CN111462959A - 一种真空高压脉冲绝缘结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种真空高压脉冲绝缘结构，包括阳极外筒、阴极及绝缘子，所述阴极通过绝缘子共轴支撑在阳极外筒内，所述阳极外筒内还设置有脉冲源侧屏蔽环和真空侧屏蔽环，所述脉冲源侧屏蔽环和真空侧屏蔽环分别设置于绝缘子两侧，所述脉冲源侧屏蔽环对应脉冲功率源侧设置，所述真空侧屏蔽环对应真空侧设置。本发明的真空二极管高压脉冲径向绝缘结构能够有效匀化绝缘子附近电场分布并降低三相点电场强度，最终得到较高的绝缘梯度进而大幅缩小真空二极管的横向尺寸，提高系统的轻小型化水平，该种真空二极管高压脉冲径向绝缘结构能很好地应用于结构紧凑的脉冲功率和高功率微波源系统的真空高压脉冲二极管之中。

Description

一种真空高压脉冲绝缘结构
技术领域
本发明属于二极管技术领域，具体地说涉及一种真空高压脉冲绝缘结构。
背景技术
在诸如粒子束加速器、X射线管、高功率微波源等许多真空高电压脉冲系统中真空高压脉冲二极管作为粒子束源被大量使用。几乎所有的真空高压脉冲二极管都需要在脉冲功率源的输出端与二极管之间设置一个绝缘结构来隔离脉冲源内绝缘介质区与二极管的真空区。受绝缘强度、机械强度等的影响，绝缘子的体积重量在整个空高压脉冲二极管中占据了相当大的比重。很多应用场合要求空高压脉冲二极管尽量减小其体积和重量。
径向绝缘结构一般采用单个绝缘体作为脉冲功率源绝缘介质与真空的隔离界面，其轴向长度可以设计得比较短，且在适当的绝缘结构优化后径向尺寸也可以设计得较为紧凑，在阻抗不超过数百欧姆的低阻抗二极管中得到了较好的应用。
目前径向绝缘子的平均绝缘梯度受绝缘材料真空表面沿面闪络场强及三相点场强等因素制约，径向尺寸较大，这就限制了现有真空绝缘子的小型化水平。因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种真空高压脉冲绝缘结构。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：包括阳极外筒、阴极及绝缘子，所述阴极通过绝缘子共轴支撑在阳极外筒内，所述阳极外筒内还设置有脉冲源侧屏蔽环和真空侧屏蔽环，所述脉冲源侧屏蔽环和真空侧屏蔽环分别设置于绝缘子两侧，所述脉冲源侧屏蔽环对应脉冲功率源侧设置，所述真空侧屏蔽环对应真空侧设置。
进一步的，所述绝缘子包括支撑环以及设置于所述支撑环外周的绝缘子主体，所述支撑环中心设置用于所述阴极穿过的中心孔，所述绝缘子主体为绝缘环，所述绝缘子主体内沿连接在所述支撑环外壁上，所述绝缘子主体外沿连接所述阳极外筒内壁上。
进一步的，所述绝缘子主体表面对应真空侧设置有同轴的环状周期波纹，所述环状周期波纹的轴线与所述阴极轴线重合。
进一步的，所述环状周期波纹的截面为矩形。
进一步的，所述环状周期波纹设置在所述绝缘子主体区域范围内，所述环状周期波纹设置为等间距周期。
进一步的，所述脉冲源侧屏蔽环包括用于匀化电场强度的第一屏蔽部和用于固定所述第一屏蔽部的第一支撑部，所述真空侧屏蔽环包括用于匀化电场强度的第二屏蔽部和用于固定所述第二屏蔽部的第二支撑部。
进一步的，所述第一屏蔽部和所述第二屏蔽部均为碗口直径逐渐增大的中空碗状结构，所述第一屏蔽部碗口朝向脉冲源侧，所述第二屏蔽部的碗口朝向真空侧。
进一步的，所述第一支撑部和所述第二支撑部上均设有用于降低场强的均压环，所述均压环设置在靠近所述绝缘子一侧的三相点处，所述均压环套设在所述支撑环外壁上。
进一步的，所述均压环在靠近所述绝缘子一侧的两个直角均倒圆角。
