專利名稱：低電感氣體火花開關的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于快脈沖功率技術領域，具體涉及一種低電感氣體火花開關。
背景技術：
開關作為脈沖高壓發生器的主要部件之一，其性能參數直接關系到其它部件的設計和選擇以及整個脈沖功率電源性能的好壞，根據不同的應用目的，需要開關具有耐受電壓高、導通電流大、擊穿時延短、抖動小、自身電感和電阻小、電極燒損小等要求。脈沖開關作為脈沖高壓發生器的關鍵單元，其應用環境與領域主要依發生器的使用而變化，當前高壓發生器作為大功率驅動源應用越來越廣泛，在工業除塵、水質凈化、表面清潔、電脈沖爆破、醫學生物效應、體外碎石、產生高頻強電磁脈沖、開展電磁脈沖效應研究等領域，特別是隨著社會發展，電子技術與信息技術在人們的生活中的作用越來越突出，由高壓脈沖發生器驅動有界波導傳輸線負載人為產生高頻電磁脈沖場，開展電子產品的抗電磁脈沖效應，進行電子產品的性能評估，越來越受到電子產品研發部門的高度重視。而低電感氣體火花開關技術對采用脈沖高壓發生器產生快脈沖電磁輻射場的成功研制，起著至關重要的作用。現有的氣體火花開關無法單獨提供上百伏的電壓，如果需要上百伏電壓必須多個開關并聯或串聯使用，導致結構比較復雜，可靠性低。
實用新型內容為了解決現有的氣體火花開關無法單獨提供上百伏電壓的技術問題，本實用新型提供一種低電感氣體火花開關。本實用新型的技術解決方案:低電感氣體火花開關，其特殊之處在于:包括密封筒、高壓電極6、低壓電極1、進氣嘴9和出氣嘴8，所述密封筒包括依次設置的第一絕緣氣室3、電極腔10以及第二絕緣氣室12，所述電極腔10與第一絕緣室3和第二絕緣室12分別通過第一隔塞13和第二隔塞11隔開，所述電極腔10的直徑小于第一絕緣氣室3的直徑，所述第一絕緣氣室3與第二絕緣氣室12對稱設置，上述電極腔10的側壁上以電極腔10的中心軸為對稱軸對稱固定有第一電極基座5和第二電極基座2,上述高壓電極6固定在第一電極基座5上且位于電極腔10內，上述低壓電極I固定在第二電極基座2上且位于電極腔10內，上述高壓電極6和低壓電極I以電極腔10的中心軸為對稱軸對稱設置，上述進氣嘴9設置在第一絕緣氣室3上，上述出氣嘴8設置在第二絕緣氣室12上，上述第一絕緣氣室3內設置有進氣通道14，上述第二絕緣氣室12內設置有出氣通道15，上述進氣通道14的一端與進氣嘴9相通，上述進氣通道14的另一端通過第一隔塞13與電極腔10相通，上述出氣通道15的一端與出氣嘴8相通，上述出氣通道15的另一端通過第二隔塞11與電極腔10相通，[0010]上述第一隔塞13和第二隔塞11對稱，第一隔塞和第二隔塞的橫截面為W型。本實用新型所具有的優點:1、本實用新型的低電感氣體火花開關具有工作性能穩定，同流能力強，壽命長的優點。2、本實用新型采用氣體放電理論，分析了脈沖電壓作用下氣體火花開關的擊穿導通機理；通過低電感參數對開關結構方面的理論估算分析，獲得了低電感開關實際工作條件要求；本實用新型所提供的低電感氣體火花開關可以滿足各種直流電壓各種能源系統的開關需要，可以實現各種能量等級的電荷儲能的快速釋放。
圖1為氣體火花開關結構不意圖；圖2為氣體分子碰撞電離示意圖；圖3為氣體間隙放電流注形成示意圖；圖4為氣體間隙在脈沖電壓作用下的擊穿過程；圖5為氣體火花開關的伏秒特性；圖6為氣體火花開關電路組成。
具體實施方式
