CN114243454A - 一种自击穿气体开关及脉冲功率装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自击穿气体开关及脉冲功率装置，该自击穿气体开关包括第一电极和第二电极，所述第一电极具有第一端部，在所述第一端部上设置有第一凹槽；所述第二电极具有第二端部，在所述第二端部上设置有第二凹槽；其中，所述第一电极和所述第二电极相对设置，在所述第一电极和所述第二电极之间存在间隙，所述间隙位于所述第一端部和所述第二端部之间。本发明的可用于脉冲功率装置自击穿气体开关，通过在两电极的端部开设凹槽，增加了两电极间电场的不均匀系数，使得电极之间电场分布不均匀，增加了局部电场强度，促使两电极放电导通，由此提高了开关击穿时两电极间电压的稳定性。

Description

一种自击穿气体开关及脉冲功率装置

技术领域

本发明涉及自击穿气体开关，尤其涉及一种可用于脉冲功率装置的场增强型高压气体开关。

背景技术

在脉冲功率装置中，常用高压自击穿气体开关作为放电开关。这种开关的工作电压一般在几百千伏到兆伏级，击穿时间一般在纳秒级到微秒级。由于脉冲施加时间短，外触发很难与开关击穿时刻同步，因此，这类开关通常为自击穿开关。

自击穿开关的结构一般为两个金属电极相对，其中一个为高压电极，另一个为接地电极，两电极中间留有气体间隙，当脉冲电压逐渐提升，达到间隙击穿电压时，两电极之间形成击穿通道，开关导通。由于没有外触发的干预，开关导通时两电极间的电压存在较大的分散性和随机性，在实际使用过程中，这种分散性和随机性会严重影响脉冲功率装置输出脉冲波形的稳定性。因此，如何提升高压自击穿气体开关导通时电压的稳定性是脉冲功率装置研究的重要内容之一。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明一实施方式旨在提供一种用于脉冲功率装置的自击穿气体开关，用以解决自击穿气体开关导通时电压的稳定性问题。

一方面，本发明一实施方式提供了一种自击穿气体开关，包括：

第一电极，具有第一端部，在所述第一端部上设置有第一凹槽；以及

第二电极，具有第二端部，在所述第二端部上设置有第二凹槽；

其中，所述第一电极和所述第二电极相对设置，在所述第一电极和所述第二电极之间存在间隙，所述间隙位于所述第一端部和所述第二端部之间。

根据本发明一实施方式，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为环形槽。

根据本发明一实施方式，所述第一凹槽的轴线和所述第二凹槽的轴线位于同一直线上；和/或，

所述第一凹槽和/或所述第二凹槽均为圆环形槽。

根据本发明一实施方式，所述第一电极的轴线和所述第二电极的轴线位于同一直线上。

根据本发明一实施方式，所述第一端部和/或所述第二端部为球缺。

根据本发明一实施方式，所述球缺的高的长度为其球冠直径的1/20～1/2。

根据本发明一实施方式，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为圆环形槽，包括环形外壁和环形内壁，所述环形外壁的直径为所述球缺底面直径的1％～99％，进一步为2％～50％，再进一步为30％～50％。

根据本发明一实施方式，所述第一电极包括所述第一端部和第一圆柱体，所述第一圆柱体通过其一个底面与所述第一端部相连；和/或，

所述第二电极包括所述第二端部和第二圆柱体，所述第二圆柱体通过其一个底面与所述第二端部相连。

根据本发明一实施方式，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为圆环形槽，所述第一电极、所述第一凹槽、所述第二电极和所述第二凹槽的轴线位于同一直线上。

根据本发明一实施方式，沿所述第一电极或所述第二电极的轴线方向，所述间隙的长度为0.1～50mm；和/或，

圆环形所述第一凹槽和/或圆环形所述第二凹槽包括环形外壁和环形内壁，所述环形外壁的直径为10～30mm。

另一方面，本发明一实施方式提供了一种脉冲功率装置，包括上述的自击穿气体开关。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明一实施方式的可用于脉冲功率装置自击穿气体开关，通过在两电极的端部开设凹槽，增加了两电极间电场的不均匀系数，使得电极之间电场分布不均匀，增加了局部电场强度，促使两电极放电导通，由此提高了开关击穿时两电极间电压的稳定性。

