CN102509687B - 带有栅极辅助屏的等离子体交叉场调制开关管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有栅极辅助屏的PCMS管，属于电子技术应用领域，它以阳极1为对称轴，阳极1形状为圆柱形；最外侧为阴极3，形状为圆柱面；阳极到阴极之间分别为控制栅极7和源栅极5，两个栅极形状均为圆柱面，其上有大量孔洞；环形永磁铁2固定在阴极3外侧；四个弧形的栅极辅助屏6以对称位置设置在控制栅极7与源栅极5之间。四个栅极辅助屏6之间留有间隙。在工作过程中栅极辅助屏对大量的高能电子实现了物理阻挡作用，同时用控制栅极共同完成控制作用，以保证器件的顺利工作。
Description
技术领域
本发明是对等离子体交叉场调制开关（Plasma discharge CROSSATRON modulatorswitches，以下简称PCMS管）结构的创新与改善，是一种改善了栅极功能的PCMS管，使PCMS管能够正常高效的完成对于脉冲大电流的通断控制，属于电子技术应用领域。
背景技术
等离子体交叉场调制开关（Plasma discharge CROSSATRON modulator switches,简称PCMS管）是一种新型的冷阴极等离子体脉冲功率放电器件。其工作原理是基于气体放电物理学理论，并将磁场和电场与气体放电有机地结合起来产生等离子体，进而实现对脉冲电流的通断控制。PCMS管综合了闸流管、真空电子管以及某些固态器件的优点，其工作特性类似于闸流管，能通导大的脉冲电流，但克服了闸流管只能“开”，不能“关”的缺点；同时它又像真空电子管具有栅极控制能力，可将通导电流快速切断；它具有极强的过载能力，不像半导体器件那样过载后容易烧毁。PCMS管作为脉冲功率开关，在导通状态它能通过高峰值脉冲电流（峰值电流可达上万安培）；在关断状态它有极高的绝缘能力，耐压可达100kV。作为冷阴极器件的PCMS管，没有给阴极加热的热丝或容易烧毁和中毒的氧化物阴极，正向压降较低（约500V），使用寿命相当于闸流管的2-10倍，能够直接替换闸流管和大功率真空管。基于上述特性，PCMS管具有广泛的应用领域，主要可以作为像磁控管、速调管、行波管（TWTS）、等离子体负载和用于激光放电高峰值电流开关的调制器。
PCMS管是一种氢等离子体开关器件。它具有4个同轴电极，管内充有氢气。其工作过程可以简述为：通过非加热的方法,获得原发电子；器件导通之前，在源栅极上加一个触发电压，在阴极-源栅极间的区域产生一个高密度等离子体区，完成预电离，进入预工作状态；控制栅极的导通触发信号到来，控制栅极允许等离子体扩散到阳极间隙，此时开关导通。
现有的PCMS管可以实现电流的通导，但触发脉冲结束时，器件无法回到预工作状态，也就是控制栅极未能完全实现控制作用。
发明内容
针对现有的PCMS管在触发脉冲结束时，器件无法回到预工作状态的问题，本发明提出了一种带有栅极辅助屏的PCMS管。
PCMS管为轴对称结构，阳极1为对称轴，其形状为圆柱形；最外侧为阴极3，形状为圆柱面；阳极到阴极之间分别为控制栅极7和源栅极5，两个栅极形状均为圆柱面，其上有大量孔洞；两个永久磁钢环2同轴贴合固定在阴极3的外侧，位于器件轴向中间位置；四个弧形的栅极辅助屏6以对称位置设置在控制栅极7与源栅极5之间，四个栅极辅助屏6之间留有间隙。
栅极辅助屏6通过连接杆8固定在绝缘基座4上；上述所有电极和栅极辅助屏为同轴放置，并通过上下的两个绝缘基座4封装固定。
氢存储器9位于底部绝缘基座4上。
本发明可以取得如下有益效果：
在现有的PCMS管中，依靠控制栅极的负电场很难阻止大量的高能电子通过控制栅极，大量的电子一旦通过控制栅极，在阳极-控制栅极间电场的作用下快速向阳极运动，造成无法回到预工作状态。本发明中四个弧形的栅极辅助屏与控制栅极是等电位的，位于控制栅极与源栅极之间。在触发脉冲结束时，栅极辅助屏的这种设计对大量的高能电子实现了物理阻挡作用，同时用控制栅极共同完成控制作用，以保证器件的顺利工作。经过测试实验，栅极辅助屏的实际工作效果良好，解决了现有PCMS管中存在的问题，实现了通导2.5千安培电流，耐压10千伏。
