CN111868872B - 低溅射交叉场气体开关及操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种气体开关包括含有可电离气体的气密外壳、设置在气密外壳内的阳极和设置在气密外壳内的阴极，其中阴极包括传导表面。气体开关还包括定位在阳极和阴极之间的控制栅极，其中控制栅极布置成接收偏置电压以在阳极和阴极之间建立导电等离子体。此外，气体开关包括多个磁体，这些磁体选择性地布置成在传导表面附近产生磁场，该磁场减少撞击传导表面的带电粒子的动能，并将在阴极表面处的传导电流密度升高到技术上有用的水平。
Description
关于联邦资助研发的声明
本发明是根据美国能源部能源高级研究计划局(Department of EnergyAdvanced Research Projects Agency-Energy)授予的第DE-AR0000298号合同而在政府的支持下完成的。政府在本发明中拥有某些权利。
技术领域
本公开的领域总体上涉及低溅射交叉场气体开关，并且更特别地涉及通过减少撞击传导表面的带电粒子的动能来减少在阴极的传导表面上的溅射的交叉场气体开关。
背景技术
诸如平面交叉场气体开关之类的交叉场气体开关是已知的。常规地，这些开关包括由气密腔室封装的电极组件，诸如与阳极间隔开的阴极。气密腔室填充有可电离气体，并且电压被瞬时施加到设置在阳极和阴极之间的控制栅极，以在两者间启动等离子体路径。在存在施加到阳极的输入电压的情况下，开关是可操作的，以在阳极和阴极之间传导大电流。可通过反向偏置控制栅极来终止等离子体路径，使得从阳极流向阴极的电流被控制栅极(以及伴随的电路)瞬时消去(drawn off)，从而控制栅极和阳极之间的气体可再次变得绝缘。因此，在存在输入电压和导电等离子体的情况下，该设备充当充气开关或“气体开关”。
与至少一些已知开关相关联的缺点包括在传导期间阴极材料的严重溅射。具体地，许多普通气体开关在阳极和阴极之间的间隙中经历几百伏的电压降。典型地，在阴极的传导表面处或附近(例如，在传导表面的“下落距离”内)经历该电压降的大部分(例如，“下落电压”)，在大多数情况下，导致热损失和由从下落电压获得能量的入射带电粒子(正离子)对阴极传导表面的“溅射”。溅射往往会降低气体开关的使用寿命，诸如例如在传导模式下降低到大约几小时或几天。因此，常规的气体开关在可靠性、成本和生命周期是重要考虑因素的电力系统中大规模、长期实施往往不可行。
发明内容
在一个方面，提供了一种气体开关。气体开关包括含有可电离气体的气密外壳、设置在气密外壳内的阳极和设置在气密外壳内的阴极，其中阴极包括传导表面。气体开关还包括定位在阳极和阴极之间的控制栅极，其中控制栅极布置成接收偏置电压以在阳极和阴极之间建立导电等离子体。此外，气体开关包括多个磁体，这些磁体将在阴极表面处的传导电流密度升高到技术上有用的水平。磁体还选择性地布置成在传导表面附近产生磁场，该磁场减少撞击传导表面的带电粒子的动能。
在另一个方面，提供了一种气体开关。气体开关包括阳极和阴极，所述阴极限定在阳极和阴极之间的内部容积(volume)。气体开关还包括填充内部容积的可电离气体以及设置在阴极附近的磁体的系统，其中磁体的系统选择性地布置成产生磁场，该磁场减少撞击阴极的带电粒子的动能，并将在阴极表面处的传导电流密度升高到技术上有用的水平。
在又一方面，提供了一种用于制造气体开关的方法。该方法包括：提供气密外壳；将阴极定位在气密外壳内，阴极包括传导表面；选择性地将阳极定位在气密外壳内；将多个磁体定位在阴极附近，其中多个磁体布置成在操作期间减少撞击阴极传导表面的带电粒子的动能，以及将在阴极表面处的传导电流密度升高到技术上有用的水平；以及用可电离气体填充气密外壳。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中贯穿附图，相同的标记表示相同的部件，其中：
图1是示例性低溅射交叉场气体开关的剖视图；
图2是可与图1所示的气体开关一起使用的示例性磁体的系统的剖视图；
图3是示出图1所示气体开关的操作的示意图；
图4是示出在操作期间电压和离子能量分布之间的关系的图表；和
图5是示出制造图1所示气体开关的示例性过程的流程图。
