[发明专利]一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关有效

专利信息
申请号: 202110401991.4 申请日: 2021-04-14
公开(公告)号: CN113013732B 公开(公告)日: 2022-04-08
发明(设计)人: 李嵩;曾凡正;高景明;杨汉武;钱宝良;张自成;葛行军;王蕾;蔡浩;王俊婷 申请(专利权)人: 中国人民解放军国防科技大学
主分类号: H01T1/22 分类号: H01T1/22;H01T14/00
代理公司: 湖南兆弘专利事务所(普通合伙) 43008 代理人: 陈晖
地址: 410073 湖*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 一种 具有 尖峰 电极 结构 异形 击穿 高压 气体 开关
【说明书】:

发明公开了一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关,目的是解决现有自击穿气体开关由于没有触发极造成其自击穿不稳定,自击穿电压离散度较大等问题。本发明由阴极电极、阳极电极、阴极杆、阳极杆和绝缘腔体组成。阴极杆和阳极杆通过螺栓固定在绝缘腔体上,阴极电极和阳极电极通过螺纹孔分别固定在阴极杆和阳极杆上。绝缘腔体由绝缘筒,前绝缘端板和后绝缘端板构成。阳极电极的阳极突出部位和阴极电极的阴极突出部位加工成粗糙度为N的带尖峰结构;通过增大开关电极表面粗糙度,增大电极表面电场,促使开关电极表面电子产生,使开关击穿更加稳定,减小自击穿电压离散度从而提升自击穿高压气体开关工作稳定性。

技术领域

本发明涉及高功率脉冲驱动源技术领域的自击穿气体开关,尤其是一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关。

背景技术

高功率脉冲驱动源技术是通过高功率脉冲发生器将相对较长的时间内存储起来的能量在很短的时间内迅速释放出来的一门科学技术。近年来,随着高功率脉冲发生器在高重频、高稳定性、长寿命等方向的发展,高功率脉冲驱动源技术已经广泛应用在高能激光、高功率微波、生物医疗、环境保护和材料处理等领域。

开关作为高功率脉冲发生器中的核心器件,起着连接储能器件与负载的作用,其特性很大程度决定了输出脉冲的波形。开关分为气体开关、磁开关及半导体开关等。目前,气体开关由于其工作电压高、通流能力强、成本低廉,形制灵活多样,被普遍应用于高功率脉冲发生器中。气体开关主要分为自击穿开关和触发开关。与自击穿开关相比,触发开关具有触发极,开关结构较复杂,其触发极易烧蚀,会影响触发开关的寿命和场合。自击穿开关具有结构简单的优点,但是开关抖动相对于触发开关较大。基于此,研究低抖动、长寿命及稳定性高的自击穿气体开关在高功率脉冲功率领域具有重要的应用前景。

对于自击穿气体开关,自击穿电压离散度是评判其工作稳定性的一个重要因素。传统观念认为,电极表面粗糙度越小、整体越光滑,电极击穿越稳定,自击穿电压离散度越小。然而,在前期的研究中发现,在自击穿实验中,气体开关电极表面会不断被烧蚀,并产生凸起与坑蚀。这些凸起和坑蚀会改变电极表面的平整度,从而影响自击穿的稳定性。基于此,如果增大电极表面粗糙度,电极表面的电场会增强,初始电子会集中在电极表面小范围内,从而电极烧蚀会集中,气体开关更加稳定,从而减小自击穿电压的离散度。

西安交通大学吴佳玮在学术论文《Experimental Study of Self-breakdownVoltage Statistics in Cu-W Electrode Spark Gap Switches》【Jiawei Wu.“Experimental Study of Self-breakdown Voltage Statistics in Cu-W ElectrodeSpark Gap Switches”,Transactions on Dielectricsand Electrical Insulation,Vol.24,2017(关于铜钨电极自击穿气体开关的实验研究,电介质与电气绝缘,24卷,页码:2056-2065,2017年)”】中报道了一种如图1所示的自击穿气体开关。该气体开关关于NN’旋转对称。该自击穿气体开关由绝缘腔体1、阴极杆2、阳极杆3、阴极电极4和阳极电极5组成。绝缘腔体1是一个带两个端面的圆柱形空腔,由绝缘筒101,前绝缘端板102和后绝缘端板103构成。前绝缘端板102固定安装在绝缘筒101的左端(连接高压电源的一端),后绝缘端板103固定安装在绝缘筒101的右端(连接负载的一端),前绝缘端板102和后绝缘端板103关于AA’对称。阴极杆2和阳极杆3形状和结构相同,在位置上关于AA’对称。阴极电极4固定在阴极杆2的右端,处于绝缘腔体1内,阳极电极5固定在阳极杆3的左端,处于绝缘腔体1内。但绝缘腔体1、阴极杆2、阳极杆3、阴极电极4和阳极电极5的具体形状与结构在文中并未详细描述。图1所示的自击穿气体开关在2万次脉冲实验中,自击穿电压约为32.4kV,自击穿电压离散度较大,为10.2%。说明其自击穿电压不稳定,限制了该气体开关在脉冲功率装置中的应用。

发明内容

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