附图说明
图1：PCMS轴向剖面管电极结构示意图；
图2：PCMS径向剖面管电极结构示意图；
图中：1.阳极；2.永久磁钢环；3.阴极；4.绝缘基座；5.源栅极；6.栅极辅助屏；7.控制栅极；8.连接杆；9、氢存储器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，PCMS管为轴对称结构，对称轴是阳极1，其形状为圆柱形；最外侧为阴极3，形状为圆柱面；阳极到阴极之间分别为控制栅极7和源栅极5，两个栅极形状均为圆柱面，其上有大量孔洞；永久磁钢环2固定在阴极3外侧；四个弧形的栅极辅助屏6以对称位置设置在控制栅极7与源栅极5之间；四个栅极辅助屏6之间留有间隙。
栅极辅助屏6通过连接杆8固定在绝缘基座4上；上述所有电极结构和栅极辅助屏为同轴放置，并通过上下的两个绝缘基座4封装固定。
在本实施例中电极材料为：阴极——不锈钢内开槽嵌上钼电极；栅网——钼；阳极——散热部分为铜，导电部分为钼；电极透明度为50%。
在本实施例中绝缘基座4所有需要电绝缘的地方都选取的是瓷环封接，材料为氧化铝陶瓷。
PCMS管的管内压强为100～133Pa（≤1torr），由氢存储器的加热电压控制。
氢存储器内放置的材料为氢化钛，在低温状态下为氢化钛粉末，当温度上升时，氢气逐渐释放出来，变为纯钛。
永久磁钢环2的材料为钐钴，两环接触吸合位置表面的磁感应强度为0.06T。
整个PCMS管的尺寸为高度42mm，阳极1半径为14mm、控制栅极7的内外半径分别为18.3、18.7mm，源栅极5内外半径分别为22、22.75mm，阴极3钼部分内外半径分别为31、34mm，阴极3不锈钢部分内外半径为34、35.5mm，永久磁钢环2内半径36mm。
Claims (1)
1.带有栅极辅助屏的等离子体交叉场调制开关管，其特征在于：等离子体交叉场调制开关管为轴对称结构，阳极（1）为对称轴，其形状为圆柱形；最外侧为阴极（3），形状为圆柱面；阳极（1）到阴极（3）之间依次为控制栅极（7）和源栅极（5），两个栅极形状均为圆柱面，其上有大量孔洞；两个永久磁钢环（2）同轴贴合固定在阴极（3）的外侧，位于器件轴向中间位置；四个弧形的栅极辅助屏（6）以对称位置设置在控制栅极（7）与源栅极（5）之间；四个栅极辅助屏（6）之间留有间隙；栅极辅助屏（6）通过连接杆（8）固定在绝缘基座（4）上；上述所有电极结构和栅极辅助屏为同轴设置，并通过上下的两个绝缘基座（4）封装固定；氢存储器（9）位于底部绝缘基座（4）上。
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Citations (2)
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| US5608297A (en) * | 1994-12-27 | 1997-03-04 | Hughes Electronics | Plasma switch and switching method with fault current interruption |
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Non-Patent Citations (2)
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| 王刚等.等离子体交叉场调制开关的相关磁场模拟.《真空Vacuum》.2011,第48卷(第4期),56－60. |
| 等离子体交叉场调制开关的相关磁场模拟;王刚等;《真空Vacuum》;20110731;第48卷(第4期);56－60 * |
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