一种阵列微空心阴极放电触发的气体开关

摘要

本发明属于脉冲功率技术领域，具体为一种阵列微空心阴极放电触发的气体开关。开关结构主要包括：外绝缘筒、主电极、阵列微空心阴极放电发生器、气动接头、连接和加固部件等。阵列微空心阴极放电发生器作为开关的触发器，为阳极‑介质层‑阴极三层结构，其上通过激光打孔实现若干微孔阵列。发生器在脉冲电压作用下实现微空心阴极放电，利用阵列放电产生的大面积的高密度电子作为初始诱导电子，最终实现开关的击穿导通。由于触发器采用微等离子体放电实现，相较传统三电极场畸变和多极多通道开关的触发机制，触发电压低、触发所需能量小，有利于开关触发电源的小型化；同时多触发器多点的同步触发，可实现开关的多通道击穿导通，降低开关的导通电感。

权利要求

1.一种阵列微空心阴极放电触发的气体开关，其特征在于，包括：开关主电极及其连接件、外绝缘筒、阵列微空心阴极放电发生器和气路接头；其中：

所述外绝缘筒形状为中空形圆筒，内壁用于安装开关主电极和阵列微空心阴极放电发生器，中间设有若干通孔，提供触发电源设备的电气连接的通道，以及气路通道，实现开关内部气压的控制；外壁有圆弧形曲线结构用来增加表面距离，防止开关爬电；

所述开关主电极为上、下两个圆柱形电极，开关主电极连接件为两个，每个连接件分为圆盘和连接螺纹杆两部分，两个圆盘分别作为开关上电极连接盘和开关下电极连接盘，分别盖在外绝缘筒上、下两端，并用密封胶圈密封固定，同时作为开关与外部电路的电气连接；上、下两个圆柱形电极的一端部通过连接螺纹杆分别连接、固定于两个圆盘的中心部位，上、下两个圆柱形电极的另一端相对，形成主电极间隙，通过调整拧入连接螺纹杆的深度，可以灵活改变主电极间隙长短以适合不同电压要求的应用；

所述阵列微空心阴极放电发生器作为开关的触发器，为“阳极-介质层-阴极”的三层圆柱结构，阴极在内层，为实心圆柱结构，圆柱后端部开孔并攻螺纹，用于与连接件的电气连接，阳极在外层，为空心圆柱结构，包裹在整个发生器外部，介质层在中间，将两部分隔离并实现电气绝缘；在圆柱形阳极前端部表面有若干激光钻孔实现的微孔，这些微孔贯穿阳极、介质层，并深入到阴极前端面内，形成微孔阵列；阵列微空心阴极放电发生器共有三个，其后端部固定在外绝缘筒内壁的中部区域，并在同一平面内呈120度角度分布；三个阴极后端部经由阴极引出电极引出外绝缘筒外，三个阳极前端部表面正对主电极间隙，使产生的等离子体在最短路径上被加速至主电极间隙，三个阳极后端部通过连接环相互连接，并经由引出电极引出外绝缘筒；

所述气路接头采用快速气动接头，该气路接头共2个，为1个进气口接头，1个出气口接头，它们通过螺纹和密封圈固定在外绝缘筒中间部位。

2.根据权利要求1所述的阵列微空心阴极放电触发的气体开关，其特征在于：所述开关主电极的上、下两电极前端面经圆弧倒角处理，以便实现静态电压下的电场均匀分布。

3.根据权利要求1或2所述的阵列微空心阴极放电触发的气体开关，其特征在于：开关主电极采用黄铜材质，电极的连接件采用不锈钢材质，外绝缘筒采用有机玻璃材质，阵列微空心阴极放电发生器的阳极和阴极采用不锈钢材质，介质层采用聚四氟乙烯材质。

说明书

一种阵列微空心阴极放电触发的气体开关

技术领域

[0001] 本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种气体开关。

背景技术

[0002] 气体开关是以气体作为绝缘介质的开关，其主要特点是工作电压高、通流能力强，在大功率脉冲功率技术中应用广泛，比较典型的是应用在线性变压器驱动器（Linear Transformer Driver，以下简称 LTD）上。LTD是一种利用多路相对较低的电压模块，通过感应电压叠加技术获得高压大电流纳秒脉冲的脉冲功率源，大规模LTD由数万个放电模块构成，因此对开关触发特性提出了更高要求。目前LTD装置中多采用三电极场畸变或多极多通道开关，其触发的基本原理是利用触发脉冲电压对开关间隙电场分布的改变实现过压雪崩击穿，而改变开关内部电场分布所需的脉冲电压幅值很高，基本和开关工作电压在一个量级，使得开关的触发电路本身就是一个很难实现的快脉冲电源。

