CN104953470A - 一种用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关，包括：设置在气体腔室的一侧的同轴电缆，设置在气体腔室内的高压火花放电电极和接地火花放电电极，高压火花放电电极与同轴电缆相连，接地火花放电电极与地极相连；电子气压控制器，用于通过控制气体腔室内的气压，控制高压火花放电电极和接地火花放电电极之间火花放电的发生与熄灭。该开关整体为同轴结构，具有和脉冲成形网络匹配的特征阻抗，电极间距可调，开关耦合电容小，火花电感和火花电阻小，生成的纳秒脉冲上升沿快，形状接近理想矩形脉冲，火花放电的产生由气压控制器控制，重复频率高并且频率可控，可调节的击穿电压范围广。

Description

一种用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关

技术领域

本发明涉及高电压气体火花隙开关制造领域，具体涉及一种用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关。

背景技术

气体火花隙开关是脉冲功率装置的核心部件，其应用环境与领域主要依发生器的使用而变化，在工业除尘、水质净化、医学等领域起着至关重要的作用。其性能直接影响到脉冲发生器输出脉冲的性能指标。目前，纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关的触发方式主要有三种，一种是在触发电极施加快前沿的电压脉冲，使得在触发间隙产生较高的过压倍数，一种是采用紫外线照射，还有一种是采用激光照射。

上述方式在考虑成本及综合性能的前提下，火花放电触发的控制需要额外器件与电路，增加了不稳定性且重复性难以很好控制，所生成的(纳秒)脉冲上升沿不够快，脉冲顶部不够平坦，对击穿电压范围的控制不够理想，在某些场合的应用造成了很大不便。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关，解决了火花放电触发的复杂性以及重复性差、脉冲上升沿不够快、脉冲顶部不平坦以及击穿电压调节范围的问题。

第一方面，本发明提供了一种用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关，包括：气体腔室(13)、同轴电缆(2)、电子气压控制器(3)、连接所述电子气压控制器(3)和所述气体腔室(13)的充气接口(5)、高压火花放电电极(12)和接地火花放电电极(11)；

所述同轴电缆(2)设置在所述气体腔室(13)的一侧，所述高压火花放电电极(12)和接地火花放电电极(11)设置在所述气体腔室(13)内，所述高压火花放电电极(12)与所述同轴电缆(2)相连，所述接地火花放电电极(11)与地极相连；

所述电子气压控制器(3)，用于通过控制所述气体腔室(13)内的气压，控制所述高压火花放电电极(12)和接地火花放电电极(11)之间火花放电的发生与熄灭。

可选的，所述气体火花隙开关还包括：开关外壳(1)，所述开关外壳(1)包括：接地端(141)、同轴电缆端(142)和绝缘筒(143)。

可选的，所述气体腔室(13)位于所述接地端(141)内、所述绝缘筒(143)内、或所述接地端(141)和所述绝缘筒(143)之间；

所述接地火花放电电极一端固定于所述接地端(141)，并通过所述接地端接地，另一端位于气体腔室内与高压火花放电电极相对；所述高压火花放电电极一端与所述同轴电缆端(142)相连，另一端位于气体腔室内与接地火花放电电极相对。

可选的，所述接地火花放电电极与所述高压火花放电电极之间的距离为0.1毫米到20毫米。

可选的，所述接地火花放电电极和所述高压火花放电电极的形状为球体状、半球状、平板状、圆柱状或针状。

可选的，所述接地火花放电电极和所述高压火花放电电极的形状为球体状，所述球体状的直径为1毫米到100毫米。

可选的，所述接地端与所述接地火花放电电极相连，为金属材料。

可选的，所述同轴电缆由内向外依次包括：内导体(21)、介质绝缘层(22)和外导体(23)；

所述同轴电缆端(142)与所述外导体(23)相连；所述介质绝缘层(22)与内导体(21)通过所述同轴电缆端的中心孔与所述高压火花放电电极(12)相连，所述同轴电缆介质绝缘层(22)的直径与所述同轴电缆端(142)的中心孔直径相同，实现所述同轴电缆在连接高压火花放电电极前的阻抗匹配。