进一步的，所述阳极外筒为无磁不锈钢阳极外筒，所述阴极为无磁不锈钢阴极，所述脉冲源侧屏蔽环为无磁不锈钢脉冲源侧屏蔽环，所述真空侧屏蔽环为无磁不锈钢真空侧屏蔽环，所述绝缘子为1010增强尼龙绝缘子。
有益效果：
本发明的真空高压脉冲绝缘结构能够有效匀化绝缘子附近电场分布并降低三相点电场强度，最终得到较高的绝缘梯度，进而大幅缩小真空二极管的横向尺寸，提高系统的轻小型化水平，该真空高压脉冲绝缘结构能很好地应用于结构紧凑的脉冲功率和高功率微波源系统的真空高压脉冲二极管之中。
通过脉冲源侧屏蔽环、真空侧屏蔽环及绝缘子支撑环的结构设计，匀化了这两个屏蔽环之间的绝缘子区域电势，大为降低阴极附近绝缘子表面的电场强度；在绝缘子靠近屏蔽环的三相点位置设计了均压环，进一步降低了绝缘子三相点处的场强；在绝缘子真空侧设置环状周期波纹，抑制偶发的真空沿面闪络；在上述设计的共同作用下，绝缘子的三相点电子发射效应被大幅度抑制，偶发的真空沿面闪络也被有效抑制，系统的绝缘梯度大幅提高。
附图说明
图1为本发明具体实施例中真空高压脉冲绝缘结构内部结构示意图；
图2为图1中绝缘子的剖开结构示意图；
图3为图1中脉冲源侧屏蔽环、真空侧屏蔽环与绝缘子连接部位的局部放大结构示意图；
图4为本发明具体实施例中600kV电压条件下模拟得到的真空二极管高压脉冲径向绝缘结构等位线分布图；
图5为本发明具体实施例中600kV电压条件下模拟得到的真空二极管高压脉冲径向绝缘结构绝缘子表面电场强度分布曲线；
图6为本发明具体实施例中600kV电压条件下真空二极管高压脉冲径向绝缘结构接60欧姆阻抗负载的输出结果图。
附图标记为：1、阳极外筒；2、阴极；3、脉冲源侧屏蔽环；4、绝缘子；5、真空侧屏蔽环；6、绝缘子主体；7、环状周期波纹；8、支撑环；9、均压环。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1-3所示，一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：包括阳极外筒1、阴极2及绝缘子4，阴极2通过绝缘子4共轴支撑在阳极外筒1内，阳极外筒1内还设置有脉冲源侧屏蔽环3和真空侧屏蔽环5，脉冲源侧屏蔽环3和真空侧屏蔽环5分别设置于绝缘子4两侧，脉冲源侧屏蔽环3对应脉冲功率源侧设置，真空侧屏蔽环5对应真空侧设置。其中，阳极外筒1、阴极2、绝缘子4、脉冲源侧屏蔽环3和真空侧屏蔽环5均同轴设置。通过脉冲源侧屏蔽环3、真空侧屏蔽环5及绝缘子4支撑结构的结构设计，匀化了这两个屏蔽环之间的绝缘子区域电势，大为降低阴极附近绝缘子4表面的电场强度。脉冲源侧屏蔽环3与真空侧屏蔽环5几何尺寸根据阴阳极间电场分布设计，可以相同或者不同。
优选的，绝缘子4包括支撑环8以及设置于支撑环8外周的绝缘子主体6，支撑环8中心设置用于阴极2穿过的中心孔，绝缘子主体6为绝缘环，绝缘子主体6内沿连接在支撑环8外壁上，绝缘子主体6外沿连接阳极外筒1内壁上。支撑环8中心孔直径与阴极2对应连接位置处外径相同。
优选的，绝缘子主体6表面对应真空侧设置有同轴的环状周期波纹7，环状周期波纹7的轴线与阴极2轴线重合。在绝缘子4真空侧设置环状周期波纹7，抑制偶发的真空沿面闪络。环状周期波纹7的周期是采用粒子模拟方法优化得到，设置成等间距结构。
优选的，环状周期波纹7的截面为矩形。一般波纹形状有矩形、三角形、梯形等，本实施例采用的是矩形，宽度和深度均为粒子模拟优化得到的结果，波纹深度和宽度会影响绝缘子表面二次电子倍增抑制的能力，即影响最终的绝缘性能。
优选的，环状周期波纹7设置在绝缘子主体区域范围内，环状周期波纹7设置为等间距周期。波纹设置区域为二次电子起始位置到绝缘子主体外半径位置，其位置也是通过粒子模拟确定。