[0003] 近年来也出现了很多新颖的触发方式，紫外预触发和激光触发作为新颖的触发方式，触发机理与三电极场畸变和多极多通道开关不同，其通过紫外或激光照射开关间隙形成高密度电离区域，产生初始电子并诱导间隙雪崩击穿导通，但其同样需要配置能量很高的紫外或激光发生器，对于大规模LTD装置来说，触发装置同样十分复杂庞大。同样以产生诱导电子为目标，借助等离子体手段，用气体放电等离子体代替光电离，通过设计合理的电极结构，实现高密度等离子体放电的同时降低触发电压，进而可以有助实现触发器的小型化，将是一种可行有效的技术手段。

[0004] 微空心阴极（Micro-hollow Cathode，以下简称MHC）是一种可以在高气压下产生微放电等离子体的电极结构，其结构是由任意形状的阳极和微空心的阴极构成，根据空心阴极pD值乘积一定的理论（p指放电气体组分的气压，D指阴极的空心直径），由于微孔尺寸在亚毫米量级，其可实现在大气压下的辉光放电；另一方面，微空心阴极的环形电极结构使得电子在阴极径向电场的作用下，实现了振荡过程，大大增加了碰撞电离的机会，所以该放电可以实现很高的电子密度；同时，为了得到更大规模的放电，通常在一个平板阴极上加工多个微孔，实现阵列微孔放电；最后，由于尺寸微小，放电所需要的触发电压很低，通常只需要几千伏。高气压放电、大面积阵列放电等离子体、高电子密度以及低触发电压这些特性，为其作为气体开关触发源提供了很好的理论基础。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提出一种新型气体放电开关，以解决目前传统三电极场畸变和多极多通道气体开关的触发电压高、同步触发难度大、在大规模开关使用领域方面难以实现触发电源的小型化的问题。

[0006] 本发明提出的新型气体放电开关结构，是一种利用阵列微空心阴极放电触发的气体放电开关，具体是利用阵列微空心阴极放电产生的微等离子体所具有的触发电压低、产生的电子高密度以及可实现大面积多孔阵列放电的优点，将其作为触发手段应用在气体开关中，从而解决了目前传统三电极场畸变和多极多通道气体开关的触发电压高、同步触发难度大、在大规模开关使用领域方面难以实现触发电源的小型化的问题。

[0007] 本发明提供的阵列微空心阴极放电触发的气体开关，主要部件包括：开关主电极及其连接件、外绝缘筒、阵列微空心阴极放电发生器及气路接头；其结构如图1和图2所示，其中：

[0008] 所述外绝缘筒形状为中空形圆筒，内壁用于安装开关主电极和阵列微空心阴极放电发生器，中间设有若干通孔，提供触发电源设备的电气连接的通道，以及气路通道，实现开关内部气压的控制；外壁有圆弧形曲线结构用来增加表面距离，防止开关爬电；

[0009] 所述开关主电极为上、下两个圆柱形电极，开关主电极连接件为两个，每个连接件分为圆盘和连接螺纹杆两部分，两个圆盘分别盖在外绝缘筒上、下两端，并用密封胶圈密封固定，同时作为开关与外部电路的电气连接；上、下两个圆柱形电极的一端部通过连接螺纹杆分别连接、固定于两个圆盘的中心部位，上、下两个圆柱形电极的另一端相对，形成主电极间隙，通过调整拧入连接螺纹杆的深度，可以灵活改变主电极间隙长短以适合不同电压要求的应用；参见图1所示。