除非另外指明，否则本文提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本公开的一个或多个实施例的多种多样的系统。照此，附图并不意在包括本领域普通技术人员已知的对于实践本文公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求书中，将参考许多术语，这些术语应被限定为具有以下含义。
单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。
“任选的”或“任选地”意味着随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言可用于修饰任何定量表示，在不导致与其相关的基本功能改变的情况下可容许该定量表示变化。因此，由诸如“约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及贯穿说明书和权利要求书，范围限制可被组合和/或互换；这样的范围被标识并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。
如本文所用，诸如“下面”、“下方”、“之下”、“下部”、“上部”、“上方”、“之上”等的空间上相对的术语可用来描述如图所示的一个元件或特征与一个或多个其它元件或特征的关系。将理解，这种空间上相对的术语旨在涵盖本文描述的元件和特征在操作中以及除了图中描绘的取向之外的不同取向。例如，如果图中的元件或特征被翻转，被描述为在一个或多个其它元件或特征“下方”的元件可被认为在那些元件或特征“上方”。因此，诸如“下方”、“之下”或“下面”的示例性术语可涵盖上方和下方两者的取向，这取决于例如这些元件或特征与一个或多个其它元件或特征之间的相对取向。
本公开的实施例涉及一种气体开关，其包括靠近阴极传导表面布置的磁体的系统。与磁体的系统相关联的一个或多个设计参数可在制造期间变化，以调整由磁体的系统产生的磁场强度的特性。例如，可调整最大磁场的位置和/或可调整最大磁场强度，诸如通过改变磁体的系统中偶极磁体之间的距离和/或偶极磁体自身的磁场强度。由于磁场的特性被调整，冲击阴极传导表面的带电粒子(例如正离子)的动能(例如速度)减少，有利于减少传导表面上的溅射。入射离子将溅射阴极材料的原子的概率随着入射离子的能量降低而迅速降低，并且实际上在取决于阴极材料和气体离子种类的某个阈值离子能量以下为零。
图1是示例性低溅射交叉场气体开关100(或“气体开关”)的剖视图。气体开关100是大体上圆柱形的，并且包括圆柱形气密外壳102，该外壳102封装和密封本文描述的各种开关部件。开关轴线104延伸穿过气密外壳102并相对于气密外壳102限定。在示例性实施例中，气密外壳102包括诸如陶瓷绝缘体的绝缘材料。此外，如下所述，导电环120可插入和/或密封在气密外壳102的上部部分和下部部分之间，而不影响气密外壳102的气密性和/或绝缘特性。
例如，在一些实施例中，气密外壳102包括上部圆柱形部分170和下部圆柱形部分172，其中上部圆柱形部分170和下部圆柱形部分172被导电环120分开并通过导电环120机械联接。因此，在至少一些实施例中，气密外壳102由上部圆柱形部分170和下部圆柱形部分172组成，其中导电环120夹在两者之间。此外，在一些实施例中，气密外壳102可包括焊接或以其它方式电联接和机械联接到阳极(如下所述)的上金属环174和焊接或以其它方式电联接和机械联接到阴极(如下所述)的下金属环176。此外，在一些实施例中，上金属环174可被上安装环178围绕，并且下金属环176可被下安装环180围绕，它们中的每一个可有利于气密外壳102上的气密密封。
在示例性实施例中，气体开关100还包括阳极106和阴极108。阴极108与阳极106轴向地分离(或间隔开)，并且与阳极106以基本上平行的关系设置。阴极108是基本上平面的并且包括诸如传导表面107的上表面和下表面109。如本文所述，在一些实施例中，阳极106和阴极108中的一个或两个可为非平面的。例如，在一些实施例中，阴极108包括起伏的或波纹状传导表面107。然而，在其它实施例中，传导表面107是平滑的平面表面。此外，阴极材料可包括钽、钼、钨、镓、镓-铟、镓-锡、镓-铟-锡、铝、不锈钢和/或这些材料的任何组合或合金。
