CN112332219A - 高电压交叉场气体开关及操作方法 - Google Patents

Abstract

一种高电压气体开关包括气密外壳，该气密外壳包含在预选气体压力处的可电离气体。气体开关包括气密外壳，该气密外壳包含在基于可电离气体的帕邢曲线选择的气体压力处的可电离气体，其中帕邢曲线绘制随气体压力乘以栅极到阳极距离而变化的、可电离气体的击穿电压，并且其中气体压力乘以栅极到阳极距离的值在帕邢曲线的至少一部分上连同击穿电压增加而增加。气体开关还包括设置在气密外壳内的阳极、设置在气密外壳内的阴极、以及定位在阳极和阴极之间的控制栅极，其中控制栅极以基于期望的操作电压选择的栅极到阳极距离与阳极间隔开。

Description

高电压交叉场气体开关及操作方法

关于联邦资助研发的声明

本发明在能源部能源高级研究计划局授予的合同号DE-AR0000298下利用政府的支持完成。政府在本发明中拥有某些权利。

技术领域

本公开的领域大体上涉及高电压交叉场气体开关，并且更特别地涉及能够基于栅极到阳极距离和开关内气体压力的选择在高电压处操作的交叉场气体开关。

背景技术

诸如平面交叉场气体开关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包封的电极组件，诸如与阳极间隔开的阴极。气密腔室填充有可电离气体，并且电压施加于设置在阳极和阴极之间的控制栅极，以在它们之间启动等离子体路径。在存在施加于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。等离子体传导路径可通过反向偏置控制栅极来终止，使得从阳极流动至阴极的电流被控制栅极(以及伴随的电路)瞬时抽出，以使气体再次变得绝缘。因此，在存在输入电压和传导等离子体的情况下，装置起作用为充气开关或“气体开关”。

与至少一些已知气体开关相关联的缺点包括大约160千伏(kV)的操作上限。具体地，许多普通气体开关并未设计用于160kV以上的操作，并且对于在诸如例如在数百千伏范围内操作的配电系统的高压电力系统中的大规模长期实施而言不倾向于是可行的。

发明内容

在一个方面，提供一种高电压气体开关。气体开关包括气密外壳，该气密外壳包含在基于可电离气体的帕邢曲线选择的气体压力处的可电离气体，其中帕邢曲线绘制随气体压力乘以栅极到阳极距离而变化的、可电离气体的击穿电压，并且其中气体压力乘以栅极到阳极距离的值在帕邢曲线的至少一部分上连同击穿电压增加而减小。气体开关还包括设置在气密外壳内的阳极、设置在气密外壳内的阴极、以及定位在阳极和阴极之间的控制栅极，其中控制栅极以基于期望的操作电压选择的栅极到阳极距离与阳极间隔开。

在另一个方面，提供一种高电压交叉场气体开关。气体开关包含在预选气体压力处的可电离气体。基于气体开关的电极之间的距离和可电离气体的帕邢曲线选择预选气体压力，其中帕邢曲线绘制随电极之间的距离乘以气体压力而变化的可电离气体的击穿电压，并且电极之间的距离乘以气体压力的值在帕邢曲线的一部分上连同击穿电压增加而减小。

在又一个方面，提供一种高电压气体开关。气体开关包括气密外壳，该气密外壳包含在0.01至1.0托的范围内的气体压力处的可电离气体，其中气体压力基于可电离气体的帕邢曲线选择。气体开关还包括设置在气密外壳内的阳极、设置在气密外壳内的阴极、以及定位在阳极和阴极之间的控制栅极，其中控制栅极以在2.0至15.0厘米(cm)的范围内的栅极到阳极距离与阳极间隔开，并且其中栅极到阳极距离基于期望的操作电压选择。

