CN112582884B - 一种基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，绝缘外壳内部的上下两侧分别设置有主电极，上下两侧的主电极之间设置有触发电极，触发电极内部设置有中间储能电容，中间储能电容连接有微孔毛细管结构，通过施加触发脉冲对中间储能电容进行快速充电，当触发脉冲幅值高于微孔毛细管结构的击穿电压时，中间储能电容通过微孔毛细管结构放电形成微等离子体射流，实现气体开关工作系数0.5以下，抖动小于1.5ns的触发击穿。本发明通过在场畸变气体开关的触发击穿过程中引入微等离子体射流，实现脉冲电压和等离子体射流的协同作用，可将开关的工作系数降低至0.5以下。

Description

一种基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构

技术领域

本发明属于脉冲功率开关技术领域，具体涉及一种采用微孔等离子体射流实现低工作系数低抖动触发的气体开关结构。

背景技术

气体开关由于具备性能稳定、工作电压高、通流能力强和调控方便等优点，在脉冲功率技术领域得到广泛应用。快直线型变压器脉冲功率驱动源(FLTD)是公认的下一代快Z箍缩驱动源中最有前景的技术路线，为获得高峰值功率，需要数十万只气体开关同步工作，这对开关提出了严苛的低工作系数和低触发抖动(＜2ns)要求，因此研究低工作系数下低抖动触发结构对于未来大型脉冲功率装置建设具有重要意义。

而当前气体开关一般采用场畸变气体开关，其工作系数一般高于0.7，无法满足FLTD低工作系数的要求。这严重制约了基于FLTD技术的大型脉冲功率装置建设。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种采用微孔等离子体射流实现低工作系数低抖动触发的气体开关结构，降低了第二间隙击穿时的电压，保证两间隙击穿时间间隔极短，实现FLTD用场畸变气体开关在低工作系数下低抖动击穿，对于场畸变气体开关在FLTD中大规模可靠应用具有重要工程价值。

本发明采用以下技术方案：

一种基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，包括绝缘外壳，绝缘外壳内部的上侧和下侧分别设置有主电极，两个主电极之间设置有触发电极，触发电极内部设置有中间储能电容，中间储能电容连接有微孔毛细管结构，通过施加触发脉冲对中间储能电容进行快速充电，当触发脉冲幅值高于微孔毛细管结构的击穿电压时，中间储能电容通过微孔毛细管结构放电形成微等离子体射流。

具体的，中间储能电容设置在触发电极外壳内，中间储能电容的中间设置有中间触发极，中间储能电容与中间触发极构成三明治结构。

进一步的，中间触发极的一侧与触发电极杆连接，触发电极杆的外侧设置有触发电极外套。

进一步的，微孔毛细管结构的一端与中间触发极连接，另一端与触发电极外壳连接。

具体的，微孔毛细管结构包括微孔毛细管，微孔毛细管采用无极非金属绝缘材料制成。

进一步的，微孔毛细管的长度为1～5mm，微孔孔径为50～500μm。

具体的，中间储能电容为陶瓷电容，电容值为500～10000pF。

具体的，主电极包括高压电极和低压电极，高压电极通过高压电极座与绝缘外壳连接，低压电极通过低压电极座与绝缘外壳连接。

进一步的，绝缘外壳与高压电极座和低压电极座之间分别通过金属螺栓形成密封连接。

进一步的，高压电极和低压电极上施加的电压大小相等，极性相反，电压值为10～200kV，充电电压与气体开关间隙自击穿电压的比值＜0.5，开关触发抖动＜1.5ns。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，纳秒触发脉冲首先作用在触发电极内部的中间储能电容，储能电容电压达到微孔毛细管击穿电压时形成放电产生微等离子体射流，触发电极和高压电极间形成的过压放电间隙在触发脉冲作用下导通，微等离子体射流在过压放电间隙导通前对触发极和低压电极形成的气体间隙形成场畸变和光电离作用，从而气体间隙的击穿电压，起到降低开关工作系数的目的；同时采用微等离子体结构，可保证极低能量下快速形成微等离子体射流，且射流头部尺寸小，有助于提高等离子体射流对间隙电场的畸变效果，缩短等离子体射流产生时间，降低场畸变气体开关在低工作系数下的触发击穿时延和抖动。

进一步的，采用中间储能电容结构，可在微孔毛细管结构击穿前储存较高的能量，该能量在微孔毛细管击穿后形成续流，可进一步增加微孔毛细管放电电流幅值，使得微孔毛细管击穿以后形成更强的等离子体射流喷出，降低过电压间隙的击穿电压。