气体开关100的另一个实施例用同心布置的阳极-阴极对代替图1所描绘的平面阳极和阴极。换句话说，在一些实施例中，阳极106和阴极108不是平面的而是圆柱形的，使得圆柱形阴极与圆柱形阳极同轴并围绕圆柱形阳极。
保活栅极110(“KA栅极”或“第一栅极”)定位在阴极108和阳极106之间，并限定栅极与阴极间的(grid-to-cathod)间隙112，该间隙可填充有具有低原子质量的可电离气体，诸如氦气、氢气或氢气和氦气的混合物。在示例性实施例中，气体压力可在0.01至1.0托的范围内。例如，栅极与阴极间的间隙112可由诸如氢和/或氦贮器(未示出)的气体存储贮器填充至上述范围内的所选气体压力。在各种实施例中，气密外壳102内只有一个内部气体容积，使得栅极与阴极间的间隙112中的气体与栅极与阳极间的间隙116(如下所述)中的气体完全连通。
在示例性实施例中，KA栅极110是基本上平面的导电穿孔结构。具体地，KA栅极110包括多个穿孔、孔口或孔，其尺寸设计成容许电离的气体(例如，等离子体)和电子流过其中。
气体开关100中还包括控制栅极114(或“第二栅极”)。具体地，控制栅极114定位在KA栅极110和阳极106之间，并且限定栅极与阳极间的间隙116(或“高电压间隙”)。像KA栅极110一样，控制栅极114是基本上平面的导电穿孔结构。具体地，控制栅极114包括多个穿孔、孔口或孔，其尺寸设计成容许电离的气体(例如，等离子体)和电子流过其中。在一些实施例中，控制栅极114可从气体开关100中排除，在这种情况下，气体开关100可充当二极管，该二极管被施加到阳极106的上升电压和/或电流脉冲正向偏置。
引线118延伸穿过气密外壳102，并且电连接和机械连接在KA栅极110和偏置电压源150(或“电源”)之间，偏置电压源150布置成向KA栅极110提供偏置电压。类似地，导电环120安装在气密外壳102(例如，如上所述)内，并且电连接和机械连接在控制栅极114和偏置电压源150之间，使得导电环120布置成向控制栅极114提供偏置电压。更特别地，并且如本文所述，导电环120可向控制栅极114提供反向偏置电压以“断开”气体开关100，并且向控制栅极114提供正向偏置电压以“闭合”气体开关100。
磁体的系统122也在气体开关100中被实施。具体地，在示例性实施例中，磁体的系统设置成紧邻阴极108，诸如例如在阴极108下方或之下。在一些实施例中，磁体的系统122设置成与阴极108的下表面109直接物理接触。在其它实施例中，磁体的系统122不与下表面109直接物理接触，而是设置成靠近阴极108，使得由磁体的系统122产生的磁场延伸穿过阴极108、围绕阴极108延伸和/或延伸越过阴极108。
图2是磁体的系统122(在图1示出)的剖视图。如所示的，磁体的系统122包括多个磁体，诸如中心磁体202、第一环形磁体204、第二环形磁体206和/或第三环形磁体208。尽管示出了四个磁体202-208，但是在其它实施例中，任何合适数量的磁体可结合在气体开关100中，诸如例如以调整传导表面107附近的离子行为(如下所述)。
在示例性实施例中，中心磁体202是偶极磁体，诸如例如具有单个北极和单个南极的细长圆柱形磁体。环形磁体204-208是环形或超环面偶极子，并且围绕中心磁体202同心布置。尽管本文描述了环形磁体，但是在各种实施例中，可实施任何闭合磁体，诸如闭合正方形磁体、闭合矩形磁体、闭合卵形或卵圆形磁体等。一个跑道(racetrack)(如下所述)对于操作来说是足够的；这个跑道可由中心极磁体和相邻的环形磁体或者由两个相邻的环形磁体形成。此外，在至少一些实施例中，每个环形磁体204-208的北极和南极与开关轴线104轴向对齐。此外，在一些实施例中，极和环形磁体204-208交替布置，诸如例如以实现北-南-北布置或南-北-南布置。北-南-北布置在图2示出。
在操作中，磁体的系统122产生磁场，诸如例如在磁体202-208的交替布置的北极和南极之间延伸的磁场。更特别地，并且如所示的，第一组磁场线210可在中心磁体202和第一环形磁体204之间延伸。同样，第二组磁场线212可在第一环形磁体204和第二环形磁体206之间延伸，并且第三组磁场线214可在第二环形磁体206和第三环形磁体208之间延伸。