技术方案1. 一种高电压气体开关，包括：

气密外壳，其包含在基于可电离气体的帕邢曲线选择的气体压力处的所述可电离气体，其中所述帕邢曲线绘制随气体压力乘以栅极到阳极距离而变化的、所述可电离气体的击穿电压，并且其中气体压力乘以栅极到阳极距离的值在所述帕邢曲线的至少一部分上连同击穿电压增加而增加；

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；以及

控制栅极，其定位在所述阳极和所述阴极之间，所述控制栅极以基于期望的操作电压选择的栅极到阳极距离与所述阳极间隔开。

技术方案2. 根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，气体压力乘以栅极到阳极距离的值在所述帕邢曲线的超过阈值击穿电压的一部分上增加。

技术方案3. 根据技术方案2所述的气体开关，其特征在于，所述阈值击穿电压为近似300千伏(kV)。

技术方案4. 根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述栅极到阳极距离在2至15厘米(cm)的范围内。

技术方案5. 根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述气密外壳包含氦。

技术方案6. 根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述栅极到阳极距离选择成防止在所述期望的操作电压处在所述阳极和所述控制栅极之间的真空击穿。

技术方案7. 根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述气体压力选择成防止在所述期望的操作电压处在所述阳极和所述控制栅极之间的气体击穿。

技术方案8. 根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述控制栅极包括穿孔的导电表面。

技术方案9. 根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述阴极包括i)镓、ii)镓合金、iii)铟、iv)锡、v)铝、钨、钼和钽中的至少一种。

技术方案10. 根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述气体开关能够在50至1000千伏(kV)的范围内操作。

技术方案11. 一种高电压交叉场气体开关，其包含在基于以下选择的气体压力处的可电离气体：

所述气体开关的电极之间的距离；和

所述可电离气体的帕邢曲线，其中所述帕邢曲线绘制随电极之间的距离乘以气体压力而变化的、所述可电离气体的击穿电压，并且其中电极之间的距离乘以气体压力的值在所述帕邢曲线的一部分上连同击穿电压增加而增加。

技术方案12. 根据技术方案11所述的气体开关，其特征在于，电极之间的所述距离是阳极和与所述阳极间隔开的控制栅极之间的距离。

技术方案13. 根据技术方案11所述的气体开关，其特征在于，气体压力乘以电极之间的距离的值在所述帕邢曲线的超过阈值击穿电压的一部分上增加。

技术方案14. 根据技术方案13所述的气体开关，其特征在于，所述阈值击穿电压为近似300千伏(kV)。

技术方案15. 根据技术方案11所述的气体开关，其特征在于，电极之间的所述距离在2至15厘米(cm)的范围内。

技术方案16. 根据技术方案11所述的气体开关，其特征在于，所述可电离气体是氦。

技术方案17. 根据技术方案11所述的气体开关，其特征在于，电极之间的所述距离选择成防止在所述期望的操作电压处在第一电极和第二电极之间的真空击穿。

技术方案18. 根据技术方案11所述的气体开关，其特征在于，所述预选气体压力选择成防止在所述期望的操作电压处在第一电极和第二电极之间的气体击穿。

技术方案19. 根据技术方案11所述的气体开关，其特征在于，所述气体开关能够在50至1000千伏(kV)的范围内操作。

技术方案20. 一种高电压气体开关，包括：

气密外壳，其包含在0.01至1.0托的范围内的气体压力处的可电离气体，所述气体压力基于所述可电离气体的帕邢曲线选择；

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；以及

控制栅极，其定位在所述阳极和所述阴极之间，所述控制栅极以在2至15厘米(cm)的范围内的栅极到阳极距离与所述阳极间隔开，所述栅极到阳极距离基于期望的操作电压选择。

附图说明

当参照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，在该附图中，相似的标记遍及附图表示相似的部件，其中：

