CN108598868A - 一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法。该电极结构能够调控气体间隙火花放电通道的形成数量和发生区域，进而达到气体火花开关稳定多通道放电的目的。该电极结构包括相间排列的N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块；N的数量依据电子发射效率高的电极材料组块能够产生的放电通道数量确定；N≥1；该电极的设计方法包括以下步骤：1)确定低逸出功电极材料组块以及高逸出功电极材料组块的材料；2)确定低逸出功电极材料组块以及高逸出功电极材料组块的数量；3)组装。

Description

一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法

技术领域

本发明气体开关涉及一种按电极的结构和组分区分的气体开关，具体涉及一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法。

背景技术

脉冲功率技术是一种以较低的功率存储能量，再以高功率脉冲电磁能量释放到特定负载的电物理技术。

气体火花开关具有耐受电压高、导通电流大等优势，在脉冲功率技术领域中具有广泛应用，其电感参数和使用寿命是脉冲功率驱动源输出性能和工作状态的重要影响因素，因此，一些大型脉冲功率装置或紧凑型驱动源都对开关提出了“低电感”和“长寿命”的苛刻要求。若开关能够形成稳定的多通道放电，将有效增加气体间隙的放电通道、改善放电点分布，优化放电回路结构，降低电极烧蚀速率，最终实现降低气体开关电感、延长工作寿命的目的。

为使气体开关形成稳定多通道放电，国内外学者给出了一些研究结果或技术方法，下面进行简要概括分析。俄罗斯强流电子学研究所和西安交通大学研制了平板、同轴和方形等结构的多个圆球电极组成的多级多通道开关，西北核技术研究所等单位研制了弹簧电极多级多通道开关，这些开关使用电阻或电感隔离放电通道，有效增加放电通道数量，也固定了通道发生位置，但结构复杂、静态性能较差，详见引证文献【1-6】。

美国Maxwell和Titan公司、中国工程物理研究院、西北核技术研究所等多家单位研制了同轴型、轨道式、环轨式、双平行轨道式等结构的场畸变开关，通过增大开关触发过程中的场畸变程度，增加初始电子产生浓度，进而增加放电通道形成数量，但场畸变开关需要适当增加电极长度，且触发电极的引入也会影响开关静态特性，详见引证文献【7-11】。

还可以采用外部电子直接注入气体开关间隙的方式，增加间隙内初始电子数和放电通道数，当前可行的方式有等离子体喷射和阵列微孔阴极放电等，西安交通大学和复旦大学采用这些方式设计了可以形成多通道放电的开关，但这类开关的问题在于机械结构和工作电路复杂、运行电压低，使用寿命短，详见引证文献【12-13】。

研究发现多间隙开关容易形成多通道放电，多国学者都进行了这类开关的研制与特性研究工作，均发现存在多个间隙放电通道数量不同、所有间隙放电通道在轴向方向很难形成连续的直线路径、多个通道的分布也较为集中等问题，这就导致电流沿电极周长方向流动，增大了放电回路电感，从而出现了气体火花开关多通道放电不稳定的问题，详见引证文献【14-17】。

总之，在不影响开关其它重要特性或使用条件的前提下，目前的技术手段无法达到有效形成稳定多通道放电的目的。

【1】БастриковАН,КимАА,КовальчукБМ.Низкоиндуктивныемнокозазорныеразрядники[J].ФИЗИКА,1997,No12,5-16.

【2】Kim A A.,Kovalchuk B M,Kremnev V V,et al.Multi-gap multi-channelspark switches[C].11th international pulsed power conference,1997:862～867.

【3】Kovalchuk B M,Kharlov A V,Zorin V B,et al.A compactsubmicrosecond,high current generator[J].REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS,2009,80,083504.

【4】Kim A A,Kovalchuk B M,et al.0.75MA,400ns rise time LTD stage[C].12th international pulsed power conference,1999:955～958.

【5】Sun F,Zeng J,Qiu A,et al.Coaxial multi-gap multi-channel gas sparkclosing switch with low inductance and jitter[J].强激光与粒子束,2002,14(2):312-316.

【6】肖磊.火花开关多放电通道形成特性的研究[D].西安：西安交通大学，2017.

【7】丛培天,曾正中,蒯斌,等.同轴场畸变气体开关运行特性[J].强激光与粒子束,2005,17(5):765-769.

【8】李洪涛,丁伯南,谢卫平,等.200kV100kA低抖动环轨式多通道场畸变开关[J].强激光与粒子束,2003(03):288-292.

【9】李岩,黄涛,丛培天,等.双平行电极场畸变气体火花开关电极优化与实验研究[J].高压电器.2010(11):53-56.

【10】Gordon L B,Wilson M J,et al.High Current Rail Gap Studies[C].4thIEEE Int.Pulsed Power Conf.,1983:178～181.

【11】Lam S K,Miller R,et al.Fast Marx for PRS Drivers[C].14th IEEEPulsed Power Conf.,2003,619～621.

【12】铁维昊,刘善红,张乔根,等.新型等离子体喷射触发气体开关[J].强激光与粒子束,2014,26(4):045013.