此外，每组磁场线210-214可在阴极108之下、之上经过和/或穿过阴极108。此外，在一些区域，由磁体202-208产生的磁场线可基本上平行于(或切向于)阴极108的传导表面107延伸。例如，并且如所示的，第一组磁场线210在第一区域“A”上基本上平行于传导平面107延伸。类似地，第二组磁场线212在第二区域“B”上基本上平行于传导表面107延伸，并且第三组磁场线214在第三区域“C”上基本上平行于传导表面107延伸。
区域A、B和C可对应于传导表面107上的一个或多个环形传导路径或“跑道”。这些特征对于理解本公开并不重要，并且在此不另外详细描述。然而，可参考2018年1月2日提交的且名称为“LOW VOLTAGE DROP, CROSS-FIELD, GAS SWITCH AND METHOD OF OPERATION”的美国专利申请No. 15/860,225获得关于区域A、B和C以及关于低正向电压降操作模式的与气体开关100有关的额外信息，上述申请通过引用以其整体结合于此。
为了启动气体开关100的操作，并且返回参考图1，偏置电压诸如经由引线118提供到KA栅极110，并且反向偏置电压诸如经由导电环120施加到控制栅极114。施加到KA栅极110的偏置电压激励KA栅极110，诸如达到足以弱电离保持在栅极与阴极间的间隙112中的气体的电压，而施加到控制栅极114的反向偏置电压阻止电离的气体传送超出和/或通过控制栅极114。因此，KA栅极110被正向偏置，并且控制栅极114被反向偏置，以在栅极与阴极间的间隙112中形成(并保持或“保活”)相对弱的等离子体。在此条件下，等离子体被限制在栅极与阴极间的间隙112中，并且气体开关100“断开”，因为电流不能从阳极106流向阴极108。
在一些实施例中，KA栅极110被从气体开关100中排除。在这种情况下，在栅极与阴极间的间隙112中没有保持相对弱的“保活”等离子体。相反，当宇宙射线撞击气体开关100内的可电离气体时，可形成初始等离子体，从而在可电离气体中形成初始或“种子”电离。宇宙射线也可撞击内表面，并将种子电子射出到气体中。种子电离随后被气体开关100内形成的相对高的电场中的电子雪崩放大，导致导电等离子体的形成，如下所述。然而，为了减少与对入射宇宙射线的依赖相关联的统计不确定性，可在气体开关100中实施KA栅极110，以利于气体开关100的操作(例如，接通)。
为了“闭合”气体开关100，诸如经由导电环120向控制栅极114施加正向偏置电压，并且在阳极106处施加恒定的输入电压。在一些实施例中，正向偏置电压被施加到控制栅极114，并且缓慢变化的输入电压在阳极106处被施加，诸如例如相对于和/或相比正向偏置电压被施加到控制栅极114所经历的特征时间。具体地，阳极106被充电到10至1000千伏范围内的电压，并且在0至3千伏的范围内的正向偏置电压(相对于阴极108)被施加到控制栅极114。当控制栅极114被激励到该电压时，限制在栅极与阴极间的间隙112中的相对弱的“保活”等离子体通过KA栅极110被电吸引向控制栅极114，并且在控制栅极114和阴极108之间建立导电等离子体(或“等离子体路径”)。在控制栅极电压升高之后，当等离子体暴露于更高电压和由高阳极电压形成的电场时，等离子体变得更高度电离(更导电)。此外，施加到阳极106的电压将吸引导电等离子体(通过控制栅极114)与阳极106电接触，从而延伸等离子体路径并完成阳极106和阴极108之间的电路。
图3是示出气体开关100(在图1示出)内离子行为的示意图。类似地，图4是示出气体开关100内的电压和离子能量分布之间的关系的图表400。更特别地，图表400示出第一曲线401和与常规气体开关相关联的第二曲线403，在第一曲线401中，根据本公开降低了阴极下落电压404，在第二曲线403中，阴极下落电压405未降低，并且离子冲击导致严重阴极溅射。
因此，在操作期间，并且主要参考第二曲线403，在阳极106和阴极108之间的电压402下降(也称为“正向电压降”)。正向电压降的值主要由气体的电离势和入射离子将从给定阴极材料释放电子的概率确定。如图3所示，为了保持导电等离子体，由入射离子从传导表面107射出的每个电子必须在气体中形成足够的新离子，以确保其中一个离子将返回到传导表面107以射出下一个电子。对于不同的气体类型和阴极材料组合，正向电压降的值的下限由每个电子形成足够数量的离子(通常在3至30个的范围内)的需要确定，并且不强烈依赖于磁场。