优选的，脉冲源侧屏蔽环3包括用于匀化电场强度的第一屏蔽部和用于固定第一屏蔽部的第一支撑部，真空侧屏蔽环5包括用于匀化电场强度的第二屏蔽部和用于固定第二屏蔽部的第二支撑部。
优选的，第一屏蔽部和第二屏蔽部均为碗口直径逐渐增大的中空碗状结构，第一屏蔽部碗口朝向脉冲源侧，第二屏蔽部的碗口朝向真空侧。
优选的，第一支撑部和第二支撑部上均设有用于降低场强的均压环9，均压环9设置在靠近绝缘子4一侧的三相点处，均压环9套设在支撑环8外壁上。在靠近绝缘子4一侧的三相点位置设计了均压环9，进一步降低了绝缘子4三相点处的场强。
优选的，均压环9在靠近绝缘子4一侧的两个直角均倒圆角。倒圆角的作用是为了降低局部电场强度，降低种子电子发射概率。
优选的，阳极外筒1为无磁不锈钢阳极外筒，阴极2为无磁不锈钢阴极，脉冲源侧屏蔽环3为无磁不锈钢脉冲源侧屏蔽环，真空侧屏蔽环5为无磁不锈钢真空侧屏蔽环，绝缘子4为1010增强尼龙绝缘子。阴阳极是由所加电位决定，阴极加低电位，阳极加高电位，阴极电位比阳极电位低数百千伏到兆伏量级。由于高压绝缘二极管一般用在脉冲功率系统或者高功率微波源系统，这两类系统中一般会用到外加引导磁场，因此，优选的，阴阳极采用无磁不锈钢材料以避免对外加引导磁场的损耗，其他无磁金属材料如铜、铝及钛合金等均可作为阴阳极材料；绝缘子材料考虑到机械强度及加工容易等因素，采用的1010增强尼龙；其他可以作为绝缘子的材料还有很多，比如氧化铝陶瓷、有机玻璃、聚四氟乙烯、超高分子聚乙烯、交联聚苯乙烯等等常用电绝缘材料。
工作原理：当脉冲高压从脉冲源侧阴阳极之间馈入时，在阴阳极之间产生径向高压电场，在阴阳极同轴区域形成与位置半径成反比的电场分布，即阴极附近区域电场较为集中；通过脉冲源侧屏蔽环、真空侧屏蔽环及绝缘子支撑环的结构设计，匀化了这两个屏蔽环之间的绝缘子区域电势，大为降低阴极附近绝缘子表面的电场强度；在绝缘子靠近屏蔽环的三相点位置设计了均压环，进一步降低了绝缘子三相点处的场强；在绝缘子真空侧设置环状周期波纹，抑制偶发的真空沿面闪络；在上述设计的共同作用下，绝缘子的三相点电子发射效应被大幅度抑制，偶发的真空沿面闪络也被有效抑制，系统的绝缘梯度大幅提高。
优选实施例，采用阳极外筒1内半径为130mm，外半径为135mm；阴极2为实心圆柱，外半径为29.2mm；绝缘子4外半径为130mm，内半径29.2mm；绝缘子主体6厚度为22mm；绝缘子4真空侧表面半径50mm到130mm区域设置环状周期波纹7，波纹轴线与阴极轴线重合，波纹截面为矩形，周期为4mm，其中凹槽宽度为2mm，深度为2mm；绝缘子4内设置支撑环8，厚度为50mm，外半径为37.8mm；脉冲源侧屏蔽环3与真空侧屏蔽环5结构尺寸相同，最大外半径为78mm，高度为68.4mm；均压环9内半径为37.8mm，外半径为41.8mm，高度为5mm；均压环9靠近绝缘子4一侧的两个直角变分别倒半径2.5mm的圆角。该实施例中阳极外筒1、阴极2、脉冲源侧屏蔽环3、真空侧屏蔽环5所用材料为无磁不锈钢，绝缘子4材料为1010增强尼龙。
利用静电场仿真模拟软件对上述结构尺寸下的真空二极管高压脉冲径向绝缘结构进行仿真计算，在阴阳极馈入电压600kV的条件下得到模拟得到二极管区域等位线分布如图4所示，绝缘子表面电场分布如图5所示。所设计的二极管在绝缘子附近区域等位线分布更为均匀，这表明本实施例中所设计的绝缘结构能够有效匀化绝缘子表面电场，降低绝缘子靠近阴极区域的电场强度；绝缘子表面最大电场强度约为102.4kV/cm，小于用马丁公式所估算的脉冲沿面闪络场强137kV/cm；绝缘子三相点处场强仅17kV/cm，小于三相点击穿的经验阈值25kV/cm；因此该绝缘子能够耐受600kV高压电脉冲。