【13】腾亚青,刘克富,邱剑,等.阵列微孔阴极放电触发的纳秒脉冲开关[J].强激光与粒子束,2012,24(3):621-624.

【14】丛培天,孙铁平,邱爱慈,等.多间隙气体开关电感[J].强激光与粒子束,2012,24(8):2009-2012.

【15】孙铁平,丛培天,李阳,等.六间隙串联气体开关触发放电过程[J].强激光与粒子束.2013,25(08):2167-2172.

【16】Woodworth J R,Hahn K,Alexander J A,et al.Gas switch studies forlinear transformer drivers[C].16th International Pulsed PowerConference.Albuquerque,New Mexico,2007:250-253.

【17】Woodworth J R,Alexander J A,Gruner F R,et al.Low-inductance gasswitches for linear transformer drivers[J].Phys.Rev.ST Accel.Beams,2009,12,060401。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明设计了一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法，其采用选取两种强电场电子发射能力差异较大的电极材料，以相间排列的方式进行组合，实现组合材料电极结构。该电极结构能够调控气体间隙火花放电通道的形成数量和发生区域，进而达到气体火花开关稳定多通道放电的目的。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种用于气体火花开关的电极结构，包括相间排列的N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块；N的数量依据电子发射效率高的电极材料组块能够产生的放电通道数量确定；N≥1；

其中，低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块采用电子发射效率差异较大的两种材料制成且低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块的外部结构和内部结构均相同；

相邻的低逸出功电极材料组块和高逸出功电极材料组块之间无缝隙对接安装。

进一步地，所述低逸出功电极材料组块采用不锈钢或石墨制成；

进一步地，所述高逸出功电极材料组块采用黄铜或钨铜制成；

进一步地，N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块构成的气体火花开关的形状为环形或矩形或筒形。

基于上述对用于气体火花开关的电极结构的描述，现对该气体火花开关的电极结构的设计方法进行阐述：

1)确定低逸出功电极材料组块以及高逸出功电极材料组块的材料；

对比不同电极材料的逸出功大小，选取两种电子发射效率差异较大的材料分别用于制作低逸出功电极材料组块和高逸出功电极材料组块；

2)确定低逸出功电极材料组块以及高逸出功电极材料组块的数量；

对步骤1)中两种电子发射效率差异较大的材料分别计算其在脉冲电压放电时形成的放电通道数量，依据电子发射效率高的材料能够产生的放电通道数量，确定两种材料的组块数量N，N≥1

3)组装；

对N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块进行无缝隙对接，并且以相间排列的方式进行组合。

上述步骤3)中无缝隙对接的具体流程是：

S1：选取制作低逸出功电极材料组块的材料或高逸出功电极材料组块的材料制作基础骨架；

S2：根据需要的气体火花开关整体部分的形状，将其分割成2N个单元；

S3：相间隔的取走气体火花开关整体形状中的N个单元；

S4：在取走的N个单元的位置镶嵌补充单元；所述补充单元的采用高逸出功电极材料组块的材料或低逸出功电极材料组块的材料；

S5：整体电极加工成型。

需要强调的一点是：本发明采用的电极结构设计方法适用于制作目前市场上所有的气体火花开关的结构。

本发明的有益效果是：

1、不影响现有开关结构：本发明的电极结构与现有的开关电极的整体结构可以完全一致的，因此，不会影响现有开关的结构设计，也不会影响现有的安装方式。

2、不影响自击穿特性：组合材料电极的不同材料组块是无缝隙对接，因此，与现有开关电极表面结构也是一致的，不会影响开关间隙的电场分布，也就不影响开关的自击穿特性。

3、触发击穿性能提高：本发明的气体开关电极结构采用了电子发射效率较高的材料，会大大缩短气体间隙击穿延时，有利于提高气体开关的触发击穿性能。

4、放电通道数量增多：本发明的气体开关电极采用了电子发射效率较高的材料，气体间隙放电的初始电子数量增多，进而增加气体开关放电通道数量。

5、放电通道位置可控：本发明的气体开关电极采用两种不同电子发射效率的材料，那么在电极表面的不同位置产生的初始电子数量是不一致的，初始电子密度大的位置形成放电通道的几率增大，初始电子密度小的位置不容易形成放电通道，进而实现了调控气体开关放电通道位置的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图。

图2为本发明实施例的结构剖视图。

附图标记如下：

1-上高压电极，2-下高压电极，3-中间触发电极，4-绝缘筒，5-外触发放电气体间隙，6-自击穿放电气体间隙，7-低逸出功电极材料组块，8-高逸出功电极材料组块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种环形组合材料电极结构由4个低逸出功电极材料组块7和4个高逸出功电极材料组块8组成，分析可用于气体开关的不锈钢、黄铜、钨铜和石墨等电极材料的物理特性，对比它们的逸出功的大小，发现钨铜和石墨的等效逸出功差异较大，选取这两种电子发射效率差异较大的材料作为制作电极的组合材料。实验测量两种材料电极构成的气体间隙在脉冲电压放电时形成的放电通道数量，石墨的电子发射效率较高，纯石墨电极气体间隙放电形成的放电通道数平均值约为4，进而确定两种材料的组块数量分别为4。上高压电极1、下高压电极2和中间触发电极3均以钨铜材料为基础骨架，在面向外触发放电气体间隙和自击穿气体间隙一侧，在厚5mm的电极表面进行分割，以45°扇面对应的环状体为一个单元，每间隔45°分别将4个采用钨铜材料制作的单元取走，并使用热处理工艺将石墨材料制作的，且与被取走的钨铜材料制作的单元形状结构相同的单元镶嵌到基础骨架上，在进行整体电极加工成型，这样，就形成了整个电极结构的无缝隙对接和相间排列的组合。

