CN102130670A - 一种多极柱场击穿型真空触发开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多极柱场击穿型真空触发开关，其上电极和下电极均包括电极底柱、电极平台和多个柱状电极，上、下电极的柱状电极相向延伸且相互交错排列，每两相邻的柱状电极之间的间隙宽度相等，且与柱状电极顶部到相对的电极平台的间隙宽度相等；所述下电极的电极平台上设有凹口和触发极，触发极包括轴截面呈T型的触发针和触发绝缘套环，触发绝缘套环为凸台结构且嵌设在凹口中，触发针包括触发针头部和触发针杆，触发针杆一端与触发针头部相连、另一端穿过触发绝缘套环和电极平台，触发针头部的上表面低于下电极的电极平台的上表面、边角与下电极的电极平台之间存在间隙。该多极柱场击穿型真空触发开关在大电流下工作寿命长且通流能力强。

Description

一种多极柱场击穿型真空触发开关

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其涉及一种多极柱场击穿型真空触发开关。

背景技术

开关元件是脉冲功率系统的核心元件之一，也是主要的技术瓶颈，大功率开关设备要求能工作在高电压、大电流下，并且要求速度快、可靠性高、寿命长。真空触发开关是一种可以同时满足上述要求的开关形式，在高功率脉冲方面，如大功率激光器、大功率微波电源、电磁发射技术等领域得到了广泛应用。

传统的真空触发开关的主电极结构一般是平板式，触发极与一个主电极相连接。给开关施加触发脉冲后，触发放电产生的初始等离子体扩散进入主间隙，在阳极和阴极所加主电压的作用下，建立起的金属蒸气电弧，使主间隙导通。当导通电流增大，真空电弧的能量增加，电极表面热载也随之增加，导致加大电极烧蚀，通流能力受到限制。另外，电弧熄灭后，真空电弧产生的金属蒸气沉积在触发极绝缘介质表面，大大影响了触发极的寿命。

因此，亟待提供一种改进的多极柱场击穿型真空触发开关以克服上述缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种多极柱场击穿型真空触发开关，其燃弧面积大，导通电荷承载库仑量高，开关内部电磁环境抑制电弧收缩，电极烧蚀轻，金属蒸汽沉积少，大电流下工作寿命长，触发电压稳定，通流能力强。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多极柱场击穿型真空触发开关，包括密闭壳体和设于所述密闭壳体内壁的屏蔽罩，所述密闭壳体两端分别设有上电极和下电极，所述上电极和下电极均包括固定在所述密闭壳体上的电极底柱、固定在所述电极底柱上的电极平台和设于所述电极平台上的多个柱状电极，所述上电极的柱状电极和下电极的柱状电极相向延伸且相互交错排列，每两相邻的柱状电极之间的间隙宽度相等，且与柱状电极顶部到相对的电极平台的间隙宽度相等；所述下电极的电极平台上还设有凹口和触发极，所述触发极包括轴截面呈T型的触发针和触发绝缘套环，所述触发绝缘套环为凸台结构且嵌设在所述凹口中，所述触发针包括触发针头部和触发针杆，所述触发针杆一端与所述触发针头部相连、另一端穿过所述触发绝缘套环和所述电极平台，所述触发针头部的下表面与所述凸台结构的顶端连接，所述触发针头部的上表面低于所述下电极的电极平台的上表面，所述触发针头部的边角与所述下电极的电极平台之间存在间隙。

与现有技术相比，本发明的多极柱场击穿型真空触发开关具有以下优点：

一、采用多极柱几何结构，当真空触发开关导通时，柱状电极间的放电电弧受轴向开关电流产生的磁场的影响，电弧被抑制收缩，减小了主电极，即上、下电极的烧蚀。由于上、下电极上的柱状电极交叉分布，使得电弧向外分布，也就是说，该结构可以使触发极远离放电电弧区域，不易受电弧烧蚀。另外，本发明的多极柱场击穿型真空触发开关在大电流条件下电弧可保持扩散形态，具有很强的通流能力；并且由于采用多极柱几何结构增大了上、下电极的表面积，从而可以增加燃弧面积，提高通载的电荷量，单次电荷转移量可达30库仑以上。

