸發能量。實驗結果表明，當DAWA-100型激光器的調Q電源電壓小于360V，即能量低于30mJ，開關已不能觸發，也就是說此調Q電源電壓下的激光器性能下降嚴重。當激光正常聚焦時測得的最小激光觸發能量都為30mJ，也就是說如果采用性能更加優良的激光器最小觸發能量值應更小。因此，為了排除設備局限性帶來的不利影響，并準確分析LTVS的觸發閾值，實驗采用不聚焦模式。

本實驗中使用的脈沖調Q固體激光器的激光脈沖束腰半徑為3mm，激光脈沖波長為1 064nm，激光脈沖半高寬度7ns。當不使用聚焦鏡時，激光發出的激光為平行光，此時照射到靶電極上的光斑半徑即為激光脈沖束腰半徑3mm。實驗分別測得開關外施電壓為50、100、200、300、400、500V下的最小激光觸發能量為131、111、103、89、89、89mJ。激光能量的調節是由調節調Q電壓信號實現，調Q電壓步長為5V，不能對能量進行連續調節，所得最小激光能量存在調Q電壓±5V所產生的能量變化范圍。每個電壓下最小激光能量取10次實驗的平均值。

圖8為不同工作電壓下LTVS的觸發閾值?？梢?，在開關外施電壓較低的情況下，LTVS的觸發閾值隨著電壓的增加而減少；當電壓值超過300V，開關的觸發閾值趨于穩定，穩定值為4.5×107W/cm2。這個可以由LTVS的導通機制來解釋。開關觸發導通是熱機制和碰撞電離機制相互作用的結果[11]：熱機制指靶材在一定激光能量作用下產生初始等離子體，碰撞電離機制是指初始等離子體在外電場的作用下撞擊陽極產生正離子，然后這些正離子反過來撞擊靶材，二次發射形成更多的等離子體，如此反復，開關導通。在外施電壓比較低的情況下，電壓越低，電極間電場強度就越弱，二次發射系數也就越小，開關導通就需要更多的初始等離子體，因此觸發閾值越高。當電壓達到一定值之后，電場強度足夠大，二次發射產生的等離子體足夠多，此時熱機制起主要作用，只要產生的初始等離子體滿足觸發要求，開關就能導通，因此觸發閾值基本保持不變。

圖8 不同工作電壓下LTVS的觸發閾值Fig.8 Trigger threshold of LTVS at different voltages

3.3 最低工作電壓

最低工作電壓是指LTVS在結構參數、激光能量一定的情況下，能夠正常導通的最低外施電壓。對其進行研究具有兩方面的現實意義：一是通過對最低工作電壓的探究能夠指導研究LTVS電弧形成機制，尤其是初始等離子體的擴散過程；二是能夠得到LTVS工作的電壓范圍，有效地判斷LTVS的導通性能。

在開關結構一定的情況下，最低工作電壓與激光參數和光路有關。實驗通過調節激光調Q開關的電源電壓來改變激光的能量，選取激光器工作性能良好的能量范圍。光路的改變則由改變聚焦鏡的位置來實現，由于激光光路結構和實際條件限制，實驗采用四種配置方式，即正常聚焦方式、不聚焦方式、聚焦鏡上移40mm方式、聚焦鏡下移50mm方式。實驗所得不同工作方式和不同激光能量下的最低工作電壓為10次重復實驗所取的平均值。圖9為不同工作方式和不同激光能量下的最低工作電壓。

圖9 不同工作方式和不同激光能量下的最低工作電壓Fig.9 Minimum operating voltage in different working modes and different laser energies

從圖9可以看出，在正常聚焦工作方式下，隨著能量的增加，最低工作電壓基本保持不變，并且電壓值較其他方式低，最低工作電壓值為30V。主要原因是在正常聚焦的情況下，能量密度遠大于LTVS的觸發閾值，即熱機制作用顯著，產生的初始等離子體數量最為充分，開關最容易導通。在不聚焦的情況下，較低激光能量不能使LTVS導通，即無論施加多高的電壓，開關都無法導通，此現象很好地說明了LTVS的觸發閾值理論。當激光能量較低時，光斑能量密度還未達到開關的觸發閾值，初始等離子體不能有效地形成，開關不導通。除了正常焦距方式外，其他幾種方式的最低工作電壓隨激光能量的增加而下降，原因是激光能量增高，光斑功率密度越大，引起更多的觸發材料揮發，產生的初始等離子體數量增多，開關越容易導通。

