CN106571801B - 一种火花隙与光电导组合开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种火花隙与光电导组合开关，包括火花隙开关和进行绝缘封装的光电导开关，火花隙开关包括两个火花隙开关电极，两个火花隙开关电极位于反光杯内，一个火花隙开关电极上连接有恒流源和脉冲电容器，恒流源与脉冲电容器连接，另一个火花隙开关电极上连接有第一负载和电阻分压器；光电导开关包括底板，底板上有两个光电导开关电极，一个光电导开关电极上连接有电源和电容，另一个光电导开关电极上依次连接有的同轴传输线、衰减器和第二示波器。一种火花隙与光电导组合开关，提出并实现用火花放电辐射光脉冲作为触发光源，替代传统的脉冲激光器。使触发光源不再使用高成本的激光设备，降低了光电导开关的实用成本和难度。

Description

一种火花隙与光电导组合开关
技术领域
本发明属于电气工程设备技术领域，涉及一种火花隙与光电导组合开关。
背景技术
光电导开关是一种使用光电半导体介质电阻率的变化来实现关断和导通的开关技术，激光对半导体材料的作用是改变材料的电阻率。目前已经逐渐成为工作在超强超快激光科学研究领域和脉冲功率领域重要的开关器件。光电导开关具有无触发晃动，开关速度快，寄生电容、电感小，高重复频率，结构简单的特点，特别在耐高压、承担大功率容量方面有优越的性能。光电导开关有两种工作模式：线性模式和非线性模式。对于线性模式的光电导开关，由于激光器体积较大，不利于实现整个开关的紧凑型设计，这对开关的应用产生了很大的阻碍。1987年,圣地亚国家实验室(SNL)的G.M.Loubriel等人观察到砷化镓(GaAs)光电导开关中存在非线性工作模式。当GaAs光电导开关工作于非线性模式下，开关内部存在载流子的雪崩倍增效应，可以用弱光触发产生超快高电压强电流电脉冲，所以可以用半导体脉冲激光器作为光电导开关的触发光源。迄今为止，非线性模式下光电导开关的最大电压达到了百kV量级，最大开关电流达到了数kA。在触发光脉冲方面，目前使用过脉冲激光器的波长分别有：532nm、780nm、876nm、900nm、1064nm。截至目前，光电导开关的触发光源都是脉冲激光器。激光设备体积普遍偏大，不利于紧凑设计，不利于设备小型化，而且能够达到使用要求的激光设备成本偏高，对于光电导开关的使用前景的拓展形成了不小的阻力。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种火花隙与光电导组合开关，解决了现有的光电导开关的触发方式成本高的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种火花隙与光电导组合开关，包括相对设置的火花隙开关和进行绝缘封装的光电导开关。
火花隙开关包括相对设置的两个火花隙开关电极，两个火花隙开关电极位于倒扣的反光杯内，反光杯的杯口连接有光学玻璃，一个火花隙开关电极上连接有恒流源和脉冲电容器，恒流源与脉冲电容器连接，另一个火花隙开关电极上连接有第一负载和电阻分压器，脉冲电容器和电阻分压器均与第一负载连接，电阻分压器与第一示波器连接；
光电导开关包括底板，底板与光学玻璃相对设置，底板上相对设置有两个光电导开关电极，一个光电导开关电极上连接有电源和电容，电源和电容之间连接有第一电阻，另一个光电导开关电极上依次连接有的同轴传输线、衰减器和第二示波器，第二示波器与电容连接。
本发明的特点还在于，
恒流源接地，电源接地。
光电导开关进行绝缘封装，底板由GaAs半导体材料制成。
光学玻璃为光学石英玻璃。
电源采用0-10000V可调高压电源。
电容由12个0.01μF的小电容串联而成。
衰减器的功率衰减量为60dB。
恒流源和脉冲电容器之间连接有第二负载和第三负载。
电阻分压器包括相互连接的第四负载和第五负载，第一示波器连接在第四负载和第五负载之间，第一负载为第二电阻，第二负载为二极管，第三负载为限流电阻，第四负载为第三电阻，第五负载为第四电阻。
反光杯的截面为抛物线形，两个火花隙开关电极之间的间隙与截面为抛物线形反光杯的焦点相对。
本发明的有益效果是：一种火花隙与光电导组合开关，提出并实现用火花放电辐射光脉冲作为触发光源，替代传统的脉冲激光器。使触发光源不再使用高成本的激光设备，降低了光电导开关的实用成本和难度，使开关更具易用性，同时设备的维护难度比激光设备低很多。反光杯使得光源的利用效率更高，本发明实用性强，有利于光电导开关的实用化。
