CN102013635A - 同轴屏蔽气体火花开关 - Google Patents

Abstract

同轴屏蔽式高压气体火花开关一种同轴结构的双间隙横向针触发的电脉冲控制触发的气体火花开关，其按照特性阻抗匹配的原理设计而成，并将储能电容器装入其中，不仅有助于降低电感并使结构紧凑、加快脉冲的上升沿，而且可以解决屏蔽、支撑及接地问题，同时更便于实现与同轴电缆的过渡连接；采用横向双间隙针触发结构，以方便对开关内电场的调节及触发位置的调整，并可以阻断主脉冲通过触发极的分流问题，使开关正、负脉冲触发皆，并可同时用于产生正负脉冲。适于用做产生高峰值、快前沿电脉冲的转换开关。

Description

同轴屏蔽气体火花开关

技术领域

本发明是一种同轴结构的双间隙横向针触发的气体火花开关，其结构得到优化并与负载匹配，适用于高峰值、快前沿电脉冲的产生。

背景技术

电磁脉冲及其工程防护的理论和技术仍然是当今世界各大国研究的热点之一。目前的研究热点一方面是利用脉冲功率技术研制快前沿、高重复频率、窄脉冲模拟器及超级EMP(Super-EMP)模拟器，另一方面是EMP效应及其应用领域的扩展。高功率脉冲技术中，开关技术具有特殊重要的地位，它不仅决定了脉冲功率装置的输出特性，甚至是脉冲功率系统成败的关键。为了使电磁脉冲模拟器的脉冲前沿时间降低、波形光滑、减少对环境的辐射干扰，设计了同轴屏蔽式高压气体火花开关。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种能实现良好的可触发性能的高压气体火花开关。

技术方案：与高功率脉冲技术一样，核电磁脉冲模拟技术中，开关技术具有特殊重要的地位。它不仅决定了装置的输出特性，甚至是模拟系统成败的关键。开关既要求能传输大功率、低的时间抖动，还要求具有低的电感和低的损耗电阻。常采用三电极场畸变型气体开关，主要构型可分为两种：一种是在一个电极中心开孔，引入触发针；另一种是在开关电极的中间平面部位，即中心电位面为零处，放入圆环片，构成触发电极。气体火花开关的结构形式、电极形状、触发形式及触发脉冲、气体压力等都会对脉冲波形参数产生较大的影响，必须认真对待。上述两种结构形式的开关在主电极间隙d很小、极间电压极高、要求波形上升时间小于3ns的情况下，存在着触发及波形调节困难、辐射干扰等缺点。

本发明的同轴屏蔽式高压气体火花，按照特性阻抗匹配的原理将其设计成同轴式结构，并将储能电容器装入其中，不仅有助于降低电感并使结构紧凑、加快脉冲的上升沿，而且可以解决屏蔽、支撑及接地问题，同时更便于实现与同轴电缆的过渡连接；采用横向双间隙针触发结构，以方便对开关内电场的调节及触发位置的调整，并可以阻断主脉冲通过触发极的分流问题，使开关可同时适用于产生正负脉冲。

开关的外层金属屏蔽罩由一个空心金属罩壳及两端分别通过法兰及螺纹联接与之相连的端盖和锥形输出过渡段构成，端盖上装有气咀；在外层金属屏蔽罩圆柱段内装有绝缘套筒，套筒内装有低感储能电容，其一端与端盖有效电连接，另一端与一主电极1及直流高电压输入极相连，另一主电极3与主电极1相对并相距数毫米，主电极3的输出端与输出铜线良好连接，两者外层套有绝缘体，该绝缘体一部分嵌入绝缘筒内，一部分与输出过渡段密合，尾部与输出铜线一起穿出过渡段通过连接器与输出同轴电缆相连，主电极3与绝缘体间通过螺纹联接及密封圈密封，绝缘体与过渡段间通过螺纹联接及密封圈密封；空心金属罩壳外有两个凸台，凸台中央各有一个螺纹通孔通入壳内，分别用于直流高电压输入电极和触发电极，该两电极与罩壳通过绝缘套隔离，并通过螺纹联接及密封圈保证气密性；触发电极一端为微弯的针状伸入主电极1、3之间，可旋转调整，另一端为较大的平面位于金属罩壳外的绝缘盒内，与触发脉冲的输入引线相距数毫米形成阻断间隙；直流高电压输入电极、触发电极及输出铜线与绝缘材料之间填充有高压硅脂；开关主体的特性阻抗与负载阻抗相同，过渡段锥角为45°～60°。

利用微弯的针状触发电极的可旋转性调整其与两主电极间的距离及主电场的分布，实现良好的可触发性。

利用触发引线与触发电极间的空气间隙(阻断间隙)实现对主脉冲的旁路阻断，便于使用正、负脉冲触发和用于正负脉冲源；利用阻断间隙与触发针和主电极间的触发间隙使触发针形成电荷极聚效应，改善触发性能。

