一種陣列微空心陰極放電觸發(fā)的氣體開(kāi)關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣體開(kāi)關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體開(kāi)關(guān)是以氣體作為絕緣介質(zhì)的開(kāi)關(guān)，其主要特點(diǎn)是工作電壓高、通流能力強(qiáng)，在大功率脈沖功率技術(shù)中應(yīng)用廣泛，比較典型的是應(yīng)用在線性變壓器驅(qū)動(dòng)器(LinearTransformer Driver，以下簡(jiǎn)稱LTD)上。LTD是一種利用多路相對(duì)較低的電壓模塊，通過(guò)感應(yīng)電壓疊加技術(shù)獲得高壓大電流納秒脈沖的脈沖功率源，大規(guī)模LTD由數(shù)萬(wàn)個(gè)放電模塊構(gòu)成，因此對(duì)開(kāi)關(guān)觸發(fā)特性提出了更高要求。目前LTD裝置中多采用三電極場(chǎng)畸變或多極多通道開(kāi)關(guān)，其觸發(fā)的基本原理是利用觸發(fā)脈沖電壓對(duì)開(kāi)關(guān)間隙電場(chǎng)分布的改變實(shí)現(xiàn)過(guò)壓雪崩擊穿，而改變開(kāi)關(guān)內(nèi)部電場(chǎng)分布所需的脈沖電壓幅值很尚，基本和開(kāi)關(guān)工作電壓在一個(gè)量級(jí)，使得開(kāi)關(guān)的觸發(fā)電路本身就是一個(gè)很難實(shí)現(xiàn)的快脈沖電源。
[0003]近年來(lái)也出現(xiàn)了很多新穎的觸發(fā)方式，紫外預(yù)觸發(fā)和激光觸發(fā)作為新穎的觸發(fā)方式，觸發(fā)機(jī)理與三電極場(chǎng)畸變和多極多通道開(kāi)關(guān)不同，其通過(guò)紫外或激光照射開(kāi)關(guān)間隙形成高密度電離區(qū)域，產(chǎn)生初始電子并誘導(dǎo)間隙雪崩擊穿導(dǎo)通，但其同樣需要配置能量很高的紫外或激光發(fā)生器，對(duì)于大規(guī)模LTD裝置來(lái)說(shuō)，觸發(fā)裝置同樣十分復(fù)雜龐大。同樣以產(chǎn)生誘導(dǎo)電子為目標(biāo)，借助等離子體手段，用氣體放電等離子體代替光電離，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的電極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高密度等離子體放電的同時(shí)降低觸發(fā)電壓，進(jìn)而可以有助實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器的小型化，將是一種可行有效的技術(shù)手段。
[0004]微空心陰極(Micro-hollow Cathode，以下簡(jiǎn)稱MHC)是一種可以在高氣壓下產(chǎn)生微放電等離子體的電極結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是由任意形狀的陽(yáng)極和微空心的陰極構(gòu)成，根據(jù)空心陰極PD值乘積一定的理論(P指放電氣體組分的氣壓，D指陰極的空心直徑)，由于微孔尺寸在亞毫米量級(jí)，其可實(shí)現(xiàn)在大氣壓下的輝光放電；另一方面，微空心陰極的環(huán)形電極結(jié)構(gòu)使得電子在陰極徑向電場(chǎng)的作用下，實(shí)現(xiàn)了振蕩過(guò)程，大大增加了碰撞電離的機(jī)會(huì)，所以該放電可以實(shí)現(xiàn)很高的電子密度;同時(shí)，為了得到更大規(guī)模的放電，通常在一個(gè)平板陰極上加工多個(gè)微孔，實(shí)現(xiàn)陣列微孔放電；最后，由于尺寸微小，放電所需要的觸發(fā)電壓很低，通常只需要幾千伏。