CN115102038B - 一种双间隙伪火花开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双间隙伪火花开关，包括：第一空心电极、第二空心电极、第三空心电极、触发单元、真空穿墙电极和绝缘支撑。三个空心电极具有相似的结构，外径为数十毫米，高度为数十毫米，电极平面中心开有通孔，孔径、孔深、电极厚度等均为数毫米。第二空心电极位于第一空心电极和第三空心电极之间，三个电极具有相同的轴线，中心通孔相对，电极平面之间的距离为数毫米。第二空心电极接地，内部布置有触发单元，第一空心电极和第三空心电极施加所需极性的电压。本发明所述双间隙伪火花开关可以工作于正极性、负极性和双极性等不同电压场景下，也可以单独使用其中一个间隙，且触发系统良好接地，有效提升了伪火花开关的任务灵活性和触发安全性。

Description

一种双间隙伪火花开关

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种新型双间隙伪火花开关。

背景技术

脉冲功率技术在国防、科研、工业等领域具有重要而广泛的应用，目前正朝着高峰值功率、高平均功率和高重复频率方向发展。开关作为脉冲功率装置和核心器件，在很大程度上决定了装置的功率水平和脉冲波形等核心性能参数。在常用的开关类型中，高气压开关和真空开关具有耐压高、峰值功率大等优点，但受限于电极烧蚀等问题，寿命较短，且前者绝缘恢复速度慢，限制了其重复频率较低。半导体开关可以工作在很高频率下，但其通流和耐压水平有限，难以满足高功率场合的应用需求。

伪火花开关是一种具有空心阴极结构、工作于巴申曲线左半支的低气压脉冲放电开关。由于具有典型的空心阴极放电和超密集辉光放电模式，伪火花开关具备了大通流、高重频、低抖动、低烧蚀和长寿命等优点，适合于高峰值功率、高重复频率等多种应用场景。伪火花开关通常采用阴极侧触发方式，即由布置于空心阴极内部的触发单元产生初始电子，通过碰撞电离、虚阳极形成和扩展等一系列过程，最终引发开关击穿。目前，少有从阳极侧触发伪火花开关导通的案例。但实际应用中，存在着正极性、负极性、双极性等多种充电模式，常规的伪火花开关结构和触发系统难以同时满足上述应用场合，或需要使得触发系统工作于高悬浮电压下，便捷性和安全性欠佳。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种新型双间隙伪火花开关，采用三个空心电极，触发单元布置于接地的中间空心电极，两侧空心电极可以任意选择施加正极性或负极性的直流电压，满足多极性用途。

一种新型双间隙伪火花开关，包括：第一空心电极、第二空心电极、第三空心电极、触发单元、真空穿墙电极和绝缘支撑。

所述第一空心电极为中空圆柱结构，外径为数十毫米，高度为数十毫米，一侧电极平面中心开有通孔，孔径、孔深、电极厚度等均为数毫米。

所述第二空心电极为中空圆柱结构，外径约数十毫米，两侧电极平面中心均开有通孔，孔径、孔深、电极厚度等均为数毫米。圆柱侧面开有通气孔，用于抽真空和充入不同类型气体。

所述第三空心电极为中空圆柱结构，外径为数十毫米，高度为数十毫米，一侧电极平面中心开有通孔，孔径、孔深、电极厚度等均为数毫米。

所述第二空心电极布置在第一空心电极和第三空心电极中间，三个电极具有相同的轴线，中心通孔相对，电极平面之间的距离为数毫米。第二空心电极接地，第一空心电极和第三空心电极施加所需极性的电压。