二、场击穿型触发避免了沿面型真空触发开关带来的金属蒸汽沉积问题，触发电压稳定，触发极烧蚀明显减小，触发极使用寿命长。

三、触发针采用T型结构，避免了普通的针型结构引起的触发针尾部提前放电现象。

四、触发针头部利用安装在电极平台中央的触发绝缘套环使其固定，使触发针头部不会因为多次放电实验后左右移动，稳定触发电压。

五、真空触发开关还设有屏蔽罩，用以保护主电极间的绝缘，防止燃弧时金属蒸气的沉积。

优选地，所述下电极的电极平台的凹口侧壁上设有钨层，以加强下电极发射电子的能力。

较佳地，所述钨层上端设有倒角。进一步地，所述倒角为135°。该倒角结构比一般的直角触发孔更有利于产生的初始等离子体向主间隙中扩散，不会反向进入触发孔内部。

较佳地，所述的触发针头部的边角与所述钨层之间的间隙宽度为0.1～0.3mm。

优选地，所述触发针头部的上表面比所述下电极的电极平台的上表面低0.2～0.5mm。

优选地，相邻的两个柱状电极之间的间隙为10～15mm，以保证主间隙的绝缘性能，使真空触发开关能在主电极两端施加40kV的直流电压时仍然保持良好的绝缘性能，又尽量减小电极间距，延长电极的使用寿命。

优选地，所述触发绝缘套环为瓷环。进一步地，所述瓷环的材料包括87％Al、9％Si、2％Mn、2％Cl。

优选地，所述触发针由钼制成，其熔点高，易于发射电子，同时具有比钨更好的刚性。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明多极柱场击穿型真空触发开关的一个实施例的结构示意图。

图2为图1所示多极柱场击穿型真空触发开关沿A-A线的剖视图。

图3为图1所示多极柱场击穿型真空触发开关的下电极和触发极的放大结构示意图。

图4为图3所示触发极的触发针的结构示意图。

图5为图3所示触发极的绝缘触发套环的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种多极柱场击穿型真空触发开关燃弧面积大，导通电荷承载库仑量高，开关内部电磁环境抑制电弧收缩，电极烧蚀轻，金属蒸汽沉积少，大电流下工作寿命长，触发电压稳定，通流能力强。

下面将结合附图详细阐述本发明实施例的技术方案。如图1所示，本实施例的多极柱场击穿型真空触发开关包括密闭壳体和设于所述密闭壳体内壁的屏蔽罩7，所述密闭壳体两端分别设有上电极1和下电极2。所述屏蔽罩7用于保护上电极1和下电极2间的绝缘，防止燃弧时金属蒸汽沉积在绝缘外壳11上。另外，屏蔽罩7还兼有改善内电场分布和冷凝弧后剩余等离子体的作用。具体地，所述密闭壳体由绝缘外壳11、及设置在绝缘外壳两端的上端法兰12和下端法兰13构成，所述上电极1和下电极2分别通过所述上端法兰12和下端法兰13固定在所述密闭壳体上，所述密闭壳体内的压力为10^-4～10^-5Pa。所述绝缘外壳11的材料可以是电真空陶瓷，所述上电极1和下电极2可以采用无氧铜。所述上端法兰12和下端法兰13上分别设有吸气环8、8’，用来吸收电弧燃弧过程中产生的气体，维持密闭壳体内的真空度。

在本实施例中，结合图2，所述下电极2包括电极底柱2D、电极平台2E和设于所述电极平台2E上的三个柱状电极2A、2B、2C。所述电极底柱2D为圆柱形，固定在所述下端法兰13上。所述电极平台2E为倒圆台形，固定在所述电极底柱2D上。三个柱状电极2A、2B、2C竖立在所述电极平台2E上，且周向等弧距分布，其横截面是近似梯形。所述上电极1同样也包括电极底柱1D、电极平台1E和设于所述电极平台1E上的三个柱状电极1A、1B、1C，其结构与下电极2相同。装配时，所述上电极1的三个柱状电极1A、1B、1C和所述下电极2的三个柱状电极2A、2B、2C相向延伸且相互交错排列。每两相邻的柱状电极之间的间隙宽度相等，且与柱状电极顶部到相对的电极平台的间隙宽度相等，相邻柱状电极之间的间隙和柱状电极顶部到相对电极平台之间的间隙构成主放电间隙6。所述主放电间隙6的距离优选为10～15mm，这样可以延长电极的使用寿命。

如图3所示，所述下电极2的电极平台2E上还设有触发极，所述触发极包括触发针3和触发绝缘套环4。如图4所示，所述触发针3的轴截面呈T型，所述触发针3包括触发针头部31和触发针杆32，所述触发针杆32一端与所述触发针头部31相连、另一端为引出端。所述触发针3优选采用钼制成，其刚性较好、具有高熔点、且易于电子发射。如图5所示，所述触发绝缘套环4为凸台结构，其中开设有供所述触发针杆32穿过的圆孔41。所述触发绝缘套环4最好为高绝缘性能的瓷环，其成分优选包括87％Al、9％Si、％2Mn、2％Cl。