[0010] 其中，两电极端部的面宜加工成一定的圆弧倒角，以便实现静态电压下的电场均匀分布。

[0011] 其中，开关主电极可采用黄铜材质，连接件可采用不锈钢材质。

[0012] 所述阵列微空心阴极放电发生器作为开关的触发器是本开关的核心部件，其总体结构为“阳极-介质层-阴极”的三层圆柱结构，阴极在内层，为实心圆柱结构，圆柱后端部开孔并攻螺纹，用于与连接件的电气连接，阳极在外层，为空心圆柱结构，包裹在整个发生器外部，介质层在中间，将两部分隔离并实现电气绝缘；在圆柱形阳极前端部表面有若干激光钻孔实现的微孔，这些微孔贯穿阳极、介质层，并深入到阴极前端面内，形成微孔阵列；阵列微空心阴极放电发生器共有三个，其后端部固定在外绝缘筒内壁的中部区域，并在同一平面内呈120度角度分布；三个阴极后端部经由阴极引出电极引出外绝缘筒外，三个阳极前端部表面正对主电极间隙，使产生的等离子体可以在最短路径上被加速至主电极间隙，三个阳极后端部通通连接环相互连接，并经由引出电极引出外绝缘筒，参见图2所示。发生器在脉冲电压作用下实现微空心阴极放电，利用阵列放电产生的大面积的高密度电子作为初始诱导电子，最终实现开关的击穿导通。

[0013] 发生器的阴极和阳极可采用不锈钢材质，介质层采用聚四氟乙烯材质，且外部所有分界面均经一定倒角处理，实现圆滑过渡。

[0014] 所述气路接头采用快速气动接头，该气路接头共2个，为1个进气口接头，1个出气口接头，它们通过螺纹和密封圈固定在外绝缘筒中间部位，参见图2所示。

[0015] 本发明的优点主要体现在：

[0016] 1、相较传统的三电极场畸变和多级多通道开关，触发不再依靠巨大幅值的脉冲电压（和开关工作电压在一个量级）通过改变开关内部电场分布来实现过压雪崩击穿，而是通过阵列微空心阴极放电产生的大面积的高密度电子诱导间隙击穿，由于微空心阴极放电为微等离子体放电，其所需的触发电压很低（几个千伏），所需触发能量很小（焦耳甚至毫焦量级），可以大大缩小触发脉冲电源的体积和绝缘强度要求，有利于实现大规模LTD装置的触发设备的小型化；

[0017] 2、阵列式的微空心阴极结构，可实现在一套触发电源设备、一个触发脉冲作用下，实现多个微孔并联同步放电，在单微孔放电的基础上，使用同样的电源设备，却大大提高了微放电等离子体的面积，促进产生更多更大面积的初始诱导电子。大面积高密度初始电子的产生可以更容易诱导开关间隙的雪崩击穿，从开关的参数角度，将有利于缩短开关延时和抖动；另一方面，由于大面积阵列放电的产生，开关更容易被触发导通，这使得开关可以进一步降低其工作系数（开关工作系数定义是：开关的工作电压与开关静态自击穿电压的比值），这将有助于提高开关工作的稳定性，减少开关多次触发带来的自击穿概率上升的问题；

[0018] 3、采用三个阵列微空心阴极放电发生器呈水平120度分布排列，可以在一次触发过程中，产生三个大面积阵列放电，实现开关在主间隙上形成多个雪崩击穿通道，多电弧通道可以使开关的导通电感降低（相当于几个导通电感的并联），可以起到类似多极多通道开关所达到的效果，而又比多极多通道开关电极结构更简单，触发更易实现；

[0019] 4、传统的三电极场畸变或多极多通道开关，中间的触发电极在开关导通时将作为过渡电极起到连接两个子间隙（上下电极分别与中间触发电极形成子间隙）电弧的作用，此时触发极是导通回路的一部分，由于开关导通时主电极高压被引入触发电极，触发电源需要充分考虑电气隔离，以防止被大电压和过电流损坏。而采用本开关等离子体触发方式，触发结构仅作为一个等离子体发生器产生诱导电子，其本身不在开关回路中，且发生器本身为垂直于开关间隙放置，最大限度的减小开关导通回路对触发结构的影响，这可以简化触发电源隔离系统的设计，同样有利于实现开关触发电源的小型化，也进一步降低对触发电气线路的绝缘要求。

