一种带紫外预电离结构的气体陡化开关

技术领域

本发明属于一种脉冲功率器件，具体涉及一种带紫外预电离结构的气体陡化开关。

背景技术

在脉冲功率系统中，快脉冲触发源的作用是产生用于触发初级储能源中气体开关的电脉冲。为保证气体开关可以稳定、精确受控导通，要求快脉冲触发源产生的电脉冲必须具备前沿快、幅值高和抖动低的特性，同时快脉冲触发源自身还必须具备可靠性高和寿命长的特征。脉冲变压器型触发源是一种技术成熟且性能可靠的快脉冲触发源，它先通过脉冲变压器对初级回路放电产生的电脉冲进行升压并由此达到高幅值，之后通过气体陡化开关对电脉冲的前沿进行压缩并由此达到快前沿。在脉冲变压器型触发源中，气体陡化开关的击穿特性对整个触发源的输出性能有决定性影响，要求气体陡化开关须具备抖动低、电感低、可靠性高、寿命长的特性。

李登云等人在《100kV触发器输出脉冲的陡化》(《高电压技术》，2008年6月，第34卷，第06期，1255-1260页)中介绍了一种两间隙陡化开关，它由开关外壳、圆球状电极和圆锥状电极组成，可以将幅值为90kV的电脉冲前沿从20ns压缩为2.3ns。毛新果等人在《带陡化间隙的触发真空开关触发源研制》(《强激光与粒子束》，2016年1月，第28卷，第1期，015020-1～7)中介绍了一种触发管型陡化开关，它由触发极、绝缘瓷管、主电极和陶瓷管壳组成，也可以有效的陡化电脉冲前沿。可以看出，上述两种陡化开关均可以有效的起到陡化脉冲前沿的效果；但存在以下不足：一方面，上述两种陡化开关由于自身电极结构的限制，再加上没有采取任何减小抖动的措施，使得两种陡化开关的抖动难以控制在较低水平，由此将导致快脉冲触发源的抖动较大，输出幅值不稳定。另一方面，上述两种陡化开关难以在放电过程中形成多个放电通道，使得开关自身电感大，不利于快脉冲触发源产生更快前沿的电脉冲，同时也会使得陡化开关电极烧蚀严重，不利于陡化开关长寿命工作运行。

李俊娜等人在《3MV自耦式紫外预电离开关的设计》(《强激光与粒子束》，2009年8月，第21卷，第8期，1255-1258页)中介绍了一种自耦式紫外预电离峰化开关，它与陡化开关功能一样，都可用于陡化电脉冲前沿。该自耦式紫外预电离峰化开关由主间隙、预电离间隙、支撑绝缘子、尼龙拉杆和分压电阻组成；其中预电离间隙由触发盘、钨针、不锈钢尖端和陶瓷绝缘子组成。当电脉冲施加到峰化开关上时，预电离间隙能够通过安装在峰化开关外壳外的分压电阻进行分压作用，获得一定电压差；由此使得预电离间隙率先击穿并产生预电离，之后峰化开关主间隙在预电离产生的紫外光辐照下击穿。该峰化开关中增加了自耦式紫外预电离结构，可以大大降低开关抖动；但仍存在以下缺陷：其一，该峰化开关的自耦式紫外预电离结构较复杂，一方面需在峰化开关外壳外安装多个分压电阻，另一方面该结构中钨针与触发盘之间安装陶瓷绝缘子用于隔离电位，不锈钢尖端焊接于触发盘上，复杂的结构将使得峰化开关故障率增大。其二，该自耦式紫外预电离结构需在峰化开关外壳表面安装分压电阻，且分压电阻表面与峰化开关外壳表面相接触，这将增大峰化开关外壳表面或电阻表面沿面滑闪概率，影响峰化开关稳定运行和寿命。其三，该自耦式紫外预电离结构中的预电离电极为针状，多次放电后将产生严重电极烧蚀，由此对预电离开关工作性能带来不利影响。