可选的，所述绝缘筒(143)位于所述接地端(141)和所述同轴电缆端(142)之间，为耐高压绝缘材料。

可选的，所述绝缘筒(143)、接地端(141)和所述同轴电缆端(142)之间通过导电固定件(4)或导电胶固定连接。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关，该开关整体为同轴结构，具有和脉冲成形网络匹配的特征阻抗，电极间距可调，开关耦合电容小，火花电感和火花电阻小，生成的纳秒脉冲上升沿快，顶部平坦，形状接近理想矩形脉冲，火花放电的产生由电子气压控制器控制，重复性好并且频率可控，可调节的击穿电压范围广。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关的外部结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关的剖面图；

图3为本发明一实施例提供的火花放电的脉冲图；

图4为本发明另一实施例提供的用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关的外部结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了一种气体火花隙开关的外部结构示意图，图2为其剖面图，如图2所示，气体腔室13、同轴电缆2、电子气压控制器3、连接所述电子气压控制器3和所述气体腔室13的充气接口5、高压火花放电电极12和接地火花放电电极11；其中，同轴电缆由内向外依次包括：内导体21、介质绝缘层22和外导体23，所述同轴电缆2设置在所述气体腔室13的一侧，所述高压火花放电电极12和接地火花放电电极11设置在所述气体腔室13内，所述高压火花放电电极12与所述同轴电缆的内导体21相连，所述接地火花放电电极11与地极相连，通过地极接地；

具体的，所述接地火花放电电极11与所述高压火花放电电极12之间的距离为0.1毫米到20毫米。

所述电子气压控制器3，用于通过控制所述气体腔室13内的气压，控制所述高压火花放电电极12和接地火花放电电极11之间火花放电的发生与熄灭。

如图1所示，所述气体火花隙开关还包括：开关外壳1，所述开关外壳1包括：接地端141、同轴电缆端142和绝缘筒143。该接地端141、同轴电缆端142和绝缘筒143可以通过导电胶粘接的方式固定连接，也可以通过导电固定件进行连接，本实施例仅用于举例说明，本实施例不限定其具体的固定连接方式。

举例来说，所述气体腔室13位于所述接地端141内、所述绝缘筒143内、或所述接地端141和所述绝缘筒143之间。

具体的，所述气体腔室13位于所述绝缘筒143内；

所述接地火花放电电极一端固定于所述接地端141，并通过所述接地端接地，另一端位于气体腔室内与高压火花放电电极相对；所述高压火花放电电极一端与所述同轴电缆端142相连，另一端位于气体腔室内与接地火花放电电极相对。

所述电子气压控制器与开关外壳1所述充气接口相连，电子气压控制器可以与高压气瓶或中央供气装置连接提供装置所需的高压气体；

在具体应用中，电子气压控制器通过对开关外壳中气体腔室的气压调节实现控制，当气压降低时，两电极间火花放电，而气压升高时，两电极间无法放电，从而实现对开关通断的控制。

上述气体火花隙开关，在上述结构的条件下，使得生成的脉冲上升更快，同时具有电压范围广、寿命长的特点，气体的绝缘性能恢复较快，耦合电容小。

通过控制气体腔室内的绝对气压与两火花电极之间的间距，可以实现较大范围的输出电压控制，以及对生成脉冲的波形进行调整。

在具体应用中，所述接地火花放电电极11和所述高压火花放电电极12的形状为球体状、半球状、平板状或针状。本发明实施例以所述接地火花放电电极和所述高压火花放电电极的形状为球体状，所述球体状的直径为1毫米到100毫米。接地火花放电电极和高压火花放电电极的形状可以为同种形状或不同形状，本发明实施例仅用于举例说明，但不限定接地火花放电电极和高压火花放电电极的具体形状。

