CN100492573C - 基于高介沿面闪络的高能真空crowbar开关 - Google Patents
基于高介沿面闪络的高能真空crowbar开关 Download PDFInfo
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Abstract
基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，包括绝缘壳体和设置在绝缘外壳内的上电极、下电极，上电极和下电极之间构成主放电间隙，密闭壳体内的压力为10-2～10-5Pa，上电极和下电极至少有一个为活动电极，在固定电极或活动电极内或在固定电极的一侧开设有镶嵌触发电极的沿面闪络电介质材料，触发电极与沿面闪络电介质材料之间构成了沿面放电间隙，当触发电极镶嵌在固定电极一侧时，触发电极和端法兰通过绝缘材料隔离。本发明的上电极或下电极与触发极之间设置有沿面闪络电介质材料，在真空环境中，在触发脉冲作用下具有很强的电荷释放能力，非常宽的电压工作范围、很高的耐压、极小的工作电压及较大的通流容量。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲功率技术、核聚变技术以及高能激光等技术领域的CROWBAR开关，特别涉及一种基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关。
背景技术
高能脉冲放电开关是脉冲功率技术、核聚变及高能激光技术中常用的关键器件之一，国内用于脉冲功率技术的放电开关，其电荷转移量一般为0.2库仑左右，国外脉冲功率技术研究中，放电开关的单次电荷转移量已达1库仑。随着脉冲功率技术等强电磁脉冲技术的发展，高能脉冲发生装置将发挥愈来愈大的作用，单次通过放电开关的电荷量转移量及脉冲能量也在逐渐增加。如脉冲功率技术中，单次通过放电开关的电荷转移量达1库仑以上；而用于核爆炸效应模拟研究的放电开关，单次电荷转移量高达上百库仑。
高能CROWBAR脉冲放电开关在脉冲功率技术、核聚变及高能激光技术中，一般应用在电容储能且放电回路中又有电感元件存在的场合，CROWBAR脉冲放电开关起着延长回路中储能元件向负载释放电荷的时间。CROWBAR放电开关的这种作用决定其必备的工作特性：(1)工作电压高，工作电流大，即要求CROWBAR放电开关具有很高的耐压和通流能力。(2)宽的工作范围，理想情况下工作范围为0～100％，即要求开关在具有很高的耐压和非常低的工作电压；(3)工作寿命长。而目前使用的CROWBAR放电开关很难同时满足以上工作要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种可工作在真空环境中，具有高的耐受电压、较大的通流容量、较长的使用寿命、宽的工作电压范围及较小放电时延和抖动的基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括绝缘壳体和设置在绝缘壳体内的上电极、下电极，上电极和下电极之间构成主放电间隙，上电极和下电极通过上端法兰和下端法兰设置在绝缘壳体内，其特点是，由绝缘壳体及设置在绝缘壳体两端的上、下端法兰构成的密闭壳体内的压力为10-5～10-2Pa，所说的上电极和下电极至少有一个为活动电极，在固定电极或活动电极内或在固定电极的一侧开设有镶嵌触发电极的沿面闪络电介质材料，触发电极与沿面闪络电介质材料之间构成了沿面放电间隙，当触发电极镶嵌在固定电极一侧时，触发电极和下端法兰通过绝缘材料隔离。
本发明的上电极通过波纹管与上端法兰相连接，波纹管与上电极之间还设置有波纹管屏蔽罩；上电极、下电极和触发电极的周围的绝缘壳体内壁上设置有金属屏蔽罩；沿面闪络电介质材料的上表面和下电极的表面在同一水平面或低于下电极的表面1mm～5mm；沿面闪络电介质材料为“T”型结构，其中心轴开有安装柱状触发电极的圆孔，圆孔上端的内侧表面镀有金属层，沿面闪络电介质材料的上表面为平面，其上端外侧面与下电极紧密配合，沿面闪络电介质材料和触发电极之间构成沿面放电间隙；沿面闪络电介质材料为“V”型结构，其中心轴开有安装柱状触发电极的圆孔，圆孔上端的内侧表面镀有金属层，沿面闪络电介质材料的上表面为“V”型斜面，其上端外侧面与下电极紧密配合，沿面闪络电介质材料和触发电极之间构成沿面放电间隙；沿面闪络电介质材料的表面开设有圆环形槽，圆环形槽的宽度为几十至几百μm，槽的深度为几十微米至几个毫米；沿面闪络电介质材料的表面开设有螺旋槽，螺旋槽的宽度为几十至几百μm，槽的深度为几十微米至几个毫米；沿面闪络电介质材料为钛酸锶、钛酸钡系的复合介质或半导体材料。