进一步的，采用微等离子体放电结构，其优势在于形成等离子体射流所需能量在微焦耳量级，瞬时电流大，持续时间极短，可在纳秒级触发脉冲下快速形成等离子体射流，同时在过电压间隙击穿瞬间形成纳秒级电流脉冲可进一步电离毛细管，进一步可增加射流尺寸，极大的降低开关触发击穿时的工作系数。

进一步的，微等离子体射流形成的同时还可产生紫外至远紫外的光辐射，实现对过压击穿间隙的电离，快速形成大量初始有效电子确保过电压间隙迅速击穿。

进一步的，采用陶瓷或者石英玻璃等高熔点材料作为微孔毛细管的壁材，可以保证在放电过程中迅速将毛细管内的气体电离至高温，降低微孔等离子体射流形成的时间，从而加速对过电压放电间隙的畸变作用。

进一步的，微孔毛细管的长度在3～5mm，孔径为30～200μm，通过触发脉冲放电电流形成微等离子体射流。

进一步的，中间储能电容器容量在500～5000pF，通过触发脉冲放电电流形成微等离子体射流。

进一步的，绝缘外壳与高压电极座和低压电极座之间分别通过金属螺栓形成密封连接，可以确保气体开关在5.0Bar以上的气体压力下可靠工作，并能保持长期稳定不漏气。

进一步的，高压电极和低压电极上施加的电压大小相等，极性相反，可降低充电电压的幅值，有助于降低充电机的设计难度，提供工程应用可靠性。

综上所述，本发明通过在场畸变气体开关的触发击穿过程中引入微等离子体射流，实现脉冲电压和等离子体射流的协同作用，可将开关的工作系数降低至0.5以下，抖动＜2.0ns。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中：1.高压电极；2.低压电极；3.绝缘外壳；4.中间储能电容；5.微孔毛细管结构；6.触发电极外壳；7.触发电极杆；8.触发电极外套；9.中间触发极；10.微孔毛细管；11.高压电极座；12.低压电极座。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种采用微孔等离子体射流实现低工作系数低抖动触发的气体开关结构，采用纳秒触发脉冲能量通过微孔毛细管放电产生微等离子体射流，诱导后续气体间隙在低工作系数下击穿，在不影响触发脉冲过电压击穿第一级间隙的情况下提前对第二间隙进行畸变和预电离，从而大大降低第二间隙击穿时的电压，并能保证两间隙击穿时间间隔极短，从而实现FLTD用场畸变气体开关在低工作系数下低抖动击穿，这对于场畸变气体开关在FLTD中大规模可靠应用具有重要工程价值。

请参阅图1，本发明一种采用微孔等离子体射流实现低工作系数低抖动触发的气体开关结构，包括主电极、触发电极和绝缘外壳3，主电极设置在绝缘外壳3内部的上下两侧，触发电极设置在上下主电极之间，触发脉冲施加在中间触发极9上，通过中间触发电极9对中间储能电容4进行快速充电，当触发脉冲幅值高于微孔毛细管10的击穿电压时，中间储能电容4通过微孔毛细管10快速放电形成微等离子体射流，实现气体开关工作系数0.5以下，抖动小于1.5ns的触发击穿过程。

主电极包括高压电极1和低压电极2，高压电极1与高压电极座11，以及低压电极2和低压电极座12构成高低压主电极部分。

绝缘外壳3与高压电极座11和低压电极座12通过金属螺栓形成密封连接，确保开关内部充约1Mpa的压力不漏气。

触发电极包括中间储能电容4、微孔毛细管结构5、触发电极外壳6、触发电极杆7、触发电极外套8和中间触发极9，触发电极外壳6设置在绝缘外壳3的中部，位于高压电极1和低压电极2之间，触发电极外壳6内部设置有中间触发极9，中间触发极9的上下两侧分别设置有中间储能电容4构成三明治结构，下侧的中间储能电容4内设置有微孔毛细管结构5，中间触发极9的一侧与触发电极杆7连接，触发电极杆7的外侧设置有触发电极外套8。

中间储能电容4为陶瓷电容，电容值为500～10000pF。

微孔毛细管结构5包括微孔毛细管10，微孔毛细管10的一端与中间触发极9连接，另一端与触发电极外壳6连接，微孔毛细管10采用非产气材料陶瓷、玻璃等无极非金属绝缘材料，长度为1～5mm，微孔孔径为50～500μm。