所述接地火花放电电极11和所述高压火花放电电极12的材料可以为铜、不锈钢、金、铂、石墨、纳米材料的电极，优选为金，更优选为纳米材料的电极；

在本发明实施例中，通过合理控制同轴电缆2的尺寸，能够使得本发明实施例中的开关阻抗与脉冲成型网络的阻抗匹配，从而使得脉冲的上升沿较快。

本发明的特点在于所述开关阻抗可以与脉冲成型网络阻抗匹配，生成的脉冲上升沿快，同时具有控击穿电压范围广，寿命长，气体绝缘性能恢复快，耦合电容小等优点。

$\mathrm{\ρ}=\frac{Z_R-Z_0}{Z_R+Z_0}$

式中，ρ为端口反射系数，ZR为负载阻抗，Z0为输入阻抗。

当开关阻抗与所连传输线阻抗不匹配时，脉冲会在开关接口处反弹，影响脉冲波形。

在一个优选实施例中，同轴电缆的内径1到9.4毫米，外径为2到25毫米，更优选的内径为9.4毫米，外径为13.8毫米，涵盖了RG58型、RG213型与RG217型及其他类似尺寸的同轴电缆。在该尺寸下，生成的脉冲上升沿快，同时具有击穿电压范围广、寿命长的特点，气体的绝缘性能恢复也较快，耦合电容也较小。例如图3所示为100纳秒脉冲，上升沿2纳秒，最高电压40千伏。

接地电极和高压电极之间具有气体腔室13，其中具有气体，在一个优选实施例中，所充气体为SF6或N2。气体通过充气接口5充入或放出气体腔室13，充气接口5的尺寸为2到6毫米。

在气体腔室13中，使接地火花放电电极11和高压火花放电电极12保持适当的距离，从而控制击穿电压，该距离优选为0.1到20毫米。

为了精确控制气体火花隙开关的击穿电压，在本发明的另一优选实施例中，通过气体腔室13中的气压达到这一目的，在本发明的优选实施例中，气体腔室13中的气压为1到10个标准大气压，该气压由电子气压控制器进行控制。

根据帕邢定律，击穿电压E_bd与气压p和电极距离d的关系为：

$E_{\mathrm{bd}}=\frac{\mathrm{apd}}{\ln \left(\mathrm{pd}\right)+b}$

其中a，b为常数。

通过调节气体腔室13的气压高低，可以达到控制击穿电压的目的。

本发明所述开关可使击穿电压达到20至40kV。

在另一个可实现的方式中，如图4所示为另一个气体火花隙开关的外部结构示意图。

具体的，所述气体腔室13位于所述接地端143内；

所述接地火花放电电极一端固定于所述接地端141，并通过所述接地端接地，另一端位于气体腔室内与高压火花放电电极相对；所述高压火花放电电极一端与所述同轴电缆端142相连，另一端位于气体腔室内与接地火花放电电极相对。

在具体应用中，如图5所示，该结构中的气体腔室位于接地端内，所述接地端与所述接地火花放电电极相连，为金属材料。

举例来说，该金属材料可以为黄铜、铝、不锈钢等。

所述同轴电缆由内向外依次包括内导体21、截止绝缘层22和外导体23；

所述同轴电缆端142与所述外导体23相连，为导电金属材料；所述介质绝缘层22与内导体21通过所述同轴电缆端的中心孔与所述高压火花放电电极12相连，所述同轴电缆介质绝缘层22的直径与所述同轴电缆端142的中心孔直径相同，实现所述同轴电缆在连接高压火花放电电极前的阻抗匹配。