高氣壓放電、大面積陣列放電等離子體、高電子密度以及低觸發(fā)電壓這些特性，為其作為氣體開(kāi)關(guān)觸發(fā)源提供了很好的理論基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種新型氣體放電開(kāi)關(guān)，以解決目前傳統(tǒng)三電極場(chǎng)畸變和多極多通道氣體開(kāi)關(guān)的觸發(fā)電壓高、同步觸發(fā)難度大、在大規(guī)模開(kāi)關(guān)使用領(lǐng)域方面難以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電源的小型化的問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明提出的新型氣體放電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，是一種利用陣列微空心陰極放電觸發(fā)的氣體放電開(kāi)關(guān)，具體是利用陣列微空心陰極放電產(chǎn)生的微等離子體所具有的觸發(fā)電壓低、產(chǎn)生的電子高密度以及可實(shí)現(xiàn)大面積多孔陣列放電的優(yōu)點(diǎn)，將其作為觸發(fā)手段應(yīng)用在氣體開(kāi)關(guān)中，從而解決了目前傳統(tǒng)三電極場(chǎng)畸變和多極多通道氣體開(kāi)關(guān)的觸發(fā)電壓高、同步觸發(fā)難度大、在大規(guī)模開(kāi)關(guān)使用領(lǐng)域方面難以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電源的小型化的問(wèn)題。
[O OO 7 ]本發(fā)明提供的陣列微空心陰極放電觸發(fā)的氣體開(kāi)關(guān)，主要部件包括:開(kāi)關(guān)主電極及其連接件、外絕緣筒、陣列微空心陰極放電發(fā)生器及氣路接頭;其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，其中:
所述外絕緣筒形狀為中空形圓筒，內(nèi)壁用于安裝開(kāi)關(guān)主電極和陣列微空心陰極放電發(fā)生器，中間設(shè)有若干通孔，提供觸發(fā)電源設(shè)備的電氣連接的通道，以及氣路通道，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)內(nèi)部氣壓的控制;外壁有圓弧形曲線結(jié)構(gòu)用來(lái)增加表面距離，防止開(kāi)關(guān)爬電；
所述開(kāi)關(guān)主電極為上、下兩個(gè)圓柱形電極，開(kāi)關(guān)主電極連接件為兩個(gè)，每個(gè)連接件分為圓盤(pán)和連接螺紋桿兩部分，兩個(gè)圓盤(pán)分別蓋在外絕緣筒上、下兩端，并用密封膠圈密封固定，同時(shí)作為開(kāi)關(guān)與外部電路的電氣連接;上、下兩個(gè)圓柱形電極的一端部通過(guò)連接螺紋桿分別連接、固定于兩個(gè)圓盤(pán)的中心部位，上、下兩個(gè)圓柱形電極的另一端相對(duì)，形成主電極間隙，通過(guò)調(diào)整擰入連接螺紋桿的深度，可以靈活改變主電極間隙長(zhǎng)短以適合不同電壓要求的應(yīng)用;參見(jiàn)圖1所示。
[0008]其中，兩電極端部的面宜加工成一定的圓弧倒角，以便實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電壓下的電場(chǎng)均勾分布。
[0009]其中，開(kāi)關(guān)主電極可采用黃銅材質(zhì)，連接件可采用不銹鋼材質(zhì)。
[0010]所述陣列微空心陰極放電發(fā)生器作為開(kāi)關(guān)的觸發(fā)器是本開(kāi)關(guān)的核心部件，其總體結(jié)構(gòu)為“陽(yáng)極-介質(zhì)層-陰極”的三層圓柱結(jié)構(gòu)，陰極在內(nèi)層，為實(shí)心圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱后端部開(kāi)孔并攻螺紋，用于與連接件的電氣連接，陽(yáng)極在外層，為空心圓柱結(jié)構(gòu)，包裹在整個(gè)發(fā)生器外部，介質(zhì)層在中間，將兩部分隔離并實(shí)現(xiàn)電氣絕緣;在圓柱形陽(yáng)極前端部表面有若干激光鉆孔實(shí)現(xiàn)的微孔，這些微孔貫穿陽(yáng)極、介質(zhì)層，并深入到陰極前端面內(nèi)，形成微孔陣列；陣列微空心陰極放電發(fā)生器共有三個(gè)，其后端部固定在外絕緣筒內(nèi)壁的中部區(qū)域，并在同一平面內(nèi)呈120度角度分布;三個(gè)陰極后端部經(jīng)由陰極引出電極引出外絕緣筒外，三個(gè)陽(yáng)極前端部表面正對(duì)主電極間隙，使產(chǎn)生的等離子體可以在最短路徑上被加速至主電極間隙，三個(gè)陽(yáng)極后端部通通連接環(huán)相互連接，并經(jīng)由引出電極引出外絕緣筒，參見(jiàn)圖2所示。發(fā)生器在脈沖電壓作用下實(shí)現(xiàn)微空心陰極放電，利用陣列放電產(chǎn)生的大面積的高密度電子作為初始誘導(dǎo)電子，最終實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的擊穿導(dǎo)通。
