[实用新型]高重复频率大电流开关

说明书

本实用新型为高重复频率大电流开关属于脉冲激光器电源关键部件。

目前国内外在脉冲激光器中所使用的开关主要有以下几种形式。

闸流管：如充氢闸流管、接地栅闸流管等。需要灯丝加热系统及相应绝缘，制造工艺复杂，需由专门厂家生产，价格贵。

火花球隙开关：如充气（充N₂、SF₆、空气等）或不充气火火花隙开关，电极均为球形。在较高重复频率工作时，需要进行气体流动或循环流动冷却。放电区域集中，电极易烧蚀，需经常打开擦揩或更换，使用频率不超过100Hz，寿命也较短。

低真空膺电火花隙开关：有多个电极，需配多套电源，还需要一套抽真空和维持一定气压的系统，电极位置、形状和电位配置也比较复杂。

针对已有技术中存在的结构复杂，配套设备多的问题，本实用新型提供了一种构造简单，使用方便，没有灯丝，不需抽气和充气设备的高重复频率大电流火花开关。

本实用新型主要是采用了能产生不断变换位置或旋转的电弧放电电极系统，减少开关内能量损失，采用易于传热的新型绝缘材料和开关结构形式，配合专用高压脉冲触发器等以提高开关重复频率和平均导通功率。

图1是本实用新型的总体结构图。

图2为本实用新型的高压触发器方框图及实施电气原理图。

下面结合附图1、图2，对本实用新型的结构及原理加以详细介绍：

将阳极（1）放电区作成圆筒形，阴极（4）放电区作成平面，阴极（4）和阳极（1）均为大圆盘结构。触发极（5）放在阴极（4）内，调节其相对位置，使触发极（5）顶端与阴极（4）平面相距3～6mm。在触发极（5）上加入10～20KV的一定波形的高压脉冲后，触发极（5）与阴极（4）表平面产生位置不断跳动或旋转的放电火花，火花区半径与阳极（1）圆筒半径大致相等。在火花激发下，阳极（1）和阴极（4）两主电极间产生电弧放电，开关于是导通。由于阳极（1）作成圆筒形特殊结构，主放电电弧将在阳极（1）圆筒端面和阴极（4）放电区内不断变换位置或旋转，大大减轻电极表面固定点的烧蚀，延长使用寿命。

同时，开关导通后，电弧沿阳极（1）圆筒端面和阴极（4）间收缩，电流密度加大，因此对外电路，电弧阻抗极小，能量损失和电压降很小，提高电源效率。

采用新型可加工陶瓷作为开关主体封装绝缘材料。可加工陶瓷具有好的传热、电气及加工性能。开关导通后损耗产生的热量，通过阴阳极大圆盘和开关四壁向外迅速传播。因此即使在最高重复频率运转时，开关宏观温升亦很小，可以忽略不计。

电气控制部分，利用产生10～20KV高压脉冲触发器，提供实验时间和重复频率可调的触发源，与开关本体相结合，组成一套高重复频率大电流开关部件。由于本实用新型阴极、阳极采用了大圆盘结构，阴极放电区采用了圆筒形结构，并使触发极顶端低于阴极放电区表平面，因此使本实用新型具有重复频率高、导通功率大、工作稳定可靠、结构简单、寿命较长的优点，可广泛用于大功率激光器中。

现结合附图1、2介绍本实用新型的一个实施例：

一个工作电压为20KV（可扩展至50KV），重复频率为250Hz，平均导通功率为3KW的高重复频率大电流开关，其总体结构如图1所示，

阳极〔1〕和阴极〔4〕用黄铜作成圆盘式结构，阳极〔1〕端面作成圆筒形，阴极〔4〕表面作成平面，绝缘封装套〔3〕用可加工陶瓷，将阳极〔1〕和阴极〔4〕联结封装在一起，〔1〕和〔4〕之间的距离可通过〔3〕上的螺纹调节，以提高或减小放电电压，距离调节好后，阳极〔1〕由锁环〔2〕锁紧，阴极〔4〕由销钉〔9〕将位置固定，触发极〔5〕用钨棒制成，头部磨成尖端，以利于产生触发火花，触发极〔5〕通过内绝缘套〔6〕与阴极〔4〕绝缘，〔6〕用聚四氟乙烯材料作成，触发极〔5〕可在内绝缘套〔6〕内上下移动，以调节〔5〕和〔4〕之间的最佳触发距离，约在3～6mm之间。〔7〕是触发极引入端，〔8〕是阴极引入端，〔10〕是阳极引入端，〔7〕、〔8〕、〔10〕均为铜料，是开关与电路的联结端。

实施电气原理图如图〔2〕所示。当按下手动按钮〔11〕后，由延时电路〔12〕产生约1秒钟的时延，延时的目的是使操作者的手离开按钮〔11〕后才产生高压放电，减轻操作者心理负担，增加安全感，延时1秒钟，由〔12〕发出脉冲信号至中间控制电路〔13〕，〔13〕接到指令后，同时发出两路脉冲，一路至时间控制电路〔15〕，控制开关工作时间，一路至频率控制电路〔16〕，控制开关工作频率，〔14〕为低压直流电源，分别给〔12〕、〔13〕、〔15〕、〔16〕供电，由频率控制电路〔16〕发出一组低压脉冲至可控硅电路〔19〕，可控硅导通后，中压直流电源〔18〕通过可控硅向高压脉冲变压器〔20〕的原边放电，经〔20〕的副边将电压提升至大于10KV的脉冲后，触发本实用新型的本体开关〔21〕，高压直流电源或储能脉冲电容器〔17〕通过开关〔21〕向激光器负载〔22〕放电，将能量注入到激光腔中。当达到予定时间后，由时间控制电路〔15〕向中间控制电路〔13〕发回一个停止脉冲信号，使实验中止，从而完成试验工作。