由于本发明的上电极或下电极与触发极之间设置有沿面闪络电介质材料，在真空环境中，这些沿面闪络电介质材料具有极强的沿面闪络特性，在触发脉冲作用下具有很强的电荷释放能力，因而使真空CROWBAR开关具有非常宽(接近100％)的电压工作范围、很高的耐压、极小的工作电压及较大的通流容量，且具有非常小的放电时延和抖动；因而CROWBAR开关工作时，高能脉冲电弧对触发装置的烧蚀减少，使得开关具有较长的使用寿命，工作稳定性大大增强，可作为脉冲功率技术、核聚变技术以及高能激光等技术领域的CROWBAR开关。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明沿面闪络电介质材料4的第一种结构示意图；
图4是本发明沿面闪络电介质材料4的第二种结构示意图；
图5是本发明沿面闪络电介质材料4的第一种表面结构示意图；
图6是本发明沿面闪络电介质材料4的第二种表面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，实施例1，本实施例包括绝缘壳体11和设置在绝缘壳体11内的上电极1、下电极2，上电极1和下电极2之间构成主放电间隙5，上电极1和下电极2通过上端法兰9和下端法兰10设置在绝缘壳体11内，且由绝缘壳体11及设置在绝缘壳体11两端的上、下端法兰9、10构成的密闭壳体内的压力为10-2～10-5Pa，上电极1为活动电极，下电极2为固定电极，在下电极2内开设有镶嵌柱状触发电极3的沿面闪络电介质材料4，柱状触发电极3与沿面闪络电介质材料4之间构成了沿面放电间隙12。沿面闪络介质材料4的上表面和下电极2的表面在同一水平面或低于下电极2的表面1mm～5mm。上电极1通过波纹管6与上端法兰9相连接，波纹管6的上端还设置有波纹管屏蔽罩8，波纹管屏蔽罩8可防止金属蒸汽沉积在波纹管6上，影响波纹管6的特性和寿命，在上电极1、下电极2和触发电极3的周围的绝缘壳体11的内壁上设置有屏蔽罩7，屏蔽罩7可防止金属蒸汽沉积在绝缘密闭外壳11上，造成上电极1和下电极2短路，屏蔽罩7可以用金属材料，如无氧铜制作。
参见图2，实施例2，本实施例的下电极2的一侧开设有镶嵌柱状触发电极3的沿面闪络电介质材料4，柱状触发电极3和下端法兰10之间通过绝缘材料15隔离。其它连接关系同实施例1。
参见图3，本发明的沿面闪络电介质材料4为“T”型结构，其中心轴开有安装触发电极3的圆孔16，圆孔16上端的内侧表面镀有金属层17，如银层，以便于触发电极3上端钎焊在一起，沿面闪络电介质材料4的上表面为平面，其上端外侧面18与下电极2紧密配合在一起，沿面闪络电介质材料4与和触发电极3之间构成了沿面放电间隙12。
参见图4，沿面闪络电介质材料的结构为“V”型，其中心轴开有圆孔16，用于安装CROWBAR开关的触发电极3，孔的上内侧表面镀有金属化层17，如银层，以便于触发电极3上端钎焊在一起，沿面闪络电介质材料4的上表面为“V”型斜面，其上端外侧面18与下电极2紧密配合在一起，沿面闪络电介质材料和触发电极3之间构成沿面放电间隙19。
参见图5，沿面闪络电介质材料4的表面开设有圆环形槽20，圆环形槽20的宽度为几十至几百μm，槽的深度为几十微米至几个毫米。
参见图6，沿面闪络电介质材料4的表面开设有螺旋槽21，螺旋槽21的宽度为几十至几百μm，槽的深度为几十微米至几个毫米。
