專利名稱：低電感氣體火花開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于快脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低電感氣體火花開關(guān)。
背景技術(shù)：
開關(guān)作為脈沖高壓發(fā)生器的主要部件之一，其性能參數(shù)直接關(guān)系到其它部件的設(shè)計(jì)和選擇以及整個(gè)脈沖功率電源性能的好壞，根據(jù)不同的應(yīng)用目的，需要開關(guān)具有耐受電壓高、導(dǎo)通電流大、擊穿時(shí)延短、抖動(dòng)小、自身電感和電阻小、電極燒損小等要求。脈沖開關(guān)作為脈沖高壓發(fā)生器的關(guān)鍵單元，其應(yīng)用環(huán)境與領(lǐng)域主要依發(fā)生器的使用而變化，當(dāng)前高壓發(fā)生器作為大功率驅(qū)動(dòng)源應(yīng)用越來越廣泛，在工業(yè)除塵、水質(zhì)凈化、表面清潔、電脈沖爆破、醫(yī)學(xué)生物效應(yīng)、體外碎石、產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁脈沖、開展電磁脈沖效應(yīng)研究等領(lǐng)域，特別是隨著社會(huì)發(fā)展，電子技術(shù)與信息技術(shù)在人們的生活中的作用越來越突出，由高壓脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)有界波導(dǎo)傳輸線負(fù)載人為產(chǎn)生高頻電磁脈沖場，開展電子產(chǎn)品的抗電磁脈沖效應(yīng)，進(jìn)行電子產(chǎn)品的性能評(píng)估，越來越受到電子產(chǎn)品研發(fā)部門的高度重視。而低電感氣體火花開關(guān)技術(shù)對(duì)采用脈沖高壓發(fā)生器產(chǎn)生快脈沖電磁輻射場的成功研制，起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有的氣體火花開關(guān)無法單獨(dú)提供上百伏的電壓，如果需要上百伏電壓必須多個(gè)開關(guān)并聯(lián)或串聯(lián)使用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性低。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決現(xiàn)有的氣體火花開關(guān)無法單獨(dú)提供上百伏電壓的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種低電感氣體火花開關(guān)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案:低電感氣體火花開關(guān)，其特殊之處在于:包括密封筒、高壓電極6、低壓電極1、進(jìn)氣嘴9和出氣嘴8，所述密封筒包括依次設(shè)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(duì)稱設(shè)置，上述電極腔10的側(cè)壁上以電極腔10的中心軸為對(duì)稱軸對(duì)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(nèi)，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(nèi)，上述高壓電極6和低壓電極I以電極腔10的中心軸為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置，上述進(jìn)氣嘴9設(shè)置在第一絕緣氣室3上，上述出氣嘴8設(shè)置在第二絕緣氣室12上，上述第一絕緣氣室3內(nèi)設(shè)置有進(jìn)氣通道14，上述第二絕緣氣室12內(nèi)設(shè)置有出氣通道15，上述進(jìn)氣通道14的一端與進(jìn)氣嘴9相通，上述進(jìn)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(duì)稱，第一隔塞和第二隔塞的橫截面為W型。本實(shí)用新型所具有的優(yōu)點(diǎn):1、本實(shí)用新型的低電感氣體火花開關(guān)具有工作性能穩(wěn)定，同流能力強(qiáng)，壽命長的優(yōu)點(diǎn)。2、本實(shí)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(guān)的擊穿導(dǎo)通機(jī)理；通過低電感參數(shù)對(duì)開關(guān)結(jié)構(gòu)方面的理論估算分析，獲得了低電感開關(guān)實(shí)際工作條件要求；本實(shí)用新型所提供的低電感氣體火花開關(guān)可以滿足各種直流電壓各種能源系統(tǒng)的開關(guān)需要，可以實(shí)現(xiàn)各種能量等級(jí)的電荷儲(chǔ)能的快速釋放。