综上所述，目前现有的陡化开关存在抖动高、电感高、寿命短且可靠性差的问题，难以满足快脉冲触发源的要求。

发明内容

本发明的目的是解决现有的陡化开关存在抖动高、电感高、寿命短且可靠性差的问题，难以满足快脉冲触发源要求的技术问题，而提供一种带紫外预电离结构的气体陡化开关，用于快脉冲触发源。

本发明的技术构思是：

本发明在传统上电极和下电极构成的两间隙陡化开关的基础上，增加两个紫外预电离电极，上电极与第一环形预电离电极、第一环形预电离电极与第二环形预电离电极、第二环形预电离电极与下电极分别构成了三个结构电容。当外部施加的电脉冲施加到上电极时，通过三个结构电容分压，可以在第一环形预电离电极和第二环形预电离电极构成的预电离间隙上产生一个电势差，预电离间隙在该电势差作用下率先击穿并产生预电离，之后由上电极和下电极构成的主间隙在预电离击穿产生的紫外光辐照下被击穿。

为解决上述技术问题，实现上述发明构思，本发明所采用的技术方案为：

一种带紫外预电离结构的气体陡化开关，其特殊之处在于：包括上电极组件、下电极组件、气嘴、开关外壳、设置于开关外壳内部的第一环形预电离电极以及第二环形预电离电极；

上电极组件、下电极组件相对设置于开关外壳的两端，且上电极组件与下电极组件与开关外壳构成封闭腔体；上电极组件包括上电极，下电极组件包括下电极；上电极与下电极同轴设置，且上电极与下电极形成主间隙；