本发明不同于现有CROWBAR开关的最显著的特点是：采用高真空作为CROWBAR开关，并在CROWBAR开关的触发结构中采用了高介电常数的介质材料作为沿面闪络触发材料，该触发材料可以包含各种钛酸锶、钛酸钡系的复合介质以及氧化锌半导体复合材料等，它们在触发脉冲的作用下具有很强的电荷发射能力，所需的触发脉冲能量小，减少了CROWBAR开关的放电时延和抖动；在触发结构的沿面触发面上开有一定宽度和深度的环形槽或螺旋槽，且触发面低于下电极一定高度，减少了强脉冲电弧对触发结构的烧蚀，使其具有较长的使用寿命。总之，本发明的高介沿面闪络真空CROWBAR开关具有很高的耐受电压、较大的通流容量、较长的使用寿命和非常宽的工作电压范围等等优点，可以作为脉冲功率技术、核聚变技术等场合的CROWBAR开关。
Claims (9)
1、基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，包括绝缘壳体[11]和设置在绝缘壳体[11]内的上电极[1]、下电极[2]，上电极[1]和下电极[2]之间构成主放电间隙[5]，上电极[1]和下电极[2]通过上端法兰[9]和下端法兰[10]设置在绝缘壳体[11]内，其特征在于：由绝缘壳体[11]及设置在绝缘壳体[11]两端的上、下端法兰[9、10]构成的密闭壳体内的压力为10-5～10-2Pa，所说的上电极[1]和下电极[2]至少有一个为活动电极，在固定电极或活动电极内或在固定电极的一侧开设有镶嵌触发电极[3]的沿面闪络电介质材料[4]，触发电极[3]与沿面闪络电介质材料[4]之间构成了沿面放电间隙，当触发电极[3]镶嵌在固定电极一侧时，触发电极[3]和下端法兰[10]通过绝缘材料[15]隔离。
2、根据权利要求1所述的基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的上电极[1]通过波纹管[6]与上端法兰[9]相连接，波纹管[6]与上电极[1]之间还设置有波纹管屏蔽罩[8]。
3、根据权利要求1所述的基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的上电极[1]、下电极[2]和触发电极[3]的周围的绝缘壳体[11]内壁上设置有金属屏蔽罩[7]。
4、根据权利要求1所述的基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]的上表面和下电极[2]的表面在同一水平面或低于下电极[2]的表面1mm～5mm。
5、根据权利要求1所述的基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]为“T”型结构，其中心轴开有安装柱状触发电极[3]的圆孔[16]，圆孔[16]上端的内侧表面镀有金属层[17]，沿面闪络电介质材料[4]的上表面为平面，其上端外侧面[18]与下电极[2]紧密配合，沿面闪络电介质材料[4]和触发电极[3]之间构成沿面放电间隙。
6、根据权利要求1所述的基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]为“V”型结构，其中心轴开有安装柱状触发电极[3]的圆孔[16]，圆孔[16]上端的内侧表面镀有金属层[17]，沿面闪络电介质材料[4]的上表面为“V”型斜面，其上端外侧面[18]与下电极[2]紧密配合，沿面闪络电介质材料[4]和触发电极[3]之间构成沿面放电间隙。
7、根据权利要求1所述的基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]的表面开设有圆环形槽[20]，圆环形槽[20]的宽度为几十至几百μm，槽的深度为几十微米至几个毫米。
8、根据权利要求1所述的基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]的表面开设有螺旋槽[21]，螺旋槽[21]的宽度为几十至几百μm，槽的深度为几十微米至几个毫米。
9、根据权利要求1所述的基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]为钛酸锶、钛酸钡系的复合介质或半导体材料。
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