2、本发明一实施方式的可用于脉冲功率装置自击穿气体开关击穿抖动为1％～5％，可达1％，远低于现有技术的10％，开关导通时具有良好的电压稳定性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。其中：

图1为本发明一实施方式的自击穿气体开关的立体示意图；

图2为本发明一实施方式的自击穿气体开关的剖面图。

附图标记说明如下：

10、第一电极；11、第一端部；12、第一凹槽；13、第一圆柱体；20、第二电极；21、第二端部；22、第二凹槽；23、第二圆柱体；30、间隙；41、第一底面；42、第二底面；43、侧壁。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施方式进行具体描述，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施方式一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。其中，“第一”、“第二”仅用于对具有相同名称的结构进行区分，并非对其进行限定。

如图1、2所示，本发明一实施方式提供了一种自击穿气体开关，包括第一电极10和第二电极20；第一电极10具有第一端部11，在第一端部11上开设有第一凹槽12；第二电极20具有第二端部21，在第二端部21上开设有第二凹槽22；

其中，第一电极10和第二电极20相对设置，在第一电极10和第二电极20之间存在间隙30，间隙30位于第一端部11和第二端部21之间。

本发明一实施方式的可用于脉冲功率装置的自击穿气体开关，通过在两电极的端部开设凹槽，增加了两电极间电场的不均匀系数，使得电极之间电场分布不均匀，进一步增加了局部电场强度，当脉冲电压施加时，随着电压逐渐升高，凹槽边缘释放电子，形成预电离，由此提高了开关击穿时两电极间电压的稳定性。

于一实施方式中，第一电极10的轴线和第二电极20的轴线位于同一直线上。

于一实施方式中，第一端部11的轴线和第二端部21的轴线位于同一直线上，沿第一端部11、第二端部21轴线的方向，间隙30的长度L为0.1～50mm，例如0.5mm、1mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm。

于一实施方式中，第一端部11与第二端部21的结构、尺寸可以相同，也可以不相同。

于一实施方式中，第一端部11和/或第二端部21可以是平面结构。

于一实施方式中，第一端部11和/或第二端部21可以是部分球体，即球缺，一个球被平面截下的一部分叫做球缺，截面叫做球缺的底面，垂直于截面的直径被截后，剩下的线段长叫做球缺的高，与球缺的底面相连的曲面为球冠。其中，相较于其他形状，例如平面结构，第一端部11、第二端部21为球缺可进一步提高两电极间电压的稳定性。

于一实施方式中，球缺的高可以是其球冠直径的1/20～1/2，例如1/18、1/16、1/15、1/12、1/10、1/9、1/8、1/7、1/6、1/5、1/4、1/3等。

于一实施方式中，第一凹槽12与第二凹槽22的结构可以相同，也可以不相同。

于一实施方式中，第一凹槽12和/或第二凹槽22可以是环形槽，例如圆环形槽，长方形槽，优选为圆环形槽。

于一实施方式中，第一凹槽12的轴线和第二凹槽22的轴线位于同一直线上。

于一实施方式中，环形第一凹槽12的中心位于第一端部11(例如球缺)的轴线上，球缺的轴线是指其圆形底面的轴线；换而言之，环形第一凹槽12的轴线与第一端部11的轴线位于同一直线上。

于一实施方式中，环形第二凹槽22的中心位于第二端部21(例如球缺)的轴线上，换而言之，环形第二凹槽22的轴线与第二端部21的轴线位于同一直线上。

于一实施方式中，第一凹槽12和/或第二凹槽22的深度可以为0.1～2mm，例如0.2mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm；宽度可以为0.1～5mm，例如0.2mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm。

于一实施方式中，第一凹槽12和/或第二凹槽22的宽度可以为第一端部11和/或第二端部21的球缺底面直径的0.5％～50％，例如1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％。

于一实施方式中，圆环形第一凹槽12和/或圆环形第二凹槽22包括环形外壁和环形内壁，环形外壁的直径可以为10～30mm，例如15mm、20mm、25mm；环形外壁的直径占第一端部11和/或第二端部21的球缺底面直径的1％～99％，进一步为2％～50％，例如5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％。环形外壁的直径越高，电场的均匀性越差，电场强度越高，电压稳定性越高，击穿电压越低，在环形外壁的直径占球缺底面直径的30％～50％时整体效果较佳。