如圖1所示，低電感氣體火花開關，包括密封筒、高壓電極6、低壓電極1、進氣嘴9和出氣嘴8，密封筒包括依次設置的第一絕緣氣室3、電極腔10以及第二絕緣氣室12，電極腔10與第一絕緣室3和第二絕緣室12分別通過第一隔塞13和第二隔塞11隔開，所述電極腔10的直徑小于第一絕緣氣室3的直徑，第一絕緣氣室3與第二絕緣氣室12對稱設置，電極腔10的側壁上以電極腔10的中心軸為對稱軸對稱固定有第一電極基座5和第二電極基座2，高壓電極6固定在第一電極基座5上且位于電極腔10內，低壓電極I固定在第二電極基座2上且位于電極腔10內，高壓電極6和低壓電極I以電極腔10的中心軸為對稱軸對稱設置，第一電極基座5的一端通過緊固螺釘7固定在第一絕緣氣室3的側壁上，第一電極基座5的另一端通過緊固螺釘7固定在第二絕緣室12上；第二電極基座2的一端通過緊固螺釘7固定在第一絕緣氣室3的側壁上，第二電極基座2的另一端通過緊固螺釘7固定在第二絕緣室12上。進氣嘴9設置在第一絕緣氣室3上，出氣嘴8設置在第二絕緣氣室12上，第一絕緣氣室3內設置有進氣通道14，第二絕緣氣室12內設置有出氣通道15，進氣通道14的一端與進氣嘴9相通，進氣通道14的另一端通過第一隔塞13與電極腔10相通，出氣通道15的一端與出氣嘴8相通，出氣通道15的另一端通過第二隔塞11與電極腔10相通，第一隔塞13和第二隔塞11對稱，第一隔塞和第二隔塞的橫截面為W型。進氣通道14位于W型的主峰上，出氣通道15位于W型的主峰上。本實用新型參數工作電壓100kV，電感小于60nH的氣體火花開關結構。本實用新型的工作原理:如圖2所示，任何金屬電極表面都不可避免地存在著直徑0.1 μ m、高度I μ m量級的針尖狀晶須，其尖端處的電場可比氣體間隙中的平均電場高兩個數量級以上，電極表面在強電場作用下，金屬表面電子具有量子隧道穿透效應，為此作為氣體火花開關陰極(金屬電極)表面可以發射出電子，這種現象稱為“陰極場致發射”，陰極表面發射出的電子稱為初始電子。初始電子穿過氣體間隙過程中，假設電場足夠強，那么在其路徑上將引起電子與氣體分子間的碰撞電離，隨著距離的增大，氣體間隙間的自由電子數將指數式增長，當自由電子數增長到一定程度時，即形成“電子崩”。如圖3所示，一次電子崩頭部區域的復合光子容易在電場增強的電子崩尾部-陰極區域引起光電離并形成二次電子崩，加上分級光電離產生的二次電子崩，它們的電子崩崩頭與一次電子崩崩尾之間進一步發生光電離而連接起來，由此形成了一個以一次電子崩為主干、二次電子崩向一次電子崩匯合形成分支的樹枝狀放電通道，即為流注放電。如圖4所示，當開關工作在一定充電電壓下，陰極場致發射產生初始電子，在陰陽極間隙形成電子崩；當電場不夠強時，電子崩發展速度較慢；當電場不斷增強時，電子崩發展速度加快；在一定電場下，電子崩發展成為流注放電，使得開關電極間隙直接擊穿導通。但在間隙擊穿通道的形成過程中，必須考慮到擊穿本身也需要一定時間。脈沖電壓下的擊穿時間可以分為以下四個部分4是脈沖電壓從零開始到自擊穿電壓之間的時間(或充電時間)；ta是統計時延，是指直到第一個能夠引起電子崩的電子出現為止的延遲時間；ts是放電形成時延，是指到達臨界電荷密度之前的電子雪崩形成時間；taM是在電極間建立一個低阻抗電弧所需要的時間。h取決于脈沖電壓上升速度；ta取決于氣體間隙間初始電子產生的有關統計學現象，實際中的初始電子可以有很多種產生原因，但不是每一個產生的自由電子都能夠引起電子崩，唯有氣體分子與自由電子的碰撞電離系數大于氣體分子對自由電子的俘獲系數，電子崩才有可能形成；ts取決于脈沖電壓超出自擊穿電壓的程度，以至于在氣體間隙內發生的電子崩能夠迅速達到臨界值；taM取決于電弧阻抗以及氣體間隙電流的大小。如圖5所示，氣體火花開關間隙中形成流柱放電后，火花電弧中就開始了電流的快速增長，在這期間火花電阻從很大值變到接近于零，最終當放電能量消耗殆盡時又恢復到很高的值。間隙從不導通狀態到導通狀態的過渡過程，可以用放電間隙電壓與時間的關系來表征，通常稱之為開關間隙的伏秒特性，圖中tx為開關間隙的擊穿延遲時間，是指開關間隙兩端電壓由0.9 (Ux l)變為0.1 U0 (Ux2)的時間。據脈沖功率領域的英國科學家T.Martin研究結果，氣體間隙擊穿延遲時間與工作氣壓成反比，與間隙距離成正比，而開關電感參數與間隙距離結構尺寸成正比，為此為獲得低電感，需短間隙和高氣壓。