离子对传导表面107的冲击不仅可合乎需要地射出电子以维持导电等离子体，而且其还可不合乎需要地射出阴极材料的原子或分子，如图3所示，导致对阴极108的损坏，这限制了设备使用寿命。重要的是要注意，不合乎需要地溅射阴极材料的原子的概率在离子能量处于这里关注的能量范围(0-500eV)中时增加，而合乎需要地射出电子的概率在离子动能处于该相同能量范围中时仅轻微变化。
然而，如上所述，电压402不是在阳极106和阴极108之间的空间中均匀下降。相反，大部分电压402在传导表面107的预定距离内下降。具体地，“下落电压”404在传导表面107的“下落距离”304内下降，并且下落电压405在传导表面107的下落距离305内下降。有可能通过改变磁场的特性来改变下落电压404和/或下落距离304。
离子能量408的可能范围从零延伸至高达对应于正向电压降的值。存在离子能量408的分布(如图4所示)而不是单一离子能量的原因是离子在它们到达阴极108的路径上与气体原子碰撞，并且可将它们的大部分动能转移到气体原子，导致离子动能减少且到气体原子的热能增加，从而导致气体原子加热。这些能量转移碰撞的随机性质导致离子能量在传导表面107处的分布。如果存在能量充足离子的足够通量，那么传导表面107的大部分可在下落电压404的影响下通过(高能量)带电粒子(例如离子)撞击传导表面107而被快速“溅射”掉。如果传导表面107以这种方式被溅射，则就像许多现有系统的情况一样，气体开关100的寿命可能会减少到大约几小时或几天的传导阶段操作。
如参考图4所示，在传导表面107附近的区域中(例如，在传导表面107的下落距离304内)，离子能量的分布在下落电压404处达到峰值406，并且在大于下落电压404的电压处离子能量显著减少。
因此，为了减少溅射(并延长气体开关100的寿命)，可调整或改变由磁体的系统122产生的磁场，以减少撞击传导表面107的离子的动能。具体地，可改变磁场以调整以下之一或两者：(1)下落距离304和/或(2)下落电压404。
更特别地，随着下落距离304增加，在下落电压404和/或由磁体的系统122产生的磁场的影响下朝向传导表面107加速或“下落”的离子在其初始点和传导表面107之间经历更大量的粒子相互作用(例如，粒子碰撞)。每个粒子相互作用可减少与加速粒子相关联的动能，并且相应地减少由粒子引起的溅射损伤。类似地，可降低下落电压404，以减少作用在传导表面107附近的区域中的离子上的电动力。更特别地，随着将离子吸引到传导表面107的电动力减弱，离子速度(例如，动能)相应地降低，导致更少的溅射损伤和增加的阴极寿命。
因此，可对在气体开关100内产生的磁场进行各种调整，以减少对阴极108的溅射损伤。例如，可调整磁场以增加下落距离304，这可减缓朝向传导表面107加速的离子。同样，可调整磁场以降低下落电压404，导致对传导表面107的移动较慢(且损伤较小)的离子冲击。
在示例性实施例中，磁体的系统122(例如，磁体202-208)的几何形状可由以下等式确定，该等式将磁场B(y)表示为距磁体的系统122的距离y的函数。具体地，磁体的系统122的几何形状可基于以下等式选择，以调整下落距离304和/或下落电压404。
，其中M是每单位长度的偶极子强度，并且d是磁体中心线之间的距离。这个简单的表达式针对于磁体的无限阵列，在此情况下有可能以更直观的形式近似计算图2中位置A、B和C上方的磁场。磁场的计算机模型可用于获得针对特定磁体几何形状的更精确的三维结果。
上面的等式可重排(rearranged)，以确定距在其处磁场为最大的磁体的系统122的距离。此外，可从上面的等式确定最大磁场B(y max )。更特别地：
。
因此，磁体的系统122的几何形状可被修改或调整以改变磁场的位置和强度，这又可用于影响或控制下落距离304和/或下落电压404中的一者或两者。更特别地，可选择和/或选择性地定位一个或多个磁体202-208，以调整下落距离304，诸如通过调整在其处磁场为最大的位置或距离y。在示例性实施例中，增加的下落距离304与y的更大值相关联。同样，可选择和/或选择性地定位一个或多个磁体202-208来调整下落电压404。例如，下落电压404可通过改变最大磁场B(y max )的强度来调整，诸如通过改变磁体强度M和/或磁体202-208之间的距离d。在示例性实施例中，减小的下落电压404与磁体202-208之间的更大间距(例如，d的更大值)和/或更强的偶极磁体202-208(例如，更大的M值)的使用相关联。