图1是示例性高电压交叉场气体开关的截面视图；

图2示出多种可电离气体的多条示例性帕邢曲线，其中每条帕邢曲线终止于160千伏；

图3示出氦气的示例性帕邢曲线，其中帕邢曲线延伸至1000千伏；和

图4是示出制造图1处所示的气体开关的示例性过程的流程图。

除非另外指出，否则本文中提供的附图旨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。就此而言，附图并不意味着包括本领域技术人员已知的、实施本文中公开的实施例所需的所有常规特征。

部件列表

100 气体开关

102 气密外壳

104 开关轴线

106 阳极

107 传导表面

108 阴极

109 下表面

110 保活栅极

112 栅极到阴极间隙

114 控制栅极

116 栅极到阳极间隙

118 引线

120 传导环

150 偏置电压源

170 上圆柱形部分

172 下圆柱形部分

174 上金属环

176 下金属环

178 上安装环

180 下安装环

190 栅极到阳极距离

192 中心区域

194 周边

202 第一帕邢曲线

204 第二帕邢曲线

206 第三帕邢曲线

208 第四帕邢曲线

302 帕邢曲线

304 阈值击穿电压。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求中，将参照一定数量的用语，其应当限定为具有以下意义。

单数形式"一"、"一个"和"该"包括复数参照，除非上下文另外清楚地指出。

"可选"或"可选地"意思是随后描述的事件或情形可或可不发生，并且描述包括其中事件发生的情况，以及其中其不发生的情况。

如本文中遍及说明书和权利要求使用的近似语言可应用于修饰可在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下可容许地改变的任何数量表达。因此，由用语或多个用语如"大约"和"大致"修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。此处和遍及说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换；此类范围被识别并且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。

如本文中使用的，诸如“下面”、“下方”、“以下”、“较低”、“较高”、“上方”、“以上”等的空间上相对的用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。将理解的是，此类空间上相对的用语旨在涵盖本文中描述的元件和特征在操作中以及除了图中描绘的方位之外的不同方位。例如，如果图中的元件或特征被翻转，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”、“以下”或“下面”的示例性用语可涵盖上方和下方两者的方位，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方位。

如本文中使用的，“真空击穿”是指气体开关内的状态，在该状态下，在由气体开关的正电极(诸如阳极)产生的静电场的影响下，电子从气体开关的负电极(诸如阴极和/或控制栅极)的表面发射。具体地，真空击穿由于在通过在正电极上施加操作电压而产生的足够强的静电场的影响下由负电极的电子的场发射而发生。如本文中描述的，真空击穿可通过将正电极(或阳极)与负电极(诸如控制栅极)分开预选栅极到阳极距离来减少或消除。

如本文中使用的，“气体击穿”是指气体开关内的状态，在该状态下，施加在气体开关的阳极上的操作电压超过将阳极与气体开关的控制栅极分开的可电离气体的击穿电压。如本文中描述的，气体击穿可通过选择气体开关内的适当气体压力连同选择的栅极到阳极距离来减少或消除。

本公开的实施例涉及在高电压(诸如例如在50至1000千伏(kV)范围内的电压)下操作的气体开关。气体开关包括阳极和控制栅极，该控制栅极设置在阳极和阴极之间，并且以预选栅极到阳极距离与阳极间隔开。具体地，栅极到阳极距离基于期望的操作或击穿电压选择成防止阳极和控制栅极之间的真空击穿。气体开关还填充有诸如氦的可电离气体，并且气体压力基于可电离气体的帕邢曲线预选择。特别地，帕邢曲线绘制随栅极到阳极距离乘以气体压力而变化的、可电离气体的击穿电压。这些值的乘积称为“压力-距离乘积”或“PDP”，并且PDP连同选择的栅极到阳极距离和操作电压使用，以识别合适的气体压力。

图1是示例性高电压交叉场气体开关100(或“气体开关”)的截面视图。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，其包封并且密封本文中描述的各种开关构件。开关轴线104延伸穿过气密外壳102并且相对于气密外壳102被限定。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，传导环120可插入和/或密封在气密外壳102的上部分和下部分之间，而不影响气密外壳102的气密性和/或绝缘性质。