所述触发单元通过真空穿墙电极布置在第二空心电极内部，可采用沿面放电、铁电体发射、脉冲辉光等放电类型。

所述真空穿墙电极由陶瓷绝缘环和金属导杆组成，金属导杆位于陶瓷绝缘环内部，陶瓷绝缘环与金属导杆、陶瓷绝缘环与第二空心电极之间均采用焊接方式连接。

所述绝缘支撑采用陶瓷或石英玻璃等绝缘材料制成，与第一空心电极、第二空心电极和第三空心电极相连接，共同组成密闭腔体，腔体内部气压控制在1～100Pa之间。

所述新型双间隙伪火花开关的工作过程如下：典型工况下，第一空心电极施加数十千伏的正极性电压，第二空心电极接地，第三空心电极施加数十千伏的负极性电压，各电极之间采用绝缘支撑进行隔离。一部分的电势通过第二空心电极两侧电极平面上的通孔透入到第二空心电极腔体内部。经由充气孔向腔体内部充入氢气、氦气等不同类型气体，气压约数十帕斯卡，整个开关工作于巴申曲线左半支。通过真空穿墙电极向触发单元施加一定幅值和上升时间的触发信号，促使其发射出一定密度的初始等离子体。初始电子在透入电势的牵引下向第一空心电极运动，初始离子在透入电势的牵引下向第三空心电极运动。这些初始电子和离子在迁移过程中与背景气体分子发生碰撞电离，产生的新的二次电子和离子分别向第一空心电极和第三空心电极运动并引发新的碰撞电离。在第一空心电极和第二空心电极间隙中，由第二空心电极迁移出的电子在空间中发生碰撞电离，电子快速运动并被第一空心电极吸收，阳离子运动较慢，在空间中形成了正空间电荷区和虚阳极，并不断扩展进而击穿整个间隙。在第二空心电极和第三空心电极间隙中，由第二空心电极迁移出的阳离子轰击第三空心电极表面产生二次电子，这些电子向第二空心电极运动并在间隙中引发碰撞电离，进而造成阳离子积累、虚阳极形成和扩展等过程，最终促使间隙击穿。当两个间隙均击穿后，开关阻抗突降，电流快速上升，回路中储存的能量被允许导通。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用中间空心电极接地、两侧空心电极施加高电压的设计，可以使得所述双间隙伪火花开关工作于正极性、负极性和双极性等不同电压场景下，且可以单独使用其中一个间隙，有效提升了伪火花开关的任务灵活性。

2、本发明将触发单元布置于接地的中间空心电极内部，在伪火花开关工作于任意极性情况下，均可保证触发系统良好接地，具有较高的安全性。中间空心电极两侧的通孔可以使得初始等离子体分别引燃与另外两个空心电极构成的间隙。

附图说明

图1为本发明实施例示出的新型平面形双间隙伪火花开关示意图。

图2为本发明实施例示出的新型环形双间隙伪火花开关示意图。

图中标号说明如下：

第一空心电极1；第二空心电极2；第三空心电极3；触发单元4；

真空穿墙电极5；绝缘支撑6。

具体实施方式

下面结合和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例1的一种新型双间隙伪火花开关，各空心电极相对的面为平面形，包括：第一空心电极、第二空心电极、第三空心电极、触发单元、真空穿墙电极和绝缘支撑。

所述第一空心电极为中空圆柱结构，由铜钨合金制成，外径为50mm，高度为30mm，一侧电极平面中心开有通孔，孔径、孔深、电极厚度等均为3mm。

所述第二空心电极为中空圆柱结构，由铜钨合金制成，外径为50mm，高度为40mm，两侧电极平面中心均开有通孔，孔径、孔深、电极厚度等均为3mm。圆柱侧面开有直径为16mm的通气孔，通过KF16真空法兰与外部的管路相连，用于抽真空和充入不同类型气体。

所述第三空心电极为中空圆柱结构，由铜钨合金制成，外径为50mm，高度为30mm，一侧电极平面中心开有通孔，孔径、孔深、电极厚度等均为3mm。

所述第二空心电极布置在第一空心电极和第三空心电极中间，三个电极具有相同的轴线，中心通孔相对，电极平面之间的距离为3mm。第二空心电极接地，第一空心电极和第三空心电极分别施加正极性和负极性的电压。

所述触发单元通过真空穿墙电极布置在第二空心电极内部，采用基于钛酸钡陶瓷的电荷注入式触发单元。

所述绝缘支撑采用石英玻璃制成，直径为56mm，厚度为2mm，与第一空心电极、第二空心电极和第三空心电极通过密封圈和紧固螺钉的方式相连接，共同组成密闭腔体，腔体内气压控制在1～100Pa之间。

所述新型双间隙伪火花开关的工作过程如下：典型工况下，第一空心电极施加+30kV的直流电压，第二空心电极接地，第三空心电极施加-30kV的直流电压，各空心电极之间通过由石英玻璃制成的绝缘支撑进行隔离，一部分的电势通过第二空心电极两侧电极平面上的通孔透入到第二空心电极腔体内部。经由充气孔向腔体内部充入氦气，气压约60Pa，整个开关工作于巴申曲线左半支。通过真空穿墙电极向基于钛酸钡陶瓷的电荷注入式触发单元施加幅值5kV、上升时间10ns的触发信号，促使其发射出初始等离子体。初始电子在透入电势的牵引下向第一空心电极运动，初始离子在透入电势的牵引下向第三空心电极运动。这些初始电子和离子在迁移过程中与背景气体分子发生碰撞电离，产生的新的二次电子和离子分别向第一空心电极和第三空心电极运动并引发新的碰撞电离。在第一空心电极和第二空心电极间隙中，由第二空心电极迁移出的电子在空间中发生碰撞电离，电子快速运动并被第一空心电极吸收，阳离子运动较慢，在空间中形成了正空间电荷区和虚阳极，并不断扩展进而击穿整个间隙。在第二空心电极和第三空心电极间隙中，由第二空心电极迁移出的阳离子轰击第三空心电极表面产生二次电子，这些电子向第二空心电极运动并在间隙中引发碰撞电离，进而造成阳离子积累、虚阳极形成和扩展等过程，最终促使间隙击穿。当两个间隙均击穿后，开关阻抗突降，电流快速上升，回路中储存的能量被允许导通。