触发电极外套8为绝缘材料，通过体绝缘避免触发脉冲直接作用于触发电极外壳6。

本发明一种采用微孔等离子体射流实现低工作系数低抖动触发的气体开关结构在工作过程中，高压电极上施加正的直流高压，低压电极上施加负的直流高压，二者电压值大小相同，极性相反；纳秒级上升前沿的负触发脉冲施加在触发电极杆7上，触发脉冲对中间储能你电容4充电，当触发脉冲值超高微孔毛细管10的击穿电压时，中间储能电容4上存储的能量迅速通过毛细管放电在触发电极外壳6与低压电极2之间产生微等离子体射流，畸变间隙电场，同时触发电极外壳6的电压被迅速拉低至负电压，当超过高压电极1和触发电极外壳6之间气体间隙的击穿电压时迅速击穿，之后触发电极外壳6和低压电极2之间的气体间隙在较高的电压差和微等离子体射流共同作用下击穿，最终形成气体开关的导通。

微孔等离子体射流的形成由于不需要较高的能量、且形成时间短，非常适合与气体开关纳秒级时间抖动和低工作电压系数的需求。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

FLTD采用正负极性充电，通过降低放电回路电感产生纳秒级大电流脉冲，采用多路同步并联输出时，需要电流脉冲产生的时刻精确同步，实现功率峰值的叠加。

采用三电极场畸变气体开关作为其主放电支路开关，充电电压为±80kV,高压脉冲电容器容量为100nF，通过单支路放电产生的电流脉冲前沿为120ns，峰值电流40kA，峰值功率5GW。为提高多个支路并联运行时的触发一致性，采用本发明装置所提出的开关结构，可将开关的工作系数从0.66降低至0.50，同时触发抖动保持在1.5ns以内，有效提高了气体开关的工作可靠性，

实施例2

石墨电极气体开关由于具备通流能力强，耐烧蚀的优点，广泛应用于大库伦转移量放电场合，如电磁发射、强激光脉冲功率源以及磁驱动等熵压缩等领域。但在大电流下，石墨电极烧蚀严重，导致电极表面粗糙度较高，微观凸起或尖端极易在较高电压下形成场强集中而形成初始电子发射，这使得石墨电极气体开关的自击穿电压分散性大，自击穿概率偏高。因此为确保开关低自击穿概率，要求开关工作系数必须低于0.5，这对开关触发提出了非常严苛的要求。为了实现石墨电极气体开关在低工作系数下的可靠工作，可采用本发明装置所提出的开关结构，通过内置微孔触发结构形成微等离子体射流实现开关在低工作系数下的触发击穿。在石墨气体开关工作电压23kV的情况下，通过采用本触发结构，可将石墨电极气体开关可靠触发击穿的工作系数降低至0.3，有效提高了石墨电极气体开关的工作电压范围，简化了石墨电极气体开关触发系统的复杂性。

综上所述，本发明一种基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，可以在极低的工作系数下实现气体开关低抖动触发击穿，并能大大降低开关触发系统的复杂性，显著提升气体开关的工作性能，扩展了气体开关的应用范围。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，其特征在于，包括绝缘外壳(3)，绝缘外壳(3)内部的上侧和下侧分别设置有主电极，两个主电极之间设置有触发电极，触发电极内部设置有中间储能电容(4)，中间储能电容(4)连接有微孔毛细管结构(5)，通过施加触发脉冲对中间储能电容(4)进行快速充电，当触发脉冲幅值高于微孔毛细管结构(5)的击穿电压时，中间储能电容(4)通过微孔毛细管结构(5)放电形成微等离子体射流；

中间储能电容(4)设置在触发电极外壳(6)内，中间储能电容(4)的中间设置有中间触发极(9)，中间储能电容(4)与中间触发极(9)构成三明治结构；

微孔毛细管结构(5)包括微孔毛细管(10)，微孔毛细管(10)采用无极非金属绝缘材料制成；

主电极包括高压电极(1)和低压电极(2)，高压电极(1)通过高压电极座(11)与绝缘外壳(3)连接，低压电极(2)通过低压电极座(12)与绝缘外壳(3)连接。

2.根据权利要求1所述的基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，其特征在于，中间触发极(9)的一侧与触发电极杆(7)连接，触发电极杆(7)的外侧设置有触发电极外套(8)。

3.根据权利要求1所述的基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，其特征在于，微孔毛细管结构(5)的一端与中间触发极(9)连接，另一端与触发电极外壳(6)连接。

4.根据权利要求1所述的基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，其特征在于，微孔毛细管(10)的长度为1～5mm，微孔孔径为50～500μm。

5.根据权利要求1所述的基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，其特征在于，中间储能电容(4)为陶瓷电容，电容值为500～10000pF。

6.根据权利要求1所述的基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，其特征在于，绝缘外壳(3)与高压电极座(11)和低压电极座(12)之间分别通过金属螺栓形成密封连接。

7.根据权利要求1所述的基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，其特征在于，高压电极(1)和低压电极(2)上施加的电压大小相等，极性相反，电压值为10～200kV，充电电压与气体开关间隙自击穿电压的比值＜0.5，开关触发抖动＜1.5ns。

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