例如，在一些实施例中，气密外壳102包括上圆柱形部分170和下圆柱形部分172，其中上圆柱形部分170和下圆柱形部分172被传导环120分开并且通过传导环120机械联接。因此，在至少一些实施例中，气密外壳102由上圆柱形部分170和下圆柱形部分172组成，其中传导环120夹在它们之间。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于阳极(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于阴极(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包绕，并且下金属环176可被下安装环180包绕，它们中的每一个可便于气密外壳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)，并且设置成相对于阳极106基本上平行。阴极108包括诸如传导表面107的上表面和下表面109。如本文中描述的，阴极108不需要是完全平面的。例如，在一些实施例中，阴极108包括起伏或波纹状的传导表面107。然而，在其它实施例中，传导表面107是平滑的平面表面。类似地，在示例性实施例中，阳极106包括至少一个平面和/或基本上平面的表面；然而，在其它实施例中，阳极106也可包括一个或多个非平面表面。此外，气体开关100的一些实施例用同心布置的阳极-阴极对代替图1处描绘的平面阳极和阴极。在一些实施例中，阴极108可包括任何合适的材料成分，诸如例如但不限于i)镓、ii)镓合金、iii)铟、iv)锡、v)铝、vi)钨、vii)钼和vii)钽中的任何一种。

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，并且限定栅极到阴极间隙112，栅极到阴极间隙112可填充有具有低原子质量的可电离气体，诸如氦气、氢气，或氢和氦的混合物，诸如达到在0.01至1.0托的范围内的预选气体压力(如下所述)。例如，栅极到阴极间隙112可从诸如氦储存贮存器(未示出)的气体储存贮存器填充。在各种实施例中，气密外壳102内只存在一个内部气体容积，使得栅极到阴极间隙112中的气体与栅极到阳极间隙116(如下所述)中的气体完全连通。具体地，气密外壳102的整个内部容积可用可电离气体填充到预选气体压力。

此外，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，该多个穿孔、孔口或孔尺寸确定成容许电离的气体(例如，等离子体)和电子流动穿过其。

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，并且限定栅极到阳极间隙116(或“高电压间隙”)。如所示，栅极到阳极间隙116包括预选的间隙长度或“栅极到阳极距离”190，其可基于气体开关100的期望操作或击穿电压选择(如本文中描述的)。特别地，预选的栅极到阳极距离190可选择成防止当气体开关100处于断开状态时，在特定操作电压下控制栅极114和阳极106之间的真空击穿。在各种实施例中，预选的栅极到阳极距离190在2至15厘米(cm)的范围内。此外，在至少一些实施例中，预选的栅极到阳极距离190在3至10cm的范围内。

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包括基本上平面的中心区域192，基本上平面的中心区域192包括多个穿孔、孔口或孔，该多个穿孔、孔口或孔尺寸确定成容许电离的气体(例如，等离子体)和电子流动穿过其。

此外，在至少一些实施例中，控制栅极114包括成轮廓或成形的周边194。例如，周边194可基本上遵循或符合阳极106(例如，阳极106的周边)的形状。周边194的形状选定成以便阻止可在开关断开期间从控制栅极的表面溅射的材料输送沉积在绝缘体上并降低绝缘体性能。形状进一步选择成使中心区域192的直径和/或表面面积最大化，诸如例如使气体开关100内的电流流动最大化。

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(或“电源”)布置成向KA栅极110提供偏置电压。类似地，传导环120安装在气密外壳102内(例如，如上所述)，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，使得传导环120布置成向控制栅极114提供偏置电压。