3.4 時延特性

保持激光能量為103mJ不變，進行不同電壓下LTVS觸發實驗，所得觸發時延和抖動如圖10所示。可見，開關的時延抖動隨電壓上升呈逐步下降趨勢，在最低工作電壓附近，時延抖動明顯較大。原因是在開關導通過程中，激光只是起觸發作用，提供初始等離子體，而開關的閉合是在外加電場作用下形成流注的過程。工作電壓越高，流注形成速度越快，開關延遲也就越小。工作電壓較低的情況下，電場作用微弱，流注形成較慢，開關時延抖動也就明顯較大。從圖中還可以發現，在不聚焦方式下的開關時延抖動很大，約為正常聚焦方式下開關時延的兩倍。這是因為此激光能量下，不聚焦方式下光斑能量密度為5.2×107W/cm2，正常聚焦方式下光斑能量密度為2.3×1011W/cm2，由此正常聚焦時激光與觸發材料的作用時間也就小于不聚焦方式，開關時延抖動更短。

圖10 不同電壓下開關觸發時延和抖動Fig.10 Time delay and jitter at different voltages

4 LTVS的觸發導通理論探討

4.1 觸發閾值理論

針對LTVS觸發閾值的產生，這里通過熱傳導模型進行解釋[13，18]。激光照射到靶材表面可以類比于汽化潛熱現象。當材料蒸發還比較弱時，如果只考慮表面加熱初始階段，靶材的光學參數和熱學參數等同于冷材料。

(3)

式中，ΔQ為激光脈沖能量；Δm為激光脈沖期間加熱材料表層質量；A為有效的光斑面積；α為光吸收率；ρ為靶材質量密度；Δx為熱擴散長度。

將材料表層的能量增加ΔQ/Δm與材料的蒸發潛熱qev進行比較。此處引入2個參數：材料蒸發閾值Jth，激光蒸發閾值Jlaser。只有Jlaser的值大于Jth時，材料才能蒸發，產生初始等離子體。由此得到

(4)

推導式(3)和式(4)，可以得出任何一種材料激光蒸發閾值Jth的近似簡化計算式為

(5)

由此，根據不同材料的熱力學特性[15]，可以計算得出它們各自的蒸發閾值Jth，見表1。

表1 不同材料的蒸發閾值

Tab.1Evaporationthresholdofmaterials

觸發材料Jth/(W/cm2)Al1.03×109C6.71×107Cu1.83×109Ti9.55×107W6.00×108

本實驗采用的材料為TiH2，其在400 ℃就開始受熱發生分解，生成氫氣和鈦單質。其蒸發閾值由氫氣和鈦單質共同決定，由于混合物的熱力學過程尤為復雜，這里不再做深入分析，但值得注意的是TiH2的蒸發閾值應接近于Ti的蒸發閾值(9.55×107W/cm2)，但較這個值低。理論值與實驗測量得到的電壓300V時TiH2的觸發閾值4.5×107W/cm2吻合。由此可以看出，激光作用下，觸發材料蒸發是電弧產生的必要條件。計算的蒸發閾值，能夠作為判斷激光觸發開關是否導通的重要參數。

4.2 電弧形成機制

電弧的發展過程就是激光產生的初始等離子體擴散發展的過程。為了研究電弧的形成，對電弧電流進行了測量，圖11為激光能量為83mJ，電壓分別為100、200、30V時的電弧電流波形。從圖中可以發現，電流的開始階段振蕩強烈，此時陰極斑點還未形成，該階段并不依賴于外施電壓的大小。在電弧電流達到一定值之后，如果外加電壓足夠高，真空電弧才能建立。如圖11c所示，電弧電流開始階段連續振蕩，由于外加電壓低至30V，不足以建立起自持燃燒的電弧，電弧很快熄滅。

電弧形成的初始決定條件是激光產生等離子體形成的陰極表面電流值大小。也就是說，初始電弧電流的形成是初始等離子體與陰極表面相互作用的結果。文獻[17]發現，單電極電弧被點燃時，電極表面有凈離子電流的最小值存在，為104～105A/m2。激光真空電弧形成機制和單電極電弧相似，其凈離子電流由激光與靶材熱作用產生。

電弧電流初期的振蕩是一個隨機過程，只要真空電弧還沒有完全貫穿整個間隙，電弧電流值的上升就會受到空間電荷限制。由于等離子體的擴散，電極間隙越來越小，因此電流值會一定程度增加。但是由于此階段未形成自持燃燒的電弧，電弧會在很短的時間熄滅，接著又被點燃，如此反復形成振蕩波電弧電流，如圖11所示。由圖可見，當電流值大于5A，電流振蕩波消失，電弧穩定燃燒。