如圖6所示，氣體火花開關電路模型中，CS，LS，Rs分別是開關雜散電容、自身自感和通道電阻參數，這些參數在脈沖功率技術當中，尤其是陡脈沖、寬頻帶條件下，必須在設計中仔細考慮分析，當然可根據開關結構，采用相應的經驗公式進行估算。其中開關自身的電感與通道電阻(變化值)是設計中最需關注的參數，一般要求低電感(數十nH)、大的通道電阻變化率。氣體火花開關設計時，考慮到其間隙電場的分布為少不均勻場，且需保證絕緣強度，尤其是“三結合點”(三種電介質常數相差較大的材質相交處，這里是指絕緣支撐、電極材料、絕緣氣體)處的場強要求更為突出，因而在當開關工作參數選定后，需要通過靜電場計算模擬軟件對開關結構進行優化設計，確定最終的結構。氣體火花開關特性分析試驗平臺，由直流充電電源及其控制、充電電阻、充電電容、氣體火花開關、開關充放氣氣路以及測量系統組建而成。其中，充電電源為+120kV直流電源；充電電阻為500kQ水電阻；充電電容采用兩個耐壓IOOkV脈沖電容器，電容值需依據氣體火花開關實際使用通流要求，通過理論估算回路放電電流而定；實驗開關為氣體火花開關；測量系統采用分壓比1000:1的高壓直流分壓器與脈沖電阻分壓器以及羅可夫斯基線圈；電源控制需實現自動升降電壓和過流保護。工作過程:預設工作氣壓，控制直流充電電源對電容器充電，在氣體火花開關擊穿導通后，記錄氣體火花開關擊穿電壓(由電阻分壓器診斷監測)、回路放電電流(由羅可夫斯基線圈診斷監測)。試驗10次后改變氣壓再重復實驗，以獲得氣體火花開關的擊穿電壓與工作氣壓之間的關系曲線，用以指導實際工作中的參數設置。
權利要求1.低電感氣體火花開關，其特征在于:包括密封筒、高壓電極(6)、低壓電極(I)、進氣嘴(9)和出氣嘴(8)，所述密封筒包括依次設置的第一絕緣氣室(3)、電極腔(10)以及第二絕緣氣室(12)，所述電極腔(10)與第一絕緣室(3)和第二絕緣室(12)分別通過第一隔塞(13)和第二隔塞(11)隔開，所述電極腔(10)的直徑小于第一絕緣氣室(3)的直徑，所述第一絕緣氣室(3)與第二絕緣氣室(12)對稱設置， 所述電極腔(10)的側壁上以電極腔(10)的中心軸為對稱軸對稱固定有第一電極基座(5)和第二電極基座(2)，所述高壓電極(6)固定在第一電極基座(5)上且位于電極腔(10)內，所述低壓電極(I)固定在第二電極基座(2 )上且位于電極腔(10 )內，所述高壓電極(6 )和低壓電極(I)以電極腔(10)的中心軸為對稱軸對稱設置， 所述進氣嘴(9)設置在第一絕緣氣室(3)上，所述出氣嘴(8)設置在第二絕緣氣室(12)上，所述第一絕緣氣室(3)內設置有進氣通道(14)，所述第二絕緣氣室(12)內設置有出氣通道(15)，所述進氣通道(14)的一端與進氣嘴(9)相通，所述進氣通道(14)的另一端通過第一隔塞(13)與電極腔(10)相通，所述出氣通道(15)的一端與出氣嘴(8)相通，所述出氣通道(15)的另一端通過第二隔塞(11)與電極腔(10)相通， 所述第一隔塞(13)和第二隔塞(11)對稱，第一隔塞和第二隔塞的橫截面為W型。
專利摘要本實用新型涉及一種低電感氣體火花開關，解決了現有的氣體火花開關無法單獨提供上百伏電壓的技術問題，該開關包括密封筒、高壓電極、低壓電極、進氣嘴和出氣嘴，密封筒包括依次設置的第一絕緣氣室、電極腔以及第二絕緣氣室，電極腔與第一絕緣室和第二絕緣室分別通過第一隔塞和第二隔塞隔開，電極腔的側壁上以電極腔的中心軸為對稱軸對稱固定有第一電極基座和第二電極基座，高壓電極固定在第一電極基座上且位于電極腔內，上述低壓電極固定在第二電極基座上且位于電極腔內，進氣嘴設置在第一絕緣氣室上，出氣嘴設置在第二絕緣氣室上。
文檔編號H01T19/04GK202957450SQ201220570258
公開日2013年5月29日 申請日期2012年10月31日 優先權日2012年10月31日
發明者郭恩全, 黃建軍, 劉順坤 申請人:陜西海泰電子有限責任公司