于一实施方式中，第二凹槽22的结构、尺寸、设置位置与第一凹槽12相同。

于一实施方式中，第一端部11、环形第一凹槽12、第二端部21、环形第二凹槽22的轴线位于同一直线上。

于一实施方式中，第一电极10的结构、尺寸与第二电极20的结构、尺寸可以相同，也可以不相同。

于一实施方式中，第一电极10包括第一端部11和第一圆柱体13，第一圆柱体13通过其一个底面与第一端部11相连。

于一实施方式中，第二电极20包括第二端部21和第二圆柱体23，第二圆柱体23通过其一个底面与第二端部21相连。

于一实施方式中，第一圆柱体13、第二圆柱体23可以是直圆柱。

于一实施方式中，第二圆柱体23的结构与第一圆柱体13相同，其与第二端部21的连接方式、位置关系等和第一圆柱体13与第一端部11的连接方式、位置关系等相同。

于一实施方式中，第一端部11为球缺，其通过底面与第一圆柱体13的一个底面相连。

于一实施方式中，第一端部11的球缺的直径等于第一圆柱体13底面的直径。

于一实施方式中，第一端部11的球缺的圆心位于第一圆柱体13的轴线上，换而言之，第一端部11和第一圆柱体13具有相同的轴线。

于一实施方式中，自击穿气体开关包括外壳，第一电极10、第二电极20设置于外壳内。

于一实施方式中，外壳为一圆筒，包括第一底面41、第二底面42和侧壁43。

于一实施方式中，第一电极10设置于第一底面41上，第二电极20设置于第二底面42上。

于一实施方式中，第一电极10包括第一端部11和第一圆柱体13，第一圆柱体13的一个底面与第一端部11相连，另一个底面与外壳的第一底面41相连。

于一实施方式中，第二电极20包括第二端部21和第二圆柱体23，第二圆柱体23的一个底面与第二端部21相连，另一个底面与外壳的第二底面42相连。

于一实施方式中，外壳的轴线与第一电极10、第二电极20的轴线位于同一直线上。

于一实施方式中，第二电极20的结构、尺寸、设置位置等与第一电极10相同。

于一实施方式中，第一电极10为高压电极，第二电极20为接地电极；或者第一电极10为接地电极，第二电极20为高压电极。

于一实施方式中，第一电极10、第二电极20为金属电极，即，由金属材料制得。

于一实施方式中，第一电极10、第二电极20的材质可以为不锈钢或铜。

于一实施方式中，外壳的材质为绝缘材料，例如有机玻璃、尼龙等。

本发明一实施方式的自击穿气体开关为场增强型高压气体开关，可应用于脉冲功率装置，使脉冲功率装置能够产生纳秒级上升沿的高压脉冲。

本发明一实施方式提供了一种脉冲功率装置，包括上述的自击穿气体开关。

以下，结合具体实施例及附图对本发明一实施方式的自击穿气体开关进行进一步说明。

实施例1

一种自击穿气体开关，包括第一电极10、第二电极20和外壳，第一电极10和第二电极20设置于外壳内。外壳为一圆筒，包括第一底面41、第二底面42和侧壁43。第一底面41、第二底面42的底面直径为100mm。

第一电极10包括第一端部11和第一圆柱体13。第一端部11为半球体(1/2球体)，第一圆柱体13的一个底面与半球体的底面相连，另一个底面与外壳的第一底面41相连。半球体的底面直径等于第一圆柱体13的底面直径，且半球体与第一圆柱体13具有相同的轴线。在第一端部11的半球体的顶部开设有环形第一凹槽12，环形第一凹槽12的轴线与半球体的轴线在同一直线上。其中，第一圆柱体13的底面直径为50mm，高度为70mm；第一凹槽12的外径为20mm，槽的深度为1mm，槽的宽度为1mm。

第二电极20包括第二端部21和第二圆柱体23。第二端部21为半球体(1/2球体)，第二圆柱体23的一个底面与半球体的底面相连，另一个底面与外壳的第二底面42相连。半球体的底面直径等于第二圆柱体23的底面直径，且半球体与第二圆柱体23具有相同的轴线。在第二端部21的半球体的顶部开设有环形第二凹槽22，环形第二凹槽22的轴线与第二端部21的半球体的轴线在同一直线上。其中，第二圆柱体23的底面直径为50mm，高度为70mm；第二凹槽22的外径为20mm，槽的深度为1mm，槽的宽度为1mm。