如图2所示，本发明实施例2的一种新型双间隙伪火花开关，包含与实施例1相同的部组件和连接方式。不同的是，该实施例中，各空心电极相对的面为环形，图中的电极孔表示具有一定弧度的环形槽或沿圆周均布的多个孔。实施例2所示结构的优点在于通过环形槽或多个孔来增大电流通道面积，使开关具备超过100kA的电流导通能力，并降低每个孔附近电极的烧蚀，从而提升开关寿命。

此外，在其他实施例中，通气孔可以被取消，伪火花开关整体采用陶瓷-金属密封结构，内部设置氢储存器。常温下，伪火花开关内部为真空度优于10^-3Pa的高真空，通过调节氢储存器的灯丝加热电流可以控制氢气的释放量，进而控制伪火花开关内部的气压在1～100Pa之间。

应当理解，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种双间隙伪火花开关，其特征在于，包括：第一空心电极、第二空心电极、第三空心电极、触发单元、真空穿墙电极和绝缘支撑；其中，所述第二空心电极布置在第一空心电极和第三空心电极中间，三个电极具有相同的轴线，中心通孔相对，电极平面之间的距离为数毫米；第二空心电极接地，第一空心电极和第三空心电极施加所需极性的电压；所述触发单元通过真空穿墙电极布置在第二空心电极内部；所述绝缘支撑与第一空心电极、第二空心电极和第三空心电极相连接，共同组成密闭腔体；

所述第一空心电极为中空圆柱结构，外径为数十毫米，高度为数十毫米，一侧电极平面中心开有通孔，孔径、孔深、电极厚度均为数毫米；

所述第二空心电极为中空圆柱结构，外径为数十毫米，两侧电极平面中心均开有通孔，孔径、孔深、电极厚度均为数毫米；圆柱侧面开有通气孔，用于抽真空和充入不同类型气体；

所述第三空心电极为中空圆柱结构，外径为数十毫米，高度为数十毫米，一侧电极平面中心开有通孔，孔径、孔深、电极厚度均为数毫米。

2.根据权利要求1所述的一种双间隙伪火花开关，其特征在于：所述触发单元采用沿面放电、铁电体发射或脉冲辉光的放电类型。

3.根据权利要求1所述的一种双间隙伪火花开关，其特征在于：所述真空穿墙电极由陶瓷绝缘环和金属导杆组成，金属导杆位于陶瓷绝缘环内部，陶瓷绝缘环与金属导杆、陶瓷绝缘环与第二空心电极之间均采用焊接方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种双间隙伪火花开关，其特征在于：所述绝缘支撑采用陶瓷或石英玻璃等绝缘材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种双间隙伪火花开关，其特征在于：所述腔体内部气压控制在1～100Pa之间。

6.一种双间隙伪火花开关的工作方法，其特征在于：第一空心电极施加数十千伏的正极性电压，第二空心电极接地，第三空心电极施加数十千伏的负极性电压，各电极之间采用绝缘支撑进行隔离；一部分的电势通过第二空心电极两侧电极平面上的通孔透入到第二空心电极腔体内部；经由充气孔向腔体内部充入氢气或氦气，气压为数十帕斯卡，整个开关工作于巴申曲线左半支；通过真空穿墙电极向触发单元施加一定幅值和上升时间的触发信号，促使其发射出一定密度的初始等离子体；初始电子在透入电势的牵引下向第一空心电极运动，初始离子在透入电势的牵引下向第三空心电极运动；这些初始电子和离子在迁移过程中与背景气体分子发生碰撞电离，产生的新的二次电子和离子分别向第一空心电极和第三空心电极运动并引发新的碰撞电离。

7.根据权利要求6所述的一种双间隙伪火花开关的工作方法，其特征在于：在第一空心电极和第二空心电极间隙中，由第二空心电极迁移出的电子在空间中发生碰撞电离，电子快速运动并被第一空心电极吸收，阳离子运动较慢，在空间中形成了正空间电荷区和虚阳极，并不断扩展进而击穿整个间隙；在第二空心电极和第三空心电极间隙中，由第二空心电极迁移出的阳离子轰击第三空心电极表面产生二次电子，这些电子向第二空心电极运动并在间隙中引发碰撞电离，进而造成阳离子积累、虚阳极形成和扩展过程，最终促使间隙击穿；当两个间隙均击穿后，开关阻抗突降，电流快速上升，回路中储存的能量被允许导通。

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