附图说明
图1是本发明一种火花隙与光电导组合开关的结构示意图；
图2是本发明一种火花隙与光电导组合开关的测试结果图。
图中：1.火花隙开关电极，2.反光杯，3.光学玻璃，4.恒流源，5.脉冲电容器，6.电阻分压器，7.第一负载，8.底板，9.光电导开关电极，10.电源，11.电容，12.第一电阻，13.第一示波器，14.第二示波器，15.衰减器，16.同轴传输线，17.第二负载，18.第三负载，19.第四负载，20.第五负载。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种火花隙与光电导组合开关，如图1所示，包括相对设置的火花隙开关和光电导开关，
火花隙开关包括相对设置的两个火花隙开关电极1，两个火花隙开关电极1的直径均为10mm，两个火花隙开关电极1均为铜电极且截面抛光，两个火花隙开关电极1边沿均加工为半径2mm的圆角，两个火花隙开关电极1之间留有12mm间隙；
两个火花隙开关电极1位于倒扣的反光杯2内，反光杯2为直径为3-5cm的金属(铝或镀银)反光杯，反光杯2的截面为抛物线形，两个火花隙开关电极1之间的间隙与截面为抛物线形反光杯2的焦点相对；
反光杯2的杯口连接有光学玻璃3，一个火花隙开关电极1上连接有恒流源4和脉冲电容器5，恒流源4与脉冲电容器5连接，恒流源4和脉冲电容器5之间连接有第二负载17和第三负载18，恒流源4接地，另一个火花隙开关电极1上连接有第一负载7和电阻分压器6，脉冲电容器5和电阻分压器6均与第一负载7连接，电阻分压器6与第一示波器13连接，电阻分压器6包括相互连接的第四负载19和第五负载20，第一示波器13连接在第四负载19和第五负载20之间；
第一负载7为第二电阻，第二负载17为二极管，第三负载18为限流电阻，第四负载19为第三电阻，第五负载20为第四电阻；
为了提高开关的耐压能力，使用光电导开关，并将光电导开关进行了绝缘封装，将光电导开关固定在屏蔽铁盒内；
光电导开关包括由GaAs半导体材料制成的底板8，底板8与光学石英玻璃3相对设置，底板8与光学玻璃3之间的距离为5mm，光学玻璃3为光学石英玻璃，底板8上相对设置有两个光电导开关电极9，两个光电导开关电极9之间的间隙为14mm，一个光电导开关电极9上连接有电源10和电容11，电源10和电容11之间连接有第一电阻12，另一个光电导开关电极9上依次连接有同轴传输线16、衰减器15和第二示波器14，第二示波器14与电容11连接，电源10接地；
电源10采用0-10000V可调高压电源，第一电阻12为10MΩ，电容11由12个0.01μF的小电容串联而成；
衰减器15的功率衰减量为60dB。
本发明一种火花隙与光电导组合开关的工作原理是：首先打开电源10，电容11开始充电，待电容11充电完毕，然后通过恒流源4对脉冲电容器5充电，直至两个火花隙开关电极1导通，脉冲电容器5对第一负载7放电，通过电阻分压器6测量第一负载7上的电压值，便可测得火花隙开关的自击穿电压，通过第一示波器13记录电压电流波形，便于数据分析；
火花隙开关导通瞬间两个火花隙开关电极1之间发生强烈的火花放电，由此过程产生的辐射光通过反光杯2汇聚，形成近似平行光照射光电导开关(即触发光照射)，反光杯2的抛物线聚光原理来汇聚光源，使光源的利用效率更高，此时电容11已经被充电完毕，光电导开关受到触发光照射，第一电阻12迅速下降火花隙开关导通，通过第二示波器14便可记录电路中的电压电流波形，进而分析触发效果。
采用图1结构进行的实验测试，电容11的电容量为4nF，衰减器15的功率衰减量为60dB，在电源10的偏置电压分别为4.0kV、4.5kV和5.0kV下，火花隙开关的两个火花隙开关电极1放出的电光脉冲触发光电导开关，在第二示波器14上得到输出电脉冲波形，如图2所示，第二示波器14的等效电阻为50Ω，所以在4.0kV、4.5kV和5.0kV的不同偏压下输出的电流峰值为：35.0A、42.8A和50.4A，这一结果比线性工作模式下的峰值电流大了近三个数量级，由此可推断本发明达到了高倍增的效应。
本发明的一种火花隙与光电导组合开关，提出并实现用火花放电辐射光脉冲作为触发光源，替代传统的脉冲激光器。使触发光源不再使用高成本的激光设备，降低了光电导开关的实用成本和难度，使开关更具易用性，同时设备的维护难度比激光设备低很多。反光杯2使得光源的利用效率更高，本发明实用性强，有利于光电导开关的实用化。