在操作中，在阳极106上施加50至1000千伏(kV)范围内的操作电压。在存在操作电压的情况下，气体开关100能够“断开”和“闭合”，以选择性地容许电流在阳极106和阴极108之间流动。更特别地，在“断开”状态下，电流被防止在阳极106和阴极108之间流动，并且在“闭合”状态下，电流从阳极106流动到阴极108。为了断开气体开关100，在控制栅极114上施加反向偏置电压，诸如-100至-3000伏范围内的反向偏置电压。类似地，为了闭合气体开关100，在控制栅极114上施加正向偏置电压，诸如+100至+3000伏范围内的正向偏置电压。然而，在其它实施例中，几伏的高于电子温度的任何正向偏置电压可足以闭合气体开关100。

当气体开关100闭合时，包含在开关100内的可电离气体电离，以在阳极106和阴极108之间形成传导等离子体，其中传导等离子体便于阳极106和阴极108之间的电流的传导。此外，在闭合状态下，气体开关100可以多种模式操作，诸如例如低正向电压降模式。然而，与传导等离子体的形成以及低正向电压降模式相关的物理过程对理解本公开而言并不重要；尽管如此，可参照2018年1月2日提交且标题为“LOW VOLTAGE DROP, CROSS-FIELD, GASSWITCH AND METHOD OF OPERATION”的美国专利申请No. 15/860,225获得额外的细节，其由此通过引用以其整体被并入。

相反，在断开状态下，气体开关100必须保持或“隔离”阳极106上的所有操作电压。如本文中使用的，“隔离”电压是可在阳极106和控制栅极114之间的电介质阻挡层击穿之前施加在阳极106上的最大电压，并且气体开关100可被称为能够“隔离”小于隔离或击穿电压的任何操作电压。换句话说，用语“隔离电压”与用语“击穿电压”同义，并且是指当气体开关100断开时阳极106上可保持的最大电压(即，在不引起从阳极106到阴极108的电弧放电的情况下)。此外，当气体开关100断开时，阳极106和阴极108之间形成的任何传导等离子体被终止(或被防止形成)，使得防止电流在阳极106和阴极108之间流动。

因此，气体开关100大体上能够隔离阳极106上的任何电压，其不导致阳极106和控制栅极114之间的电介质击穿。更特别地，气体开关100能够隔离不导致阳极106和控制栅极114之间的真空击穿和/或气体击穿(如上所述)的操作电压。

为了防止真空击穿，栅极到阳极距离190可选择(或“预选择”)为随期望的操作电压而变化。具体地，合适的栅极到阳极距离190选择成防止在期望的操作电压处在阳极106和控制栅极114之间的真空击穿。更特别地，较大的操作电压需要较大的栅极到阳极距离190，用于防止真空击穿(例如，因为较大的电压可在较大的距离上电弧放电)。就此而言，栅极到阳极距离190可增加和/或减少成分别增加和/或减少气体开关100的隔离或击穿电压。

类似地，可通过为气体开关100内包含的可电离气体选择(或“预选择”)适当的气体压力来防止气体击穿。具体地，合适的气体压力选择成防止在期望的操作电压处在阳极106和控制栅极114之间的气体击穿。此外，选择的气体压力可降低成隔离较高电压，并且增加成隔离较低电压。物理上，较低气体压力容许气体开关100隔离较高操作电压，因为传导介质(即，可电离气体)在较低气体压力处密度较低。

因此，气体开关100的击穿或隔离电压随两个参数(气体压力和栅极到阳极距离190)而变。具体地，击穿电压随气体压力(P_g)乘以栅极到阳极距离190 (d_GA)而变。该乘法(P_g×d_GA)的乘积可称为“压力-距离乘积”或“PDP”。气体开关100的击穿电压可绘制为关于所谓的“帕邢曲线”随PDP而变。

图2示出多种可电离气体的多条已知帕邢曲线。特别地，示出针对二氧化碳气体(CO₂)的第一帕邢曲线202，示出针对氧气(O₂)的第二帕邢曲线204，示出针对空气的第三帕邢曲线206，并且示出针对氮气(N₂)的第四帕邢曲线208。氦的帕邢曲线在图2处未示出；然而，如下面参照图3详细描述的，氦的帕邢曲线类似于二氧化碳、氧、空气和氮的帕邢曲线，其中氦的曲线对于低于近似160kV的PDP的减小值而言单调地增加。