圖11 正常聚焦模式下的電弧電流Fig.11 Arc current of normal focus mode

由上述的分析，可以得出激光觸發電弧形成機制。在主間隙電場的作用下，激光產生的初始等離子體向陽極擴展。由于電子和離子質量上的差異以及由此引起的運動遷移性上的差異，在擴展等離子體和陰極之間集中了大量的正離子，即空間電荷，形成所謂的近陰極正離子鞘層即陰極鞘層。由此，等離子體擴展的過程實際上就是陰極鞘層向陽極的增長過程。當鞘層中的電場強度足夠大，以至超過了鞘層的擊穿場強時，鞘層被擊穿，在陰極表面形成強烈發射的陰極斑點[20]。隨即電流密度迅速增加，形成弧光放電，建立起金屬蒸汽電弧，主間隙導通。

5 結論

1)本文通過靜電場分析對開關的觸發極進行優化設計，靶電極耐燒蝕，擁有較高的開關壽命。靶材選取TiH2，其能為開關導通提供豐富的初始等離子體，提高了開關的觸發性能，開關的最短時延達到650ns。

2)通過實驗和理論分析得出，LTVS在一定結構和欠電壓比情況下存在觸發閾值。觸發閾值隨著電壓的增加而減少；當電壓值超過300V，開關的觸發閾值趨于穩定，穩定值為4.5×107W/cm2。計算的蒸發閾值能夠作為判斷激光觸發開關是否導通的重要參數。

3)在正常聚焦工作方式下，隨著能量的增加，最低工作電壓基本保持不變，并且電壓值較其他方式低，最低工作電壓值為30V。在未聚焦方式、聚焦鏡上移40mm方式、聚焦鏡下移50mm方式下的最低工作電壓隨激光能量的增加而下降。

4)開關的時延隨電壓上升呈逐步下降趨勢，在最低工作電壓附近，時延明顯較大。在不聚焦方式下的開關時延很大，約為正常聚焦方式下開關時延的兩倍。

5)電弧電流的開始階段存在強烈振蕩過程，電流值大于5A后，如果外加電壓足夠高，振蕩現象消失，真空電弧穩定燃燒。

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Research on Conduction Characteristics of Plate Electrode Type Laser Triggered Vacuum Switch

Jiang Xiping1,2Liao Minfu1Zhao Yan1Duan Xiongying1Zheng Chunyang1

(1.SchoolofElectricalEngineeringDalianUniversityofTechnologyDalian116024China2.StateGridElectricPowerReseachInstituteofChongqingElectricPowerCompanyChongqing401121China)

Highpowerlasertriggeredvacuumswitch，duetoitsaccuracy，reliabilityandanti-electromagneticinterference，hasaverybroadapplicationprospectsinmanyfield，suchasfastclosingswitch，electromagneticemissions，seriescompensationcapacitorprotection.Aflatelectrodetypelasertriggeredvacuumswitchispresented.Inordertoimproveitstriggerlife，thedesignofthetriggerelectrodeisoptimized.Thedesignedtriggerelectrodecanbeeffectivelyablativeresistant.TiH2isusedastargetmaterial，whichcanprovideextensiveinitialplasmafortheswitch.Thetriggerperformanceofswitchisimproved，andtheshortestdelayisupto650ns.Therelationshipamongthelaserparameters，focuslenspositions，appliedvoltagesandthetriggercharacteristicswhichmainlycontainthetriggerthreshold，minimumoperatingvoltageandthedelaytimeisanalyzedindetail.Triggerthresholdtheoryandarcignitionmechanismareproposedtoexplaintheswitchconduction，whichcanprovidethetheorybasisofthedesignoftheLTVS.Istheexperimentcanconcludedthatthestabletriggerthresholdcanreach4.5×107W/cm2，andtheminimumoperatingvoltageobservedis30V.Timedelayunderthenormalfocusmodecanbeeffectivelyreduced.Furthermore，itisfoundthattheprocessoflaser-stimulatedarcinitiationisofarandomnature.Ashorttransitionphaseofstronglyfluctuatingexists.Whenthearccurrentvalueisbeyond5Aandtheexternalvoltageishighenough，theoscillationphenomenondisappearsandthevacuumarcisignitedstably.

Lasertriggeredvacuumswitch，triggerthreshold，minimumoperatingvoltage，delaycharacteristics，arcignitionmechanism

國家自然科學基金項目資助(51277020，51477024，51337001)。

2015-07-07 改稿日期2015-09-14

TM89

蔣西平 男，1990年生，碩士研究生，研究方向為脈沖功率技術及激光觸發真空開關。

E-mail：996579270@qq.com

廖敏夫 男，1975年生，教授，博士生導師，研究方向為智能化高壓電器及高電壓新技術。

E-mail：mfliao@dlut.edu.cn(通信作者)