如图2所示，本实施例中剖面示意图。开关电极结构主要由上高压电极1、下高压电极2、中间触发电极3和绝缘筒4组成。上高压电极1、下高压电极2均为环筒形，外直径为50mm，内直径为30mm，正对中间触发电极的高压电极端均做倒角处理，倒角半径5mm。

中间触发电极3也是环筒形电极，外直径为50mm，内直径为30mm，两端均做倒角处理，倒角半径5mm，轴向高度30mm。

绝缘筒4材料可以由有机玻璃、尼龙等绝缘材料制作，其主要起到密封、绝缘和支撑三个电极的作用。上高压电极1与中间触发电极3之间构成外触发放电气体间隙5，间隙距离为5mm；下高压电极2与中间触发电极3之间构成自击穿放电气体间隙6，间隙距离为5mm。

本实施例的气体开关工作电压为±30kV，上高压电极1连接正极性电压，下高压电极2连接负极性电压。采用幅值为60kV的高压快脉冲进行触发。工作介质采用干燥压缩空气。

开关外触发工作过程如下：在工作时，开关两端施加±30kV直流高压，此时触发电极处于上高压电极1和下高压电极2对称轴位置，触发电极盘电势为零；将前沿10ns，幅值-60kV的高压脉冲施加到中间触发电极3上时，中间触发电极3电位下降至-60kV，外触发放电气体间隙5承受较高的过电压，首先发生气体放电击穿，在4个低逸出功电极材料组块7位置形成放电通道；随后触发电极电位翻转，变成+30kV，这时自击穿放电气体间隙6承受较高的过电压，间隙电场发生畸变，发生气体放电击穿，也是在4个低逸出功电极材料组块7位置形成放电通道。这样，就将放电通道位置限制在低逸出功电极材料区域，变换电极材料位置，就可以调控放电通道位置。

本实施例已经对发明内容给出了充分的说明，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。附图与实施例所给出的气体开关与组合材料电极结构只是组合材料电极设计方法在实际中应用的一种典型方式，该组合材料电极结构及其设计方法的应用不限于环形电极的气体开关，还可以应用于其它电极结构的气体开关，以及高压脉冲多间隙气体开关等场合。将多种电极材料依据电子发射特性设计气体开关电极并用于产生稳定多通道放电的电极结构及设计方法均为本专利的保护范围。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进属于本发明的权利范围。

Claims (6)

1.一种用于气体火花开关的电极结构，其特征在于：

包括相间排列的N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块；N的数量依据电子发射效率高的电极材料组块能够产生的放电通道数量确定；N≥1；

其中，低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块采用电子发射效率差异较大的两种材料制成且低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块的外部结构和内部结构均相同；

相邻的低逸出功电极材料组块和高逸出功电极材料组块之间无缝隙对接安装。

2.根据权利要求1所述的用于气体火花开关的电极结构，其特征在于：所述低逸出功电极材料组块采用不锈钢或石墨制成。

3.根据权利要求1或2所述的用于气体火花开关的电极结构，其特征在于：所述高逸出功电极材料组块采用黄铜或钨铜制成。

4.根据权利要求3所述的用于气体火花开关的电极结构，其特征在于：N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块构成的气体火花开关的形状为环形或矩形或筒形。

5.一种用于气体火花开关的电极结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定低逸出功电极材料组块以及高逸出功电极材料组块的材料；

对比不同电极材料的逸出功大小，选取两种电子发射效率差异较大的材料分别用于制作低逸出功电极材料组块和高逸出功电极材料组块；

2)确定低逸出功电极材料组块以及高逸出功电极材料组块的数量；

对步骤1)中两种电子发射效率差异较大的材料分别计算其在脉冲电压放电时形成的放电通道数量，依据电子发射效率高的材料能够产生的放电通道数量，确定两种材料的组块数量N，N≥1；

3)组装；

对N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块进行无缝隙对接，并且以相间排列的方式进行组合。

6.根据权利要求5所述的用于气体火花开关的电极结构的设计方法，其特征在于：所述步骤3)中无缝隙对接的具体流程是：

S1：选取制作低逸出功电极材料组块的材料或高逸出功电极材料组块的材料制作基础骨架；

S2：根据需要的气体火花开关整体部分的形状，将其分割成2N个单元；

S3：相间隔的取走气体火花开关整体形状中的N个单元；

S4：在取走的N个单元的位置镶嵌补充单元；所述补充单元的采用高逸出功电极材料组块的材料或低逸出功电极材料组块的材料；

S5：整体电极加工成型。