一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关

摘要

本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。

权利要求

1.一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关由绝缘腔体(1)、阳极杆(2)、阴极杆(3)、阳极电极(4)和阴极电极(5)组成；

定义具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关连接高压电源的一端为输入端即左端，定义具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关连接负载的一端为输出端即右端；阳极杆(2)和阴极杆(3)通过螺栓固定在绝缘腔体(1)上，阳极电极(4)固定在阳极杆(2)的右端，处于绝缘腔体(1)内，阴极电极(5)固定在阴极杆(3)的左端，处于绝缘腔体(1)内；

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)和后绝缘端板(103)结构完全相同，前绝缘端板(102)固定安装在绝缘筒(101)的左端，后绝缘端板(103)固定安装在绝缘筒(101)的右端，前绝缘端板(102)和后绝缘端板(103)关于BB’对称；

其特征在于：

绝缘筒(101)的长度为L，内半径为R1，外半径为R2，R1

绝缘筒(101)的两个端面均匀攻有S个第一螺纹孔(1011)，S>1；第一螺纹孔(1011)直径为M，M

前绝缘端板(102)是绝缘材料制成的圆盘，圆盘半径等于R2，厚度为T；在中心线半径为位置处钻S个第一通孔(1021)，第一通孔(1021)孔径等于M，前绝缘端板(102)通过S个第一通孔(1021)与绝缘筒(101)的左端面通过螺杆连接；前绝缘端板(102)的中心O处钻有半径为R3的第二通孔(1022)和半径为R4的第一定位槽(1023)，R4>R3；第一定位槽(1023)深度为H；

阳极杆(2)是带圆盘的圆杆，由左侧阳极圆杆(201)、阳极圆盘(202)和右侧阳极圆杆(203)构成；阳极圆盘(202)材料为不锈钢，焊接在左侧阳极圆杆(201)、右侧阳极圆杆(203)之间，将左侧阳极圆杆(201)、右侧阳极圆杆(203)连在一起；左侧阳极圆杆(201)长度为L1，半径等于第二通孔(1022)的半径R3；阳极圆盘(202)半径等于第一定位槽(1023)的半径R4，厚度等于第一定位槽(1023)的深度H；右侧阳极圆杆(203)长度为L2，半径等于第二通孔(1022)的半径R3；左侧阳极圆杆(201)从前绝缘板(102)右侧穿过第二通孔(1022)，阳极圆盘(202)嵌在第一定位槽(1023)中，左侧阳极圆杆(201)通过螺栓固定在前绝缘端板(102)上，且左侧阳极圆杆(201)左端连接高压电源；右侧阳极圆杆(203)右端攻有螺纹，与阳极电极(4)连接；

阴极杆(3)与阳极杆(2)形状和结构完全相同，安装位置关于中心线BB’对称；阴极杆(3)是带圆盘的圆杆，由左侧阴极圆杆(301)、阴极圆盘(302)和右侧阴极圆杆(303)构成；圆盘材料为不锈钢，焊接在左侧阴极圆杆(301)、右侧阴极圆杆(303)之间；左侧阴极圆杆(301)长度等于右侧阳极圆杆(203)长度L2，半径等于第三通孔(1032)的半径R3；阴极圆盘(302)半径等于R4，厚度等于H；右侧阴极圆杆(303)长度等于左侧阳极圆杆(201)长度L1，半径等于R3；右侧阴极圆杆(303)从后绝缘板(103)左侧穿过第三通孔(1032)，阴极圆盘(302)嵌在第二定位槽(1033)中，右侧阴极圆杆(303)通过螺栓固定在后绝缘端板(103)上；右侧阴极圆杆(303)右端连接负载；左侧阴极圆杆(301)左端攻有螺纹，与阴极电极(5)连接；

阳极电极(4)是异形结构，材料为不锈钢、铜钨合金、黄铜中任意一种；阳极电极(4)整体呈一个端面带有凹坑的圆盘状，圆盘外侧面不是规整的圆环，而是加工成向外突起的圆面；圆盘半径为R5，圆盘最大厚度为L3，其中R3