附图说明

[0020] 图1为本气体开关的主体结构示意图。

[0021] 图2为本气体开关的俯视截面图。

[0022] 图3为阵列微空心阴极表面结构图。

[0023] 图中标号：1-开关上电极连接盘，2-电极连接盘固定螺丝，3-密封胶圈，4-开关上电极，5-触发发生器阴极引出电极，6-外绝缘筒，7-开关下电极，8-开关下电极连接盘，9-触发发生器阳极，10-触发发生器介质层，11-微孔阵列结构，12-触发发生器固定座，13-触发发生器阴极，14-触发发生器阳极连接环，15-气动接头，16-触发发生器阳极引出电极，17-阳极固定螺母。

具体实施方式

[0024] 气体开关的加工实施：

[0025] 本发明所实现的气体开关主体结构为圆柱形（参考附图1），开关主电极分为上、下两个电极4、7，分布在外绝缘筒体6的上、下两侧，外绝缘筒6内部中间为阵列微空心阴极发生器，以及进出气接头。外绝缘筒采用有机玻璃材质，参考尺寸为：筒高90mm、筒壁厚15mm、内外直径分别为56mm和86mm，亦可根据具体工作电压和工作环境设计相应外尺寸，外表面防爬电螺纹可根据电压等级相应设计；开关主电极为实心圆柱体，直径为10mm，采用黄铜材质，边缘3mm倒角，该倒角角度亦可根据开关具体尺寸设计通过电磁场仿真软件设计相应的数值；开关上电极的连接盘1采用不锈钢材质，盘尺寸略小于外绝缘筒，覆盖于外绝缘筒上下表面，起到固定上下主电极和形成内部密闭空间的作用，开关上电极连接盘1表面边缘开孔，通过固定螺丝2与外绝缘筒6固定，开关上电极连接盘1与外绝缘筒6通过密封胶圈3实现密封；进、出气的气动接头15采用现成购买的通用快速气动接头，该接头通过螺纹和密封胶带进行固定密封，安装方便，可实现气路的快速插拔式连接，无需其他密封固定手段；

[0026] 触发发生器阴极13和触发发生器阳极9为不锈钢材质，表面做圆弧倒角处理，介质层10为聚四氟乙烯材质，阳极和介质层厚度控制在0.8 1mm，三部分采用粘接方式组合成~型，并用半固体绝缘胶进行加固和缝隙的填充，发生器外直径为8mm，筒长15mm，实施时的具体尺寸可根据开关尺寸设计做适当调整；3个发生器呈120度角度均匀分布在开关的中间平面（参考附图2），其中每个发生器的阴极均通过触发发生器阴极引出电极5引出，3个发生器的阳极9通过不锈钢的连接环14相连，连接环14的设计尽可能贴近绝缘筒内壁，并通过一个不锈钢的触发发生器阳极引出电极16引出，环形贴壁的设计可以尽可能减小触发电极对开关间隙电场的影响；微孔阵列结构采用激光精密加工方式，单个微孔11尺寸在0.5 0.7mm，~
孔间距0.8 1mm，微孔的阵列方式可参考附图3，亦可以设计其他形状的阵列方式，微孔贯通~
阳极、介质层，并进入阴极前端部1mm的深度，激光加工精度高，且一致性更好，其他可参考的加工方式还包括精密机械加工和刻蚀等离子体加工等。

[0027] 气体开关的工作方式：

[0028] 本气体开关使用时需要配合相应的脉冲电源设备、气路控制设备以及高电压设备使用。气体开关的上、下电极通过电极连接盘与外部高压电路连接，外部高压一般为高电压的储能电容或者充电的传输线；快速气动接头连接外部气体控制设备，可根据需求调节气体开关内部的气压和气体组分；通过调整上、下电极间距（即开关的击穿间隙）和气体组分及气压可实现不同的开关静态自击穿电压，该数值决定了开关工作电压的上限，可在具体使用时根据实际工作参数确定合适的值，确定依据为巴申定理：在一定的气体组分下，击穿间隙与气压的乘积决定间隙的自击穿电压；气体开关中部的阵列微空心阴极放电发生器有4个引出电极，分别为3个发生器的3个阴极和1个共用阳极，实施时一般3个阴极连接在一起，通过引出电极实现与脉冲电源设备的电气连接。开关工作时，当通过脉冲电源设备给出一个合适的触发电压脉冲时，可以实现触发发生器的阵列微空心阴极放电，诱导击穿间隙发生击穿，实现开关导通。