如所示，一定范围的击穿电压绘制在y轴上，并且一定范围的压力-距离乘积绘制在x轴上。每条帕邢曲线202-208左侧的区域与标称操作电压(或非击穿电压)相关联，并且每条帕邢曲线202-208右侧的区域与击穿电压相关联。因此，帕邢曲线202-208左侧(或“下方”)的PDP和操作电压的任何组合可选择成防止气体开关100内的电介质击穿(例如，真空和气体击穿)。

图2处描绘的帕邢曲线不延伸超过160kV。宽泛地，这是因为在0-160kV范围内的每个曲线202-208的形状(例如，随着PDP的减小而单调地增加)表明PDP值在击穿电压增加超过160kV时仅减小，并且基于该假设，先前开发高电压气体开关的努力失败。具体地，先前的努力失败，因为较高击穿电压总是需要较大栅极-阳极间隙190 (d_GA)，这意味着，基于上面的PDP公式(即，PDP= P_g×d_GA)，气体压力(P_g)必须降低以适应较高隔离电压。然而，在160kV范围内的击穿电压附近出现压力下限，超过该击穿电压，即使在需要时，气体开关100内的气体压力也完全不足以闭合开关100。结果，常规地没有为在大于近似160kV的操作电压处的可电离气体(包括氦)绘制帕邢曲线(例如，因为认为在大于160kV的电压处，满足PDP公式所需的气体压力将为不可行地低的)。

然而，如现在参照图3所示，发明人确定氦的帕邢曲线302的形状仅单调地增加到近似300kV的阈值击穿电压304, V_T。超过阈值击穿电压304，帕邢曲线转向右边，并且PDP值连同击穿电压增加而增加。换句话说，发明人确定，PDP值实际上可选择用于气体开关100在超过160kV的操作电压处的操作，因为PDP值在近似300kV以上意外地增加。

具体地，帕邢曲线302指示PDP值的存在，该PDP值足够大以在扩大的操作电压范围内(诸如例如在50至1000kV的范围内)可靠地实施气体开关100。尽管没有示出其它可电离气体(例如氢)的帕邢曲线，但是发明人相信这些其它帕邢曲线中的至少一些(例如曲线202-208、氢的曲线等)可以以类似于氦的帕邢曲线302的方式表现。

因此，图4是示出制造气体开关100(图1处所示)的示例性过程400的流程图。在示例性实施例中，提供气密外壳102(步骤402)，阳极106定位在气密外壳内(步骤404)，并且阴极108定位在气密外壳102内(步骤406)。此外，控制栅极114定位在气密外壳102内。具体地，控制栅极114以离阳极106的预选栅极到阳极距离190定位(步骤408)。如本文中描述的，预选栅极到阳极距离190基于期望的操作电压选择，使得气体开关100能够在断开状态下隔离期望的操作电压。栅极到阳极距离设置得足够大，以便避免真空击穿。

一旦选择(或预选择)期望的操作电压和栅极到阳极距离190，气密外壳102就用诸如氦的可电离气体填充到预选的气体压力(步骤410)。基于帕邢曲线302(或另一种可电离气体的扩展帕邢曲线)选择气体压力。更特别地，通过识别帕邢曲线302上的期望操作和/或击穿电压来选择气体压力。识别的电压对应于PDP值，并且气体压力可从PDP值和在步骤408处识别的预选栅极到阳极距离190来计算。具体地，以上所述PDP公式(即，PDP = P_g×d_GA)可重新排列如下，以在选择的击穿电压和栅极到阳极距离190处给出必要的气体压力：P_g =PDP/d_GA。总而言之，并且一般来说，在将栅极到阳极距离190设置得足够大以避免真空击穿并且将预选气体压力设置得足够低以避免气体击穿之后，气密外壳102用选择的可电离气体填充到预选气体压力，然而，确保存在足够量的可电离气体以允许气体开关100闭合，如上所述。换句话说，必要的是确保预选气体压力不如此低，以致不足量的可电离气体被利用。