因此，在一些实施例中，磁体的系统122布置成使得最大磁场B(y max )在100-1000高斯的范围内。此外，在至少一些实施例中，最大磁场强度出现在1-10毫米(mm)的范围内的距传导表面107的距离y处。然而，在其它实施例中，最大磁场强度出现在2-5毫米(mm)的范围内的距传导表面107的距离y处。参考上述最大磁场的位置y和磁体间距d之间的关系，并且考虑1mm厚的阴极108，磁体中心线之间的距离在一些实施例中可为7-38mm，并且在其它实施例中可为10-21mm。此外，在示例性实施例中，在传导表面107处的磁场值小于B(y max )。例如，在一些实施例中，在传导表面107处的磁场值小于0.5 * B(y max )。在另一个实施例中，在传导表面107处的磁场值小于0.2 * B(y max )。
因此，在各种实施例中，磁体的系统122被选择性地布置成在传导表面107附近产生磁场，该磁场减少撞击传导表面107的带电粒子的动能和/或将在传导表面107处的电流密度增加到技术上有用的水平(例如，大于大约0.1安培/厘米2，并且在一些情况下，大于1.0安培/厘米2)。
图5是示出制造气体开关100的示例性过程500的流程图。因此，在至少一个实施例中，提供气密外壳102(步骤502)，并且如上所述将阴极108和阳极106定位在气密外壳中(步骤504和506)。此外，磁体的系统122定位在阴极108附近，使得在操作期间撞击阴极108的传导表面107的带电粒子(例如，离子)的动能减少(步骤508)。最后，用可电离气体(诸如氢气、氦气和/或它们的任何组合)填充气密外壳102，并且气体开关100被密封以用于部署和操作(步骤510)。
因此，本公开的实施例涉及一种气体开关，其包括靠近阴极传导表面布置的磁体的系统。与磁体的系统相关联的一个或多个设计参数可在制造期间变化，以调整由磁体的系统产生的磁场的特性。例如，可调整最大磁场的位置和/或可调整最大磁场强度，诸如通过改变磁体的系统中偶极磁体之间的距离和/或偶极磁体自身的磁场强度。由于磁场的特性被调整，冲击阴极传导表面的带电粒子(例如离子)的动能(例如速度)降低，有利于减少传导表面上的溅射。
本文所述气体开关的示例性技术效果包括例如：(a)通过增加到阴极传导表面的下落距离，减少朝向阴极传导表面加速的带电粒子的动能；(b)通过减少在下落距离上下降的下落电压，减少朝向阴极传导表面加速的带电粒子的动能；(c)通过减少撞击表面的带电粒子的动能以及将阴极表面处的传导电流密度提高到技术上有用的水平，减少在阴极传导表面上的溅射；(d)减少由气体开关产生的废热；和(e)增加气体开关的寿命。
上文详细描述了气体开关和相关部件的示例性实施例。系统不限于本文所述的具体实施例，而是，系统的部件和/或方法的步骤可相对于本文所述的其它部件和/或步骤而单独地和独立地被使用。例如，本文描述的部件的配置也可与其它过程结合使用，并且不限于用如本文描述的系统和相关方法来实践。相反，可结合其中需要气体开关的许多应用来实施和利用示例性实施例。
尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中被示出，而在其它附图中没有被示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本公开的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本公开的实施例，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本文描述的实施例的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有无实质性差异的等效结构要素，则这些其它示例旨在处于权利要求书的范围内。
Claims (18)
1.一种气体开关，包括：
气密外壳，其包含可电离气体；
阳极，其设置在所述气密外壳内；
阴极，其设置在所述气密外壳内，所述阴极包括传导表面；