[0011]發(fā)生器的陰極和陽(yáng)極可采用不銹鋼材質(zhì)，介質(zhì)層采用聚四氟乙烯材質(zhì)，且外部所有分界面均經(jīng)一定倒角處理，實(shí)現(xiàn)圓滑過(guò)渡。
[0012]所述氣路接頭采用快速氣動(dòng)接頭，該氣路接頭共2個(gè)，為I個(gè)進(jìn)氣口接頭，I個(gè)出氣口接頭，它們通過(guò)螺紋和密封圈固定在外絕緣筒中間部位，參見(jiàn)圖2所示。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在:
1、相較傳統(tǒng)的三電極場(chǎng)畸變和多級(jí)多通道開(kāi)關(guān)，觸發(fā)不再依靠巨大幅值的脈沖電壓(和開(kāi)關(guān)工作電壓在一個(gè)量級(jí))通過(guò)改變開(kāi)關(guān)內(nèi)部電場(chǎng)分布來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)壓雪崩擊穿，而是通過(guò)陣列微空心陰極放電產(chǎn)生的大面積的高密度電子誘導(dǎo)間隙擊穿，由于微空心陰極放電為微等離子體放電，其所需的觸發(fā)電壓很低(幾個(gè)千伏)，所需觸發(fā)能量很小(焦耳甚至毫焦量級(jí))，可以大大縮小觸發(fā)脈沖電源的體積和絕緣強(qiáng)度要求，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模LTD裝置的觸發(fā)設(shè)備的小型化； 2、陣列式的微空心陰極結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在一套觸發(fā)電源設(shè)備、一個(gè)觸發(fā)脈沖作用下，實(shí)現(xiàn)多個(gè)微孔并聯(lián)同步放電，在單微孔放電的基礎(chǔ)上，使用同樣的電源設(shè)備，卻大大提高了微放電等離子體的面積，促進(jìn)產(chǎn)生更多更大面積的初始誘導(dǎo)電子。大面積高密度初始電子的產(chǎn)生可以更容易誘導(dǎo)開(kāi)關(guān)間隙的雪崩擊穿，從開(kāi)關(guān)的參數(shù)角度，將有利于縮短開(kāi)關(guān)延時(shí)和抖動(dòng)；另一方面，由于大面積陣列放電的產(chǎn)生，開(kāi)關(guān)更容易被觸發(fā)導(dǎo)通，這使得開(kāi)關(guān)可以進(jìn)一步降低其工作系數(shù)(開(kāi)關(guān)工作系數(shù)定義是:開(kāi)關(guān)的工作電壓與開(kāi)關(guān)靜態(tài)自擊穿電壓的比值)，這將有助于提高開(kāi)關(guān)工作的穩(wěn)定性，減少開(kāi)關(guān)多次觸發(fā)帶來(lái)的自擊穿概率上升的問(wèn)題；
3、采用三個(gè)陣列微空心陰極放電發(fā)生器呈水平120度分布排列，可以在一次觸發(fā)過(guò)程中，產(chǎn)生三個(gè)大面積陣列放電，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)在主間隙上形成多個(gè)雪崩擊穿通道，多電弧通道可以使開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電感降低(相當(dāng)于幾個(gè)導(dǎo)通電感的并聯(lián))，可以起到類似多極多通道開(kāi)關(guān)所達(dá)到的效果，而又比多極多通道開(kāi)關(guān)電極結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，觸發(fā)更易實(shí)現(xiàn)；
4、傳統(tǒng)的三電極場(chǎng)畸變或多極多通道開(kāi)關(guān)，中間的觸發(fā)電極在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)將作為過(guò)渡電極起到連接兩個(gè)子間隙(上下電極分別與中間觸發(fā)電極形成子間隙)電弧的作用，此時(shí)觸發(fā)極是導(dǎo)通回路的一部分，由于開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)主電極高壓被引入觸發(fā)電極，觸發(fā)電源需要充分考慮電氣隔離，以防止被大電壓和過(guò)電流損