再次参见图3，所述电极平台2E中部开有空腔10，所述空腔10上端为一凹口，所述触发绝缘套环4嵌设在该凹口中，所述触发针杆32穿过所述触发绝缘套环4的圆孔41和所述电极平台2E的空腔10，所述圆孔41的孔壁与触发针杆32紧密配合在一起。触发针3的引出端通过金属套管14固定，金属套管14固定在陶瓷绝缘管9上，陶瓷套管9与下电极2的电极底柱2D稳固连接。所述触发针头部31的下表面与所述凸台结构的顶端连接，所述触发针头部31的上表面低于所述下电极2的电极平台2E的上表面，所述触发针头部31的边角31a与所述下电极2的电极平台2E之间存在间隙。所述触发针头部的上表面最好比所述下电极的电极平台的上表面低0.2～0.5mm，也就是说，所述触发针头部的上表面与所述下电极的电极平台的上表面之间的垂直距离最好为0.2～0.5mm。下电极2的电极平台2E中部的空腔10的上端由“T”型触发针3、触发绝缘套环4密闭，下端由陶瓷套管9和金属套管14密封，形成密封空间，使下电极2和“T”型触发针3之间更好的绝缘。

作为本发明的优选实施例，本实施例的电极平台2E的凹口侧壁上设有钨层5，用以加强电子发射。所述钨层5也可以是氧化钴层。进一步地，所述钨层5上端，即靠近触发针3的部分设有倒角5a，所述倒角5a优选为135°，所述触发针头部31的边角31a与所述钨层5上端之间的间隙宽度优选为0.1～0.3mm。

需要说明的是，所述触发绝缘套环4不仅限于前述瓷环，也可以采用氧化铝陶瓷，只要可以耐高温、高绝缘性能、容易加工、易于和触发针杆封结的材料均可采用；所述触发针3也可以由钨、铜铬合金等耐高温、抗烧蚀、热膨胀系数小的金属或合金制成。

Claims (10)

1.一种多极柱场击穿型真空触发开关，包括密闭壳体和设于所述密闭壳体内壁的屏蔽罩，所述密闭壳体两端分别设有上电极和下电极，其特征在于：

所述上电极和下电极均包括固定在所述密闭壳体上的电极底柱、固定在所述电极底柱上的电极平台和设于所述电极平台上的多个柱状电极，所述上电极的柱状电极和下电极的柱状电极相向延伸且相互交错排列，每两相邻的柱状电极之间的间隙宽度相等，且与柱状电极顶部到相对的电极平台的间隙宽度相等；

所述下电极的电极平台上还设有凹口和触发极，所述触发极包括轴截面呈T型的触发针和触发绝缘套环，所述触发绝缘套环为凸台结构且嵌设在所述凹口中，所述触发针包括触发针头部和触发针杆，所述触发针杆一端与所述触发针头部相连、另一端穿过所述触发绝缘套环和所述电极平台，所述触发针头部的下表面与所述凸台结构的顶端连接，所述触发针头部的上表面低于所述下电极的电极平台的上表面，所述触发针头部的边角与所述下电极的电极平台之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的多极柱场击穿型真空触发开关，其特征在于：所述下电极的电极平台的凹口侧壁上设有钨层。

3.根据权利要求2所述的多极柱场击穿型真空触发开关，其特征在于：所述钨层上端设有倒角。

4.根据权利要求3所述的多极柱场击穿型真空触发开关，其特征在于：所述倒角为135°。

5.根据权利要求2所述的多极柱场击穿型真空触发开关，其特征在于：所述的触发针头部的边角与所述钨层之间的间隙宽度为0.1～0.3mm。

6.根据权利要求1所述的多极柱场击穿型真空触发开关，其特征在于：所述触发针头部的上表面比所述下电极的电极平台的上表面低0.2～0.5mm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的多极柱场击穿型真空触发开关，其特征在于：相邻的两个柱状电极之间的间隙为10～15mm。

8.根据权利要求1-6所述的多极柱场击穿型真空触发开关，其特征在于：所述触发绝缘套环为瓷环。

9.根据权利要求8所述的多极柱场击穿型真空触发开关，其特征在于：所述瓷环的材料包括87％Al、9％Si、2％Mn、2％Cl。

10.根据权利要求1-6任一项所述的多极柱场击穿型真空触发开关，其特征在于：所述触发针由钼制成。

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