在零偏压条件下，对激光触发真空开关中初始等离子体的实验和数值研究

《Vacuum》：Experimental and numerical investigation of initial plasma in laser-triggered vacuum switch under zero-bias conditions

　　

向文军|李旭斌|廖民福|卢刚|布亮|胡洁新

大连工业大学电气工程学院，中国大连116024

摘要

激光触发真空开关（LTVS）是脉冲功率技术中的关键设备，其触发性能主要取决于激光与靶材相互作用产生的初始等离子体。然而，大多数现有研究都是在外加电压条件下进行的，这使得难以有效分离和揭示仅由激光-靶材相互作用产生的等离子体的内在演化机制。本文系统研究了关键参数（包括激光能量和真空间隙距离）对零偏压条件下初始等离子体行为的影响。实验上建立了一个无外加电压的等离子体电流测试平台。结果表明，初始等离子体电流表现出振荡衰减行为，电子在早期电荷传输中起主导作用。当激光能量从10毫焦增加到25毫焦时，初始电荷迅速上升，随后由于等离子体屏蔽效应而饱和，在20毫焦时达到最大值42.18纳库仑。同时，将真空间隙距离从2.5毫米增加到10毫米显著延迟了电流峰值时间，并导致初始电荷显著减少。此外，为了更深入地了解激光烧蚀过程，开发了一个二维多物理场模拟模型，以进一步理解激光烧蚀过程中的机制。模拟结果表明，当激光能量密度从3.5×10^12瓦/平方米增加到6.5×10^12瓦/平方米时，熔化坑直径从29.12微米增加到34.88微米，深度从0.33微米增加到0.73微米。这些发现表明，更高的激光能量显著增强了材料烧蚀，从而为初始等离子体的产生和演化提供了更丰富的蒸汽源。

引言

脉冲功率技术在国防研究领域（如电磁发射系统、粒子加速器和核物理模拟）以及越来越多的民用领域（包括脉冲静电沉降和基于等离子体的消毒）中发挥着极其重要的作用。脉冲功率技术的核心原理是使用开关设备在时间尺度上压缩并快速释放储存的初始能量，开关设备的性能直接决定了输出脉冲的质量[1]、[2]、[3]。根据所使用的介电介质类型，脉冲开关可以分为气体开关、液体开关和固体开关。目前，以SF6为代表的气体开关因其优异的电学特性而被广泛使用[4]。然而，由于SF6是一种强效的温室气体，减少其使用已成为国际社会的共同目标[5]。在这种背景下，激光触发真空开关（LTVS）作为一种新型的触发开关，越来越受到研究关注。该技术通过脉冲激光控制开关闭合，将脉冲激光的精确控制能力与真空开关技术的高稳定性有机结合[6]、[7]。它不仅避免了传统气体开关常见的严重电极侵蚀、可靠性低和触发阈值高等问题，还具有出色的环境优势[8]、[9]。因此，它被视为具有重大发展潜力的下一代脉冲开关技术[10]。

在LTVS运行过程中，脉冲激光照射触发靶材，引发一系列复杂的物理过程，最终导致开关导通。在大约10^-3帕的基本压力下，残余气体数密度很低，背景气体的平均自由程达到几米，这意味着在毫米到厘米的电极间隙内背景碰撞很少发生。然而，在激光烧蚀后，靶材表面的蒸汽/羽流密度可能比背景高几个数量级；因此，在最初的几十到几百纳秒内，羽流之间的碰撞可能是相关的，应与背景残余气体效应区分开来。因此，触发过程中的初始等离子体主要来源于激光-靶材相互作用，特别是通过激光烧蚀机制[11]、[12]。在激光照射下，靶材表面吸收能量并迅速加热到超过沸点的温度，导致材料蒸发并形成金属蒸汽[13]、[14]。蒸汽中的自由电子随后通过逆轫致辐射吸收获得额外的能量，诱导中性原子的碰撞电离，从而形成初始等离子体[15]。这种激光诱导的等离子体作为导电行为的物理基础，对开关的触发性能具有决定性影响[16]、[17]。