控制栅极，其定位在所述阳极和所述阴极之间，所述控制栅极布置成接收偏置电压以在所述阳极和所述阴极之间建立导电等离子体；和
多个磁体，其选择性地布置成在所述传导表面附近产生磁场，所述磁场减少撞击所述传导表面的带电粒子的动能；
其中，所述磁场从所述传导表面延伸至少一段距离，其中，所述磁场控制所述距离上的电压降，并且其中，所述多个磁体能够调整以实现i)增加所述距离和ii)减小所述距离上的所述电压降中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的气体开关，其中，所述气密外壳包含i)氢气、ii)氦气和iii)氢气和氦气的混合物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的气体开关，其中，所述阴极包括以下中的至少一种：i)钽；ii)钼；iii)钨；iv)镓；v)镓-铟；vi)镓-锡；vii)镓-铟-锡；viii)铝；和ix)不锈钢。
4.根据权利要求1所述的气体开关，其中，所述多个磁体包括围绕所述阴极的下表面周向布置的至少一个环形磁体。
5.根据权利要求1所述的气体开关，其中，所述多个磁体包括围绕所述阴极的下表面周向布置的多个同心布置的环形磁体和沿着开关轴线靠近所述阴极的所述下表面布置的中心磁体。
6.根据权利要求1所述的气体开关，其中，所述多个磁体进一步布置成使得所述磁场的最大磁场强度大于100高斯。
7.根据权利要求1所述的气体开关，其中，所述多个磁体进一步布置成使得所述磁场的最大磁场大于500高斯。
8.根据权利要求1所述的气体开关，其中，所述多个磁体进一步布置成使得所述磁场的最大磁场强度大于1,000高斯。
9.根据权利要求1所述的气体开关，其中，所述多个磁体进一步布置成使得所述磁场的最大磁场强度出现在距所述传导表面1-10毫米的范围内。
10.根据权利要求1所述的气体开关，其中，所述多个磁体进一步布置成使得在所述传导表面处的磁场的磁场强度小于最大磁场强度的一半。
11.一种气体开关，包括：
阳极；
阴极，其限定在所述阳极和所述阴极之间的内部容积；
可电离气体，其填充所述内部容积；和
磁体的系统，其设置在所述阴极附近，所述磁体的系统选择性地布置成产生磁场，所述磁场减少撞击所述阴极的带电粒子的动能；
其中，所述阴极包括传导表面，其中，所述磁场从所述传导表面延伸至少一段距离，其中，所述磁场控制所述距离上的电压降，并且其中，所述磁体的系统能够调整以实现i)增加所述距离和ii)减小所述距离上的所述电压降中的至少一者。
12.根据权利要求11所述的气体开关，其中，所述可电离气体包括i)氢气、ii)氦气和iii)氢气和氦气的混合物中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的气体开关，其中，所述阴极包括以下中的至少一种：i)钽；ii)钼；iii)钨；iv)镓；v)镓-铟；vi)镓-锡；vii)镓-铟-锡；viii)铝；和ix)不锈钢。
14.根据权利要求11所述的气体开关，其中，所述磁体的系统包括围绕所述阴极的下表面周向布置的至少一个环形磁体。
15.根据权利要求11所述的气体开关，其中，所述磁体的系统进一步布置成使得所述磁场的最大磁场强度大于100高斯。
16.根据权利要求11所述的气体开关，其中，所述磁体的系统进一步布置成使得所述磁场的最大磁场强度出现在距所述阴极的传导表面1-10毫米的范围内。
17.根据权利要求11所述的气体开关，其中，所述磁体的系统进一步布置成使得在所述阴极的传导表面处的磁场的磁场强度小于最大磁场强度的一半。
18.一种用于制造气体开关的方法，所述方法包括：
提供气密外壳；
将阴极定位在所述气密外壳内，所述阴极包括传导表面；
将阳极定位在所述气密外壳内；
选择性地将多个磁体定位在所述阴极附近，所述多个磁体布置成产生磁场，所述磁场在操作期间减少撞击所述阴极的所述传导表面的带电粒子的动能；和
用可电离气体填充所述气密外壳；
其中，所述磁场从所述传导表面延伸至少一段距离，其中，所述磁场控制所述距离上的电压降，并且其中，所述多个磁体能够调整以实现i)增加所述距离和ii)减小所述距离上的所述电压降中的至少一者。
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