举例来说，同轴电缆端142的导电金属材料可以为黄铜、铝、不锈钢等。

上述绝缘筒143位于接地端141和所述同轴电缆端142之间，为耐高压绝缘材料。

举例来说，上述耐高压绝缘材料为聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等绝缘材料。

前述绝缘筒143、接地端141和所述同轴电缆端142之间通过导电固定件4固定连接。具体固定连接方式可以为通过螺栓固定连接，也可以采用如图2所示的粘接方式，本发明不限于此连接方式，仅用作举例说明。

该气体火花隙开关高压火花放电电极与接地电极间距小，在高压火花放电电极最接近接地电极的部分产生火花放电，开关阻抗与同轴电缆匹配，火花隙开关位于同轴电缆的末端，因此仅需要一个接入脉冲成形网络的端口，方便拆卸替换并且对脉冲成形网络影响小。

本实施例中的接地电极、高压电极、接地端等材料和位置要求等均与上述实施例相同，本实施例不进行详细说明。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种用于纳秒脉冲发生器的气体火花隙开关，其特征在于，包括：气体腔室(13)、同轴电缆(2)、电子气压控制器(3)、连接所述电子气压控制器(3)和所述气体腔室(13)的充气接口(5)、高压火花放电电极(12)和接地火花放电电极(11)；

所述同轴电缆(2)设置在所述气体腔室(13)的一侧，所述高压火花放电电极(12)和接地火花放电电极(11)设置在所述气体腔室(13)内，所述高压火花放电电极(12)与所述同轴电缆(2)相连，所述接地火花放电电极(11)与地极相连；

所述电子气压控制器(3)，用于通过控制所述气体腔室(13)内的气压，控制所述高压火花放电电极(12)和接地火花放电电极(11)之间火花放电的发生与熄灭。

2.根据权利要求1所述的气体火花隙开关，其特征在于，所述气体火花隙开关还包括：开关外壳(1)，所述开关外壳(1)包括：接地端(141)、同轴电缆端(142)和绝缘筒(143)。

3.根据权利要求2所述的气体火花隙开关，其特征在于，所述气体腔室(13)位于所述接地端(141)内、所述绝缘筒(143)内、或所述接地端(141)和所述绝缘筒(143)之间；

所述接地火花放电电极一端固定于所述接地端(141)，并通过所述接地端接地，另一端位于气体腔室内与高压火花放电电极相对；所述高压火花放电电极一端与所述同轴电缆端(142)相连，另一端位于气体腔室内与接地火花放电电极相对。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的气体火花隙开关，其特征在于，所述接地火花放电电极与所述高压火花放电电极之间的距离为0.1毫米到20毫米。

5.根据权利要求4所述的气体火花隙开关，其特征在于，所述接地火花放电电极和所述高压火花放电电极的形状为球体状、半球状、平板状、圆柱状或针状。

6.根据权利要求5所述的气体火花隙开关，其特征在于，所述接地火花放电电极和所述高压火花放电电极的形状为球体状，所述球体状的直径为1毫米到100毫米。

7.根据权利要求6所述的气体火花隙开关，其特征在于，所述接地端与所述接地火花放电电极相连，为金属材料。

8.根据权利要求7所述的气体火花隙开关，其特征在于，所述同轴电缆由内向外依次包括：内导体(21)、介质绝缘层(22)和外导体(23)；

所述同轴电缆端(142)与所述外导体(23)相连；所述介质绝缘层(22)与内导体(21)通过所述同轴电缆端的中心孔与所述高压火花放电电极(12)相连，所述同轴电缆介质绝缘层(22)的直径与所述同轴电缆端(142)的中心孔直径相同，实现所述同轴电缆在连接高压火花放电电极前的阻抗匹配。

9.根据权利要求8所述的气体火花隙开关，其特征在于，所述绝缘筒(143)位于所述接地端(141)和所述同轴电缆端(142)之间，为耐高压绝缘材料。

10.根据权利要求9所述的气体火花隙开关，其特征在于，所述绝缘筒(143)、接地端(141)和所述同轴电缆端(142)之间通过导电固定件(4)或导电胶固定连接。