阳极突出部位(401)加工成粗糙度为N的表面，将电极表面加工成带尖峰结构，粗糙度N根据表面粗糙度等级对照表确定；取阳极突出部位(401)中一条轴线即阳极突出部位(401)内边沿到阳极突出部位(401)外边沿的连线K放大，将轴线K看做是若干个尖峰构成；轴线K长度为L6，尖峰宽度为l，尖峰高度为h，尖峰间隔为d，尖峰个数n＝L6/(l+d)；根据表面粗糙度等级对照表，表面粗糙度N越大，尖峰宽度l越大，尖峰高度h越高，尖峰间隔d越大，尖峰个数n越少，通过增大电极表面粗糙度N增大电极表面电场，促使开关电极表面电子产生，提升开关工作稳定性；

阴极电极(5)与阳极电极(4)形状、结构和材料相同，安装位置关于中心线BB’对称；阴极电极(5)的烧蚀发生在阴极突出部位(501)，阴极突出部位(501)与阳极突出部位(401)关于中心线BB’对称；阴极电极(5)右侧通过第四螺纹孔(502)与阴极杆(3)左端紧密连接。

2.如权利要求1所述的一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，其特征在于所述绝缘筒(101)的长度L为8～80cm，内半径为R1为10～50cm。

3.如权利要求1所述的一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，其特征在于所述前绝缘端板(102)的厚度T为2～10cm；前绝缘端板(102)的第二通孔(1022)半径的R3为0.5～5cm，前绝缘端板(102)的第一定位槽(1023)的深度H为0.5～1cm。

4.如权利要求1所述的一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，其特征在于所述左侧阳极圆杆(201)长度L1为1～20cm，右侧阳极圆杆203长度L2为1～20cm。

5.如权利要求1所述的一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，其特征在于所述左侧阳极圆杆(201)、右侧阳极圆杆(203)是一根完整的圆杆，阳极圆盘(202)中心挖有一个半径等于R3的通孔，左侧阳极圆杆(201)、右侧阳极圆杆(203)组成的圆杆插在阳极圆盘(202)中心的通孔中并焊接固定，构成阳极杆(2)。

6.如权利要求1所述的一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，其特征在于所述左侧阴极圆杆(301)、右侧阴极圆杆(303)是一根完整的圆杆，阴极圆盘(302)中心挖有一个半径等于R3的通孔，左侧阴极圆杆(301)、右侧阴极圆杆(303)组成的圆杆插在阴极圆盘(302)中心的通孔中并焊接固定，构成阴极杆(3)。

7.如权利要求1所述的一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，其特征在于所述阳极电极(4)的粗糙度N为0.8或1.6或3.2或6.3或12.5；阳极突出部位(401)半径为R8，R8＝R5‑R6；阳极突出部位(401)宽度为L6，0.05R6

8.如权利要求1所述的一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，其特征在于所述阳极电极(4)右端面统一加工成粗糙度为N的异形面。

说明书

一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 西安交通大学吴佳玮在学术论文《Experimental Study of Self‑breakdown Voltage Statistics in Cu‑W Electrode Spark Gap Switches》【Jiawei Wu.
“Experimental Study of Self‑breakdown Voltage Statistics in Cu‑W Electrode 
Spark 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

[0006] 本发明要解决的技术问题是针对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不足，提供一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高
压气体开关，通过增大开关电极表面粗糙度，将电极表面加工成带尖峰结构，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。

[0007] 本发明的技术方案是：本发明中具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关由阴极电极、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。定义本发明连接高压电源的一端(即前绝缘端板一
侧)为输入端(左端)，定义本发明连接负载的一端(即后绝缘端板一侧)为输出端(右端)。

[0008] 绝缘腔体是一个带两个端面的圆柱形空腔，由绝缘筒，前绝缘端板和后绝缘端板构成。绝缘筒101的长度为L，壁厚为W＝R2‑R1，内半径为R1，外半径为R2(R180cm，R1一般为10～50cm，采用绝缘材料制成。前绝缘端板和后绝缘端板结构完全相同，均
为半径等于R2的圆盘，厚度为T。前绝缘端板固定安装在绝缘筒的左端，后绝缘端板固定安
装在绝缘筒的右端，前绝缘端板和后绝缘端板关于BB’对称。前绝缘端板和后绝缘端板的中
心均钻有通孔。

[0009] 绝缘筒的两个端面均匀攻有S(S>1)个第一螺纹孔。第一螺纹孔直径为M(M径等于M的螺杆与前绝缘端板固定相连，绝缘筒的右端面通过第一螺纹孔中插入的直径等
于M的螺杆与后绝缘端板固定连接。