迄今为止，已有几项研究探讨了LTVS中初始等离子体的特性。胡等人使用RC高通滤波电路测量了沿表面闪络触发真空开关中的初始等离子体电流，发现其参数受触发电压和真空间隙距离的影响[18]。毛等人分析了不同极性配置下的主电路电流波形，发现初始等离子体的扩展主要由阴极附近等离子体鞘层的增长控制，在正极性配置下开关延迟时间更短[19]。辛等人使用X射线光谱比较了触发前后靶材的损失，分析了初始等离子体的组成，并提出了基于激光烧蚀和汽化的LTVS触发机制[8]。然而，这些研究大多是在外加电压条件下进行的。外部电场的存在不可避免地改变了能量分布、传输行为和空间演化，从而使得准确识别与激光-靶材相互作用相关的固有物理机制变得复杂。目前，关于在零偏压条件下仅由激光烧蚀靶材产生的初始等离子体的系统研究仍然相对缺乏。本研究建立了一个无外加电压的实验平台，直接测量初始等离子体电流，从而研究了仅由激光-靶材相互作用产生的初始等离子体行为。系统研究了激光能量（10毫焦至25毫焦）和间隙距离（2.5毫米至10毫米）对LTVS中初始等离子体电流和电荷特性的影响。同时，开发了靶材激光烧蚀的流体动力学模型，并基于有限元方法进行了多物理场耦合数值模拟，以更好地理解激光-靶材相互作用过程中的复杂演化过程。结果提供了关于零偏压条件下激光触发初始等离子体固有特性的重要见解，也为LTVS的进一步优化奠定了理论和实验基础。

章节片段

实验装置

LTVS测试原型是使用可拆卸真空室构建的。真空室结构和激光对靶材表面的照射在图1中示意性地展示。在室体的上下两端安装了密封的绝缘陶瓷壳，使室体能够承受超过60千伏的电压。使用机械泵和分子泵可以将室内的真空维持在10^-3帕以下。用于LTVS的电极是杯形的轴向电极

实验结果

图3显示了LTVS触发过程的典型波形。可以看出，在波形开始时有一个窄的尖峰脉冲，紧接着是一个负等离子体电流，等离子体电流波形表现出振荡衰减过程。初始尖峰脉冲可能归因于与激光触发器、测量电路或周围实验环境相关的电磁干扰。由于这种瞬态信号可以忽略不计

物理模型和模拟结果

为了解释实验观察到的初始等离子体电流对激光能量的依赖性，有必要研究激光照射如何影响靶材表面的材料烧蚀和蒸汽生成。由于零偏压条件下的初始等离子体主要由激光诱导的汽化提供，因此对激光烧蚀过程的详细数值描述对于理解实验中观察到的趋势至关重要。

讨论

本工作中观察到的实验趋势可以用在没有外部电场的情况下发生的等离子体生成、扩展和传输过程来解释。在零偏压条件下，初始等离子体主要是通过激光烧蚀靶材产生的，其中快速加热和汽化释放出密集的中性粒子带电物种。随着激光能量的增加，烧蚀强度增强，导致

结论与展望

本研究通过实验测量和数值模拟相结合的方法，研究了在零偏压条件下真空开关中靶材纳米秒激光烧蚀产生的初始等离子体。

本工作报告了激光触发真空开关中由等离子体诱导的外部电路电流和传输电荷的零偏压基线测量结果。随着激光能量的增加（10-25毫焦），峰值电流增加，达到峰值的时间减少，而传输的电荷

CRediT作者贡献声明

向文军：概念化、数据整理、形式分析、软件编写——原始草稿。李旭斌：写作——审阅与编辑。廖民福：写作——审阅与编辑。卢刚：软件。布亮：软件。胡洁新：概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。