圖1為氣體火花開關(guān)結(jié)構(gòu)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(guān)的伏秒特性；圖6為氣體火花開關(guān)電路組成。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，低電感氣體火花開關(guān)，包括密封筒、高壓電極6、低壓電極1、進(jìn)氣嘴9和出氣嘴8，密封筒包括依次設(shè)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(duì)稱設(shè)置，電極腔10的側(cè)壁上以電極腔10的中心軸為對(duì)稱軸對(duì)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(nèi)，低壓電極I固定在第二電極基座2上且位于電極腔10內(nèi)，高壓電極6和低壓電極I以電極腔10的中心軸為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)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(cè)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(cè)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(jìn)氣嘴9設(shè)置在第一絕緣氣室3上，出氣嘴8設(shè)置在第二絕緣氣室12上，第一絕緣氣室3內(nèi)設(shè)置有進(jìn)氣通道14，第二絕緣氣室12內(nèi)設(shè)置有出氣通道15，進(jìn)氣通道14的一端與進(jìn)氣嘴9相通，進(jìn)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(duì)稱，第一隔塞和第二隔塞的橫截面為W型。進(jìn)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(shí)用新型參數(shù)工作電壓100kV，電感小于60nH的氣體火花開關(guān)結(jié)構(gòu)。本實(shí)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(jí)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(gè)數(shù)量級(jí)以上，電極表面在強(qiáng)電場作用下，金屬表面電子具有量子隧道穿透效應(yīng)，為此作為氣體火花開關(guān)陰極(金屬電極)表面可以發(fā)射出電子，這種現(xiàn)象稱為“陰極場致發(fā)射”，陰極表面發(fā)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(shè)電場足夠強(qiáng)，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(shù)將指數(shù)式增長，當(dāng)自由電子數(shù)增長到一定程度時(shí)，即形成“電子崩”。如圖3所示，一次電子崩頭部區(qū)域的復(fù)合光子容易在電場增強(qiáng)的電子崩尾部-陰極區(qū)域引起光電離并形成二次電子崩，加上分級(jí)光電離產(chǎn)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(jìn)一步發(fā)生光電離而連接起來，由此形成了一個(gè)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(dāng)開關(guān)工作在一定充電電壓下，陰極場致發(fā)射產(chǎn)生初始電子，在陰陽極間隙形成電子崩；當(dāng)電場不夠強(qiáng)時(shí)，電子崩發(fā)展速度較慢；當(dāng)電場不斷增強(qiáng)時(shí)，電子崩發(fā)展速度加快；在一定電場下，電子崩發(fā)展成為流注放電，使得開關(guān)電極間隙直接擊穿導(dǎo)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(shí)間。脈沖電壓下的擊穿時(shí)間可以分為以下四個(gè)部分4是脈沖電壓從零開始到自擊穿電壓之間的時(shí)間(或充電時(shí)間)；ta是統(tǒng)計(jì)時(shí)延，是指直到第一個(gè)能夠引起電子崩的電子出現(xiàn)為止的延遲時(shí)間；ts是放電形成時(shí)延，是指到達(dá)臨界電荷密度之前的電子雪崩形成時(shí)間；taM是在電極間建立一個(gè)低阻抗電弧所需要的時(shí)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(chǎn)生的有關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)現(xiàn)象，實(shí)際中的初始電子可以有很多種產(chǎn)生原因，但不是每一個(gè)產(chǎn)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(shù)大于氣體分子對(duì)自由電子的俘獲系數(shù)，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(nèi)發(fā)生的電子崩能夠迅速達(dá)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(guān)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(dāng)放電能量消耗殆盡時(shí)又恢復(fù)到很高的值。間隙從不導(dǎo)通狀態(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)的過渡過程，可以用放電間隙電壓與時(shí)間的關(guān)系來表征，通常稱之為開關(guān)間隙的伏秒特性，圖中tx為開關(guān)間隙的擊穿延遲時(shí)間，是指開關(guān)間隙兩端電壓由0.9 (Ux l)變?yōu)?.1 U0 (Ux2)的時(shí)間。