[0010] 前绝缘端板是绝缘材料制成的圆盘，圆盘半径为R2，厚度为T，T一般为2～10cm。在中心线半径为 位置处钻S个第一通孔，第一通孔孔径等于M，前绝缘端板通过S个
第一通孔与绝缘筒的左端面通过螺杆连接。前绝缘端板的中心O处钻有半径为R3的第二通
孔和半径为R4的第一定位槽，R3一般为0.5～5cm，R4>R3。第一定位槽1023深度为H，H一般为
0.5～1cm。

[0011] 后绝缘端板与前绝缘端板形状和结构完全相同，安装位置关于中心线BB’与前绝缘端板对称。后绝缘端板通过螺杆与绝缘筒的右端连接。

[0012] 阳极杆是带圆盘的圆杆，由左侧阳极圆杆、阳极圆盘和右侧阳极圆杆构成。阳极圆盘材料一般为不锈钢，焊接在左侧阳极圆杆、右侧阳极圆杆之间，将左侧阳极圆杆、右侧阳
极圆杆连在一起。左侧阳极圆杆长度为L1，L1一般为1～20cm，半径等于第二通孔的半径R3。
阳极圆盘半径等于第一定位槽的半径R4，厚度等于第一定位槽的深度H。右侧阳极圆杆长度
为L2，L2一般为1～20cm，半径等于第二通孔的半径R3，左侧阳极圆杆从前绝缘板右侧穿过第
二通孔，阳极圆盘嵌在第一定位槽中，左侧阳极圆杆通过螺栓固定在前绝缘端板上，且左侧
阳极圆杆左端连接高压电源。右侧阳极圆杆右端攻有螺纹，与阳极电极连接。左侧阳极圆
杆、右侧阳极圆杆也可是一根完整的圆杆，此时阳极圆盘中心挖有一个半径等于R3的通孔，
左侧阳极圆杆、右侧阳极圆杆组成的圆杆插在阳极圆盘中心的通孔中并焊接固定，即构成
阳极杆。

[0013] 阴极杆与阳极杆形状和结构完全相同，安装位置关于中心线BB’对称。阴极杆是带圆盘的圆杆，由左侧阴极圆杆、阴极圆盘和右侧阴极圆杆构成。圆盘材料一般为不锈钢，焊
接在左侧阴极圆杆、右侧阴极圆杆之间。左侧阴极圆杆长度等于右侧阳极圆杆长度L2，半径
等于第三通孔的半径R3。阴极圆盘半径等于R4，厚度等于H。右侧阴极圆杆长度等于左侧阳极
圆杆长度L1，半径等于R3。右侧阴极圆杆从后绝缘板左侧穿过第三通孔，阴极圆盘嵌在第二
定位槽中，右侧阴极圆杆通过螺栓固定在后绝缘端板上，右侧阴极圆杆右端连接负载。左侧
阴极圆杆左端攻有螺纹，与阴极电极连接。左侧阴极圆杆、右侧阴极圆杆也可是一根完整的
圆杆，此时阴极圆盘中心挖有一个半径等于R3的通孔，左侧阴极圆杆、右侧阴极圆杆组成的
圆杆插在阴极圆盘中心的通孔中并焊接固定，即构成阴极杆。

[0014] 阳极电极是异形结构，材料为不锈钢、铜钨合金、黄铜中任意一种。阳极电极整体呈一个端面带有凹坑的圆盘状，但圆盘外侧面不是规整的圆环，而是加工成向外突起的圆
面。圆盘半径为R5，圆盘最大厚度为L3，其中R3端面距离为L3/2的与阳极杆垂直的线为阳极电极中心线SS’，定义中心线SS’左侧为阳极电
极4左端面，右侧为阳极电极右端面。阳极电极左端面攻有半径等于R3的第三螺纹孔，第三
螺纹孔402深度为L5，L5接。阳极电极外圈加工成圆面，半径为R6，圆面弧度CMD＝α，其中R6＝L3/2，π/2<α<3π/2。因为
圆面弧度CMD在π/2和3π/2之间，使得阳极电极右端面中心部位的厚度小于L3，从而形成阳
极凹坑。阳极凹坑半径为R7，R7＝R5‑R6‑R6 sin(α‑π/2)；阳极凹坑深度为L4，L4＝L3‑R6‑R6 
cos(a‑π/2)。阳极电极的烧蚀一般发生在阳极突出部位。因阳极电极烧蚀面较小，阳极突出
部位一般较小，可以近似认为是平面。