Claims (9)

1.一种火花隙与光电导组合开关，其特征在于，包括相对设置的火花隙开关和进行绝缘封装的光电导开关，
所述火花隙开关包括相对设置的两个火花隙开关电极(1)，两个火花隙开关电极(1)位于倒扣的反光杯(2)内，反光杯(2)的杯口连接有光学玻璃(3)，反光杯(2)的截面为抛物线形，两个火花隙开关电极(1)之间的间隙与截面为抛物线形反光杯(2)的焦点相对，一个火花隙开关电极(1)上连接有恒流源(4)和脉冲电容器(5)，恒流源(4)与脉冲电容器(5)连接，另一个火花隙开关电极(1)上连接有第一负载(7)和电阻分压器(6)，脉冲电容器(5)和电阻分压器(6)均与第一负载(7)连接，电阻分压器(6)与第一示波器(13)连接；
所述光电导开关包括底板(8)，底板(8)与光学玻璃(3)相对设置，底板(8)上相对设置有两个光电导开关电极(9)，一个光电导开关电极(9)上连接有电源(10)和电容(11)，电源(10)和电容(11)之间连接有第一电阻(12)，另一个光电导开关电极(9)上依次连接有同轴传输线(16)、衰减器(15)和第二示波器(14)，第二示波器(14)与电容(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种火花隙与光电导组合开关，其特征在于：所述恒流源(4)接地，电源(10)接地。
3.根据权利要求1所述的一种火花隙与光电导组合开关，其特征在于：所述光电导开关进行绝缘封装，底板(8)由GaAs半导体材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种火花隙与光电导组合开关，其特征在于：所述光学玻璃(3)为光学石英玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种火花隙与光电导组合开关，其特征在于：所述电源(10)采用0-10000V可调高压电源。
6.根据权利要求1所述的一种火花隙与光电导组合开关，其特征在于：所述电容(11)由12个0.01μF的小电容串联而成。
7.根据权利要求1所述的一种火花隙与光电导组合开关，其特征在于：所述衰减器(15)的功率衰减量为60dB。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种火花隙与光电导组合开关，其特征在于：所述恒流源(4)和脉冲电容器(5)之间连接有第二负载(17)和第三负载(18)。
9.根据权利要求8所述的一种火花隙与光电导组合开关，其特征在于：所述电阻分压器(6)包括相互连接的第四负载(19)和第五负载(20)，第一示波器(13)连接在第四负载(19)和第五负载(20)之间，第一负载(7)为第二电阻，第二负载(17)为二极管，第三负载(18)为限流电阻，第四负载(19)为第三电阻，第五负载(20)为第四电阻。
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Assignee: Shi Wei

Assignor: XI'AN University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980005926

Denomination of invention: A combination switch of spark gap and photoconductivity

Granted publication date: 20190927

License type: Exclusive License

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