将该结构绝缘子与60欧姆电子束二极管负载相连进行高电压实验，得到的典型电压电流波形如图6所示，测得的二极管电压约为613kV，二极管电流约为11kA；从电压波形来看二极管没有脉冲缩短的现象出现，数百次重复实验未发现击穿现象，说明本实施列所设计的真空二极管高压脉冲径向绝缘结构能够耐受600kV以上的高压电脉冲，平均绝缘梯度大于60kV/cm。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：包括阳极外筒、阴极及绝缘子，所述阴极通过绝缘子共轴支撑在阳极外筒内，所述阳极外筒内还设置有脉冲源侧屏蔽环和真空侧屏蔽环，所述脉冲源侧屏蔽环和真空侧屏蔽环分别设置于绝缘子两侧，所述脉冲源侧屏蔽环对应脉冲功率源侧设置，所述真空侧屏蔽环对应真空侧设置。
2.根据权利要求1所述的一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：所述绝缘子包括支撑环以及设置于所述支撑环外周的绝缘子主体，所述支撑环中心设置用于所述阴极穿过的中心孔，所述绝缘子主体为绝缘环，所述绝缘子主体内沿连接在所述支撑环外壁上，所述绝缘子主体外沿连接所述阳极外筒内壁上。
3.根据权利要求2所述的一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：所述绝缘子主体表面对应真空侧设置有同轴的环状周期波纹，所述环状周期波纹的轴线与所述阴极轴线重合。
4.根据权利要求3所述的一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：所述环状周期波纹的截面为矩形。
5.根据权利要求3所述的一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：所述环状周期波纹设置在所述绝缘子主体区域范围内，所述环状周期波纹设置为等间距周期。
6.根据权利要求1所述的一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：所述脉冲源侧屏蔽环包括用于匀化电场强度的第一屏蔽部和用于固定所述第一屏蔽部的第一支撑部，所述真空侧屏蔽环包括用于匀化电场强度的第二屏蔽部和用于固定所述第二屏蔽部的第二支撑部。
7.根据权利要求6所述的一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：所述第一屏蔽部和所述第二屏蔽部均为碗口直径逐渐增大的中空碗状结构，所述第一屏蔽部碗口朝向脉冲源侧，所述第二屏蔽部的碗口朝向真空侧。
8.根据权利要求6所述的一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：所述第一支撑部和所述第二支撑部上均设有用于降低场强的均压环，所述均压环设置在靠近所述绝缘子一侧的三相点处，所述均压环套设在所述支撑环外壁上。
9.根据权利要求8所述的一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：所述均压环在靠近所述绝缘子一侧的两个直角均倒圆角。
10.根据权利要求1所述的一种真空高压脉冲绝缘结构，其特征在于：所述阳极外筒为无磁不锈钢阳极外筒，所述阴极为无磁不锈钢阴极，所述脉冲源侧屏蔽环为无磁不锈钢脉冲源侧屏蔽环，所述真空侧屏蔽环为无磁不锈钢真空侧屏蔽环，所述绝缘子为1010增强尼龙绝缘子。
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