气嘴设置于开关外壳的前端外壁上，气嘴用于为气体陡化开关放气或充气；

第一环形预电离电极与第二环形预电离电极同轴相对设置于开关外壳的内壁上，且第一环形预电离电极与第二环形预电离电极之间形成预电离间隙。

进一步地，所述上电极组件还包括上电极底座，上电极通过上电极底座设置于开关外壳的上端；

下电极组件还包括下电极底座，下电极通过下电极底座设置于开关外壳的下端；

下电极为中空圆柱电极，包括同轴设置的中空本体和本体底座；中空本体的下端口连接在本体底座上；

中空本体的上端口内径大于下端口内径，且上端口为楔形结构；

本体底座与下电极底座同轴连接。

进一步地，所述中空本体沿圆周设置有多个凹槽，凹槽内镶嵌有金属楔形块。

进一步地，所述开关外壳的内壁上设置有环形凸起；

第一环形预电离电极安装在环形凸起顶部，且第一环形预电离电极的开口朝下；

第二环形预电离电极安装在环形凸起底部，且第二环形预电离电极的开口朝上。

进一步地，所述上电极与下电极的材料均为渗铜石墨；

金属楔形块的逸出功大于等于渗铜石墨逸出功2.5。

进一步地，所述第一环形预电离电极包括垂直连接的第一环形底座和第一环形刀口；第一环形底座的一端套设在环形凸起顶部；

第二环形预电离电极包括垂直连接的第二环形底座和第二环形刀口；

第二环形底座的一端套设在环形凸起底部；

第一环形刀口与第二环形刀口同轴相对设置。

进一步地，所述中空本体的上端口与金属楔形块的楔角均为8～12度，且楔形端部的导圆角半径均为R0.1～R0.3mm；

渗铜石墨的抗压强度均大于2000kg/cm

进一步地，所述上电极或/和下电极的中轴线与第一环形刀口的外表面和第二环形刀口的外表面之间的距离为14～16mm；

第一环形预电离电极的靠近上电极的外壁与上电极的下端面之间的距离和第二环形预电离电极的靠近下电极的外壁与下电极的上端口之间的距离均为4～6mm；

环形凸起远离开关外壳的端部与第一环形刀口的内表面和第二环形刀口的内表面之间的距离均为2.5～3mm；

第一环形刀口和第二环形刀口之间的距离为1～1.5mm；且第一环形刀口与第二环形刀口的尖角角度均为8～12度，刀口高度为2～4mm。

进一步地，所述开关外壳为绝缘体；

上电极底座、下电极底座均为圆盘结构，且材料为不锈钢；

第一环形预电离电极和第二环形预电离电极的材料均为钍钨合金或高熵合金；

气嘴的材料为PEEK；

封闭腔体内部充入六氟化硫和氩气的混合气体，且氩气的气体体积占比大于等于30％。

进一步地，所述中空本体和本体底座一体制成；

第一环形底座和第一环形刀口一体制成；

第二环形底座和第二环形刀口一体制成。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明带紫外预电离结构的气体陡化开关中，上电极与第一环形预电离电极、第一环形预电离电极与第二环形预电离电极、第二环形预电离电极与下电极构成的三个结构电容，三个结构电容之间具有分压作用，可以在第一环形预电离电极和第二环形预电离电极构成的预电离间隙上产生一个电势差，预电离间隙在该电势差作用下率先击穿后产生预电离与紫外光，可以更高效的辐照上电极与下电极形成的主间隙，降低了本发明气体陡化开关的击穿抖动。

(2)本发明带紫外预电离结构的气体陡化开关，结构简洁，能够利用上电极与第一环形预电离电极、第一环形预电离电极与第二环形预电离电极、第二环形预电离电极与下电极构成的三个结构电容分压并产生紫外预电离，避免了额外电子元器件的使用，提高了本发明气体陡化开关的可靠性。

(3)本发明带紫外预电离结构的气体陡化开关中的上电极、下电极均选用高性能的渗铜石墨，该材料使得上电极、下电极的击穿稳定性高且耐烧蚀。此外，第一环形预电离电极与第二环形预电离电极也使用耐烧蚀的金属材料(即钍钨合金或高熵合金)，使得本发明的整个气体陡化开关寿命长，稳定性高。

(4)本发明带紫外预电离结构的气体陡化开关中，上电极和下电极采用渗铜石墨材料，待镶嵌楔形块采用金属材料，且金属材料的逸出功比渗铜石墨逸出功高出2.5，可以使气体陡化开关只在渗铜石墨处产生放电通道，因此可产生数量稳定的放电通道，有利于减小气体陡化开关的电感。

(5)本发明带紫外预电离结构的气体陡化开关的封闭腔体内，充入六氟化硫和氩气混合气体，该混合气体更有利于产生多通道放电，从而有利于进一步减小气体陡化开关的电感和电极烧蚀。

附图说明

图1为本发明带紫外预电离结构的气体陡化开关实施例的剖视图。

图2为本发明带紫外预电离结构的气体陡化开关实施例中下电极的结构示意图。

图3为本发明带紫外预电离结构的气体陡化开关实施例中，第二环形预电离电极结构示意图。

图中附图标记为：

1-开关外壳，2-上电极，201-上电极底座；3-下电极，301-下电极底座，302-中空本体，303-本体底座，304-凹槽，305-上端口，306-下端口；4-第一环形预电离电极，401-第一环形底座，402-第一环形刀口；5-第二环形预电离电极，501-第二环形底座，502-第二环形刀口；6-气嘴，7-环形凸起，8-封闭腔体。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种带紫外预电离结构的气体陡化开关，包括开关外壳1，上电极组件，下电极组件，第一环形预电离电极4，第二环形预电离电极5和气嘴6。

开关外壳1为圆柱形中空壳体，其高度为55mm、内径为45mm，外径为80mm，材料为有机玻璃。开关外壳1侧壁上均设置有两组六个M5螺纹孔，用于与上电极组件和下电极组件连接。开关外壳1的内壁上设置有环形凸起7，环形凸起7的上表面、下表面均设置有六个M2螺纹孔，用于固定第一环形预电离电极4和第二环形预电离电极5；开关外壳1的前端外壁上与后端外壁上分别设置有环形台阶，环形台阶用于阻止沿开关外壳1的侧壁放电，其高度为5mm，厚度为3mm。开关外壳1与上电极组件、下电极组件通过螺钉以及密封圈构成封闭腔体8。开关外壳1前端外壁上设置有一M6螺纹通孔，用于安装气嘴6。