據(jù)脈沖功率領(lǐng)域的英國科學(xué)家T.Martin研究結(jié)果，氣體間隙擊穿延遲時(shí)間與工作氣壓成反比，與間隙距離成正比，而開關(guān)電感參數(shù)與間隙距離結(jié)構(gòu)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(guān)電路模型中，CS，LS，Rs分別是開關(guān)雜散電容、自身自感和通道電阻參數(shù)，這些參數(shù)在脈沖功率技術(shù)當(dāng)中，尤其是陡脈沖、寬頻帶條件下，必須在設(shè)計(jì)中仔細(xì)考慮分析，當(dāng)然可根據(jù)開關(guān)結(jié)構(gòu)，采用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。其中開關(guān)自身的電感與通道電阻(變化值)是設(shè)計(jì)中最需關(guān)注的參數(shù)，一般要求低電感(數(shù)十nH)、大的通道電阻變化率。氣體火花開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到其間隙電場的分布為少不均勻場，且需保證絕緣強(qiáng)度，尤其是“三結(jié)合點(diǎn)”(三種電介質(zhì)常數(shù)相差較大的材質(zhì)相交處，這里是指絕緣支撐、電極材料、絕緣氣體)處的場強(qiáng)要求更為突出，因而在當(dāng)開關(guān)工作參數(shù)選定后，需要通過靜電場計(jì)算模擬軟件對(duì)開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最終的結(jié)構(gòu)。氣體火花開關(guān)特性分析試驗(yàn)平臺(tái)，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(guān)、開關(guān)充放氣氣路以及測量系統(tǒng)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(gè)耐壓IOOkV脈沖電容器，電容值需依據(jù)氣體火花開關(guān)實(shí)際使用通流要求，通過理論估算回路放電電流而定；實(shí)驗(yàn)開關(guān)為氣體火花開關(guān)；測量系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降電壓和過流保護(hù)。工作過程:預(yù)設(shè)工作氣壓，控制直流充電電源對(duì)電容器充電，在氣體火花開關(guān)擊穿導(dǎo)通后，記錄氣體火花開關(guān)擊穿電壓(由電阻分壓器診斷監(jiān)測)、回路放電電流(由羅可夫斯基線圈診斷監(jiān)測)。試驗(yàn)10次后改變氣壓再重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以獲得氣體火花開關(guān)的擊穿電壓與工作氣壓之間的關(guān)系曲線，用以指導(dǎo)實(shí)際工作中的參數(shù)設(shè)置。
權(quán)利要求1.低電感氣體火花開關(guān)，其特征在于:包括密封筒、高壓電極(6)、低壓電極(I)、進(jìn)氣嘴(9)和出氣嘴(8)，所述密封筒包括依次設(shè)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(duì)稱設(shè)置， 所述電極腔(10)的側(cè)壁上以電極腔(10)的中心軸為對(duì)稱軸對(duì)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(nèi)，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(nèi)，所述高壓電極(6 )和低壓電極(I)以電極腔(10)的中心軸為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置， 所述進(jìn)氣嘴(9)設(shè)置在第一絕緣氣室(3)上，所述出氣嘴(8)設(shè)置在第二絕緣氣室(12)上，所述第一絕緣氣室(3)內(nèi)設(shè)置有進(jìn)氣通道(14)，所述第二絕緣氣室(12)內(nèi)設(shè)置有出氣通道(15)，所述進(jìn)氣通道(14)的一端與進(jìn)氣嘴(9)相通，所述進(jìn)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(duì)稱，第一隔塞和第二隔塞的橫截面為W型。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種低電感氣體火花開關(guān)，解決了現(xiàn)有的氣體火花開關(guān)無法單獨(dú)提供上百伏電壓的技術(shù)問題，該開關(guān)包括密封筒、高壓電極、低壓電極、進(jìn)氣嘴和出氣嘴，密封筒包括依次設(shè)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(cè)壁上以電極腔的中心軸為對(duì)稱軸對(duì)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(nèi)，上述低壓電極固定在第二電極基座上且位于電極腔內(nèi)，進(jìn)氣嘴設(shè)置在第一絕緣氣室上，出氣嘴設(shè)置在第二絕緣氣室上。
文檔編號(hào)H01T19/04GK202957450SQ201220570258
公開日2013年5月29日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者郭恩全, 黃建軍, 劉順坤 申請(qǐng)人:陜西海泰電子有限責(zé)任公司