利用锥角为45°～60°的锥形输出过渡段实现与脉冲源的输出传输线的阻抗匹配，减少传输的反射和振荡。

有益效果：

1、微弯的针状触发电极的可旋转性有利于调节其与两主电极间的距离及主电场的分布，实现良好的可触发性能。

2、阻断间隙有利于使用正、负脉冲触发，并可用于形成正负脉冲；

3、阻断间隙与触发间隙有利于触发针形成电荷极聚效应，改善触发性能；

4、锥形输出过渡段实现有利于减少传输的反射和振荡；

5、屏蔽一体式结构有利于系统的有效电感，有利于减小辐射干扰；

6、结构简单易行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中有：放电主电极1；输出主电极3；触发针电极2；绝缘体4；输出铜线5；锥形金属输出过渡段6；金属罩壳7；绝缘套筒8；金属端盖9；气咀10；阻断间隙11；触发引线12；联接螺栓、螺母13、14；触发间隙15；直流高压电极16。

具体实施方式

本发明同轴屏蔽式高压气体火花的外层金属屏蔽罩由一个空心金属罩壳7及两端分别通过法兰及螺纹联接13、14与之相连的端盖9和锥形输出过渡段6构成，端盖9上装有气咀10；在空心金属罩壳7内装有绝缘套筒8，套筒8内装有低感储能电容(图中未示出)，其一端与端盖9有效电连接，另一端与一主电极1及直流高电压输入极16相连，另一主电极3与主电极1相对并相距数毫米，主电极3的输出端与输出铜线5良好连接，两者外层套有绝缘体4，绝缘体4一部分嵌入绝缘筒8内，一部分与输出过渡段6密合，尾部与输出铜线5一起穿出过渡段6通过连接器与输出同轴电缆相连(图中未示出)，主电极3与绝缘体4间通过螺纹联接及密封圈(图中未示出)密封，绝缘体4与过渡段6间通过螺纹联接及密封圈(图中未示出)密封；空心金属罩壳7外有两个凸台(图中只示出一个)，凸台中央各有一个螺纹通孔通入金属罩壳7内，分别用于直流高电压输入电极16和触发电极3，该两电极与罩壳7通过绝缘套隔离，并通过螺纹联接及密封圈(图中未示出)保证气密性；触发电极2一端为微弯的可旋转调整的针状，伸入主电极1、3之间形成触发间隙15，另一端为较大的平面位于金属罩壳7外的绝缘盒内，与触发脉冲的输入引线12相距数毫米形成阻断间隙11；直流高电压输入电极16、触发电极2及输出铜线5与绝缘材料之间填充有高压硅脂；开关主体的特性阻抗与负载阻抗相同，过渡段6锥角为45°～60°。

材料、形状、连接方式的选择

金属罩壳7内表面为圆柱直筒形，外表面主体为圆柱形，两端为法兰结构，材料为金属铝或铜或不锈钢；输出过渡段6为圆锥形过渡到圆柱形，并带有两个法兰分别用于与罩壳7及输出连接器相连，材料均为金属铝或铜或不锈钢；主电极1、3为子弹头，气隙间距为数毫米，触发电极为微弯的针状，材料均为不锈钢；绝缘套筒8的材料为聚四氟乙烯或有机玻璃，绝缘体4的材料为聚四氟乙烯，其它绝缘材料为聚四氟乙烯或聚甲醛，内绝缘填充有高压硅脂；储能电容为高压无感圆柱状同轴脉冲电容器。

Claims (3)

1.一种高压气体火花开关，其特征在于该火花开关包括放电主电极(1)；触发针电极(2)；输出主电极(3)；绝缘体(4)；输出铜线(5)；锥形金属输出过渡段(6)；金属罩壳(7)；绝缘套筒(8)；金属端盖(9)；气咀(10)；阻断间隙(11)；触发引线(12)；联接螺栓、螺栓(13、14)；触发间隙(15)；直流高压电极(16)；其中，金属罩壳(7)的一端与锥形金属输出过渡段(6)通过螺栓(13、14)连接，金属罩壳(7)的的另一端与金属端盖(9)连接；在金属罩壳(7)中设有绝缘套筒(8)，在绝缘套筒(8)的中间设有放电主电极(1)，在放电主电极(1)的一端设有直流高压电极(16)；在锥形金属输出过渡段(6)的内部设有绝缘体(4)，在绝缘体(4)的中间设有输出铜线(5)，在绝缘体(4)的内端设有与放电主电极(1)在一条轴线上的输出主电极(3)；触发针电极(2)位于放电主电极(1)和输出主电极(3)之间；在触发针电极(2)的上部设有触发引线(12)，触发针电极(2)与触发引线(12)之间设有阻断间隙(11)。

2.根据权利要求1所述的高压气体火花开关，其特征在于所述的触发针电极(2)为微弯的针状，且可旋转性，便于调整其与放电主电极(1)和输出主电极(3)的距离及主电场的分布，实现良好的可触发性。

3.根据权利要求1所述的高压气体火花开关，其特征在于锥形金属输出过渡段(6)的锥角为45°～60°，实现阻抗匹配，减少传输的反射和振荡。

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