上电极组件由上电极2和上电极底座201组成，上电极底座201为圆盘状，材料为不锈钢，其直径为73mm，厚度为4mm。上电极底座201沿圆周方向设置有6个直径为6mm的圆形通孔，中心设置有M26螺纹孔，螺纹孔的深度为2.5mm。上电极2为圆柱形，直径为26mm，高度为20mm，上电极2的材料为高性能渗铜石墨。圆柱上边缘设置M26螺纹，下边缘导R3圆角。上电极底座201和上电极2通过螺纹连接为一体。

下电极组件由下电极底座301、中空本体302和本体底座303组成。下电极底座301为圆盘状，材料为不锈钢，其结构和尺寸与上电极底座201一致。本体底座303材料为高性能渗铜石墨；如图2所示，中空本体302为中空环形，其内径为12mm，外径为15mm，高度为10mm，中空本体302的上端口305为楔形，楔角为9.5度，楔形尖端导圆角，导圆角半径为R0.2mm，沿中空本体302的圆周方向等距离设置有四个深度为8mm的凹槽304，并在每个凹槽304中设置有待镶嵌楔形块，待镶嵌楔形块材料为楔形钨块，楔形钨块的下端与本体底座303相适配。本体底座303为圆盘形，其直径为26mm，厚度为7.5mm，下表面设置有M26螺孔，并与下电极底座301连接为一体。

如图3所示，第一环形预电离电极4和第二环形预电离电极5结构相同，第一环形预电离电极4由第一环形底座401和第一环形刀口402组成，第二环形预电离电极5由第二环形底座501和第二环形刀口502组成。第一环形底座401和第二环形底座501均为环形结构，其内径均为40mm，外径均为45mm，厚度均为1mm，上面等角度设置6个直径为3mm的通孔，用于将第一环形预电离电极4、第二环形预电离电极5相对的安装在开关外壳1内壁上的环形凸起7上。第一环形刀口402与第二环形刀口502为直立的环形刀口，其刀口高度为3mm，刀口尖角角度为10度，第一环形刀口402和第二环形刀口502之间的距离为1.2mm。环形凸起7远离开关外壳1的端部与第一环形刀口402的内表面和第二环形刀口502的内表面之间的距离均为2.6mm；第一环形底座401和第一环形刀口402的连接处、第二环形底座501和第二环形刀口502的连接处均导圆角，其内导角和外导角的半径均为R0.5mm。第一环形预电离电极4和第二环形预电离电极5的材料为高熵合金，其具有良好的耐烧蚀特性。

为保证第一环形预电离电极4、第二环形预电离电极5构成的预电离间隙放电产生的紫外光可以最大限度地辐照上电极2、下电极3构成的主间隙。上电极2或下电极3的中轴线与第一环形刀口402的外表面或第二环形刀口502的外表面之间的距离为15mm；第一环形预电离电极4的靠近上电极2的外壁与上电极2的下端面之间的距离和第二环形预电离电极5的靠近下电极3的外壁与下电极3的上端口305之间的距离均为5mm。

本实施例中的气嘴6安装在开关壳体1前端外壁上，用于实现气体陡化开关腔体的充气或放气。气嘴6材料为PEEK。气体陡化开关腔体内充的六氟化硫和氩气的混合气体，其中氩气的占比为35％，有利于形成多通道放电。本发明的气体陡化开关能够通过自身结构电容分压并由此产生紫外预电离，同时能够在放电中产生四个放电通道，具备低抖动、低电感、耐电极烧蚀、结构简洁和寿命长的特点。

上述实施例的工作原理或工作过程如下：

当外部的脉冲电压施加到气体陡化开关的上电极2时，由于上电极2与第一环形预电离电极4、第一环形预电离电极4与第二环形预电离电极5、第二环形预电离电极5与下电极3所构成的三个结构电容之间的分压作用，可以在第一环形预电离电极4和第二环形预电离电极5构成的预电离间隙上产生一个电势差，预电离间隙在该电势差作用下率先击穿后产生预电离与紫外光。之后由上电极2和下电极3构成的主间隙在预电离击穿产生紫外光的辐照下被击穿，由此整个气体陡化开关完成导通。