因此，本公开的实施例涉及能够在高电压(诸如例如在50至1000千伏(kV)范围内的电压)处操作的气体开关。气体开关包括阳极、与阳极间隔开的阴极以及控制栅极，该控制栅极设置在阳极和阴极之间，并且以预选的栅极到阳极距离与阳极间隔开。具体地，栅极到阳极距离基于期望的操作和/或击穿电压选择成防止阳极和控制栅极之间的真空击穿。气体开关还填充有诸如氦的可电离气体，并且气体压力基于可电离气体的帕邢曲线来预选择。特别地，帕邢曲线绘制随栅极到阳极距离乘以气体压力变化的、可电离气体的击穿电压。这些值的乘积称为“压力-距离乘积”或“PDP”，并且PDP与选择的栅极到阳极距离和操作电压结合使用，以识别合适的气体压力。

本文中描述的气体开关的示例性技术效果包括例如：(a) 在诸如从50kV到1000kV的范围内的电压的高电压处操作；(b)基于期望的操作电压选择栅极到阳极距离；以及(c)选择不如此低以致于实施起来不可行的气体压力。

上文详细描述气体开关和相关构件的示例性实施例。系统不限于本文中描述的具体实施例，而是，系统的构件和/或方法的步骤可独立于本文中描述的其它构件和/或步骤且与本文中描述的其它构件和/或步骤分开利用。例如，本文中所述的构件的构造还可与其它过程组合使用，并且不限于以如本文中描述的系统和相关方法来实践。相反地，示例性实施例可结合其中期望气体开关的许多应用来实施和利用。

尽管本公开的各种实施例的特定特征可在一些附图中示出并且在其它附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合来参照和/或要求权利。

该书面的描述使用实例以公开本公开的实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本公开(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本文中描述的实施例的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种高电压气体开关，包括：

气密外壳，其包含在基于可电离气体的帕邢曲线选择的气体压力处的所述可电离气体，其中所述帕邢曲线绘制随气体压力乘以栅极到阳极距离而变化的、所述可电离气体的击穿电压，并且其中气体压力乘以栅极到阳极距离的值在所述帕邢曲线的至少一部分上连同击穿电压增加而增加；

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；以及

控制栅极，其定位在所述阳极和所述阴极之间，所述控制栅极以基于期望的操作电压选择的栅极到阳极距离与所述阳极间隔开。

2.根据权利要求1所述的气体开关，其特征在于，气体压力乘以栅极到阳极距离的值在所述帕邢曲线的超过阈值击穿电压的一部分上增加。

3.根据权利要求2所述的气体开关，其特征在于，所述阈值击穿电压为近似300千伏(kV)。

4.根据权利要求1所述的气体开关，其特征在于，所述栅极到阳极距离在2至15厘米(cm)的范围内。

5.根据权利要求1所述的气体开关，其特征在于，所述气密外壳包含氦。

6.根据权利要求1所述的气体开关，其特征在于，所述栅极到阳极距离选择成防止在所述期望的操作电压处在所述阳极和所述控制栅极之间的真空击穿。

7.根据权利要求1所述的气体开关，其特征在于，所述气体压力选择成防止在所述期望的操作电压处在所述阳极和所述控制栅极之间的气体击穿。

8.根据权利要求1所述的气体开关，其特征在于，所述控制栅极包括穿孔的导电表面。

9.根据权利要求1所述的气体开关，其特征在于，所述阴极包括i)镓、ii)镓合金、iii)铟、iv)锡、v)铝、钨、钼和钽中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的气体开关，其特征在于，所述气体开关能够在50至1000千伏(kV)的范围内操作。

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