第一电极10和第二电极20相对设置，第一电极10的轴线、第二电极20的轴线和外壳的轴线位于同一直线上。在第一电极10和第二电极20之间存在间隙30，间隙30位于第一端部11和第二端部21之间。沿第一电极10和第二电极20的轴线方向，间隙30的长度L为10mm。

其中，外壳的材质为有机玻璃，第一电极10的材质为不锈钢，第二电极20的材质为不锈钢。

经测试，两电极间电场的不均匀系数为1.75，使得电极之间电场分布不均匀，进一步增加了局部电场强度，局部电场强度为52.5kV/cm，当脉冲电压施加时，随着电压从0升高至30kV，凹槽边缘释放电子，形成预电离，提高了开关击穿时两电极间电压的稳定性。且本实施例中，击穿抖动最高为1％，抖动指的是多次击穿电压的标准偏差。

实施例2

本实施例的自击穿气体开关的结构与实施例1的自击穿气体开关相同，区别仅在于：不含半球体形的第一端部11和第二端部21，第一凹槽12、第二凹槽22分别开设在第一圆柱体13和第二圆柱体23的底面上，开设有凹槽的第一圆柱体13底面和第二圆柱体23底面的距离为10mm(即间隙30的长度L为10mm)。经测试，本实施例中击穿抖动约为5％。

实施例3

本实施例的自击穿气体开关的结构与实施例1的自击穿气体开关相同，区别仅在于：第一凹槽12的外径为10mm，第二凹槽22的外径为10mm。经测试，本实施例中击穿抖动约为3％。

实施例4

本实施例的自击穿气体开关的结构与实施例1的自击穿气体开关相同，区别仅在于：第一凹槽12的外径为30mm，第二凹槽22的外径为30mm。经测试，本实施例中击穿抖动约为3％。

对比例

本例的自击穿气体开关与实施例1的区别仅在于：没有在第一电极10和第二电极20上设置凹槽。经测试，本例中击穿抖动约为10％。

上述实施例、对比例的击穿抖动结果表明，在第一电极10和第二电极20上设置凹槽后，开关击穿抖动可由10％降至1％。由此，在第一电极10和第二电极20上设置凹槽能够提高开关击穿时两电极间电压的稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自击穿气体开关，包括：

第一电极，具有第一端部，在所述第一端部上设置有第一凹槽；以及

第二电极，具有第二端部，在所述第二端部上设置有第二凹槽；

其中，所述第一电极和所述第二电极相对设置，在所述第一电极和所述第二电极之间存在间隙，所述间隙位于所述第一端部和所述第二端部之间。

2.根据权利要求1所述的自击穿气体开关，其中，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为环形槽。

3.根据权利要求2所述的自击穿气体开关，其中，所述第一凹槽的轴线和所述第二凹槽的轴线位于同一直线上；和/或，

所述第一凹槽和/或所述第二凹槽均为圆环形槽。

4.根据权利要求1所述的自击穿气体开关，其中，所述第一端部和/或所述第二端部为球缺；和/或，

所述第一电极的轴线和所述第二电极的轴线位于同一直线上。

5.根据权利要求4所述的自击穿气体开关，其中，所述球缺的高的长度为其球冠直径的1/20～1/2。

6.根据权利要求4所述的自击穿气体开关，其中，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为圆环形槽，包括环形外壁和环形内壁，所述环形外壁的直径为所述球缺底面直径的1％～99％。

7.根据权利要求1所述的自击穿气体开关，其中，所述第一电极包括所述第一端部和第一圆柱体，所述第一圆柱体通过其一个底面与所述第一端部相连；和/或，

所述第二电极包括所述第二端部和第二圆柱体，所述第二圆柱体通过其一个底面与所述第二端部相连。

8.根据权利要求7所述的自击穿气体开关，其中，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为圆环形槽，所述第一电极、所述第一凹槽、所述第二电极和所述第二凹槽的轴线位于同一直线上。

9.根据权利要求8所述的自击穿气体开关，其中，沿所述第一电极或所述第二电极的轴线方向，所述间隙的长度为0.1～50mm；和/或，

圆环形所述第一凹槽和/或圆环形所述第二凹槽包括环形外壁和环形内壁，所述环形外壁的直径为10～30mm。

10.一种脉冲功率装置，包括权利要求1至9所述的自击穿气体开关。

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