[0015] 阳极突出部位加工成粗糙度为N的表面，将电极表面加工成带尖峰结构，粗糙度N根据表面粗糙度等级对照表确定，一般为0.8或1.6或3.2或6.3或12.5。阳极突出部位一般
较小，为了加工方便，阳极电极右端面统一加工成粗糙度为N的异形面。阳极突出部位中心
半径为R8，R8＝R5‑R6；宽度为L5，0.05R6部位内边沿到阳极突出部位外边沿的连线)K放大，可以将轴线K看做是若干个尖峰构成。轴
线K长度为L5，尖峰宽度为l，尖峰高度为h，尖峰间隔为d，尖峰个数n＝L5/(l+d)。根据表面粗
糙度等级对照表，表面粗糙度N越大，尖峰宽度l越大，尖峰高度h越高，尖峰间隔d越大，尖峰
个数n越少(从机械加工工艺可知，只要确定了N，l、h、d、n也就确定了)。随着表面粗糙度N的
增大，尖峰宽度l和尖峰间隔d越大，尖峰个数n越少，容易发生击穿的点越少，击穿更容易集
中发生在少数几个尖峰位置。同时尖峰高度h越大，尖峰的电场越强，越容易发生击穿。因此
通过增大电极表面粗糙度N，可以增大电极表面电场，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，提升开关工作稳定性。

[0016] 阴极电极与阳极电极形状、结构和材料完全相同，安装位置关于中心线BB’对称。阴极电极的烧蚀一般发生在阴极突出部位，阴极突出部位与阳极突出部位关于中心线BB’
对称。阴极电极右侧通过第四螺纹孔与阴极杆左端紧密连接。

[0017] 本发明的工作原理为：高压直流电源将高压电信号不断加载到开关电极两端，随着电压的增大，达到气体开关的自击穿电压后，开关电极导通，能量传输到负载上，开关电
极两端电压降低，开关电极闭合。随后，高压信号持续加载到开关电极两端，开关电极不断
的导通与闭合，能量不断传输到负载上。通过将电极表面加工成带尖峰的结构，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。

[0018] 采用本发明可以达到以下技术效果：

[0019] 1.本发明通过将阳极突出部位和阴极电极突出部位加工成粗糙度为N的表面，将电极表面加工成带尖峰的结构，增大电极表面电场，有利于开关电极表面电子产生，减小自
击穿电压离散度，使开关击穿更加稳定。

[0020] 2.本发明原理简单，使用方便，应用范围广泛。

附图说明

[0021] 图1为背景技术所述开关总体结构图；

[0022] 图2是本发明总体结构图；

[0023] 图3为本发明绝缘筒左视图；

[0024] 图4为本发明前绝缘端板右视图；

[0025] 图5为本发明阳极杆结构图；

[0026] 图6为本发明阴极杆结构图；

[0027] 图7为本发明阳极电极示意图，图7(a)是阳极电极左侧视图，图7(b)是阳极电极右侧视图，图7(c)是阳极电极三维透视图；

[0028] 图8为本发明阳极电极侧视图；

[0029] 图9为本发明阳极电极的阳极突出部位右视图及轴线放大图，图9(a)是阳极突出部位右视图，图9(b)是阳极突出部位轴线放大图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图对本发明的结构以及工作原理作具体的说明：

[0031] 如图2所示，本发明由绝缘腔体1、阳极杆2、阴极杆3、阳极电极4和阴极电极5组成。阳极杆2和阴极杆3通过螺栓固定在绝缘腔体1上，阳极电极4固定在阳极杆2的右端，处于绝
缘腔体(1)内，阴极电极5固定在阴极杆3的左端，处于绝缘腔体(1)内；定义本发明连接高压
电源的一端为输入端(左端)，定义本发明连接负载的一端为输出端(右端)。

[0032] 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。绝缘筒101的长度为L，壁厚为W＝R2‑R1，内半径为R1，外半径为R2(R1图3)，R1一般为10～50cm，采用绝缘材料制成。前绝缘端板102和后绝缘端板103结构完全相
同，均为半径等于R2的圆盘(见图4)，厚度为T。前绝缘端板102固定安装在绝缘筒101的左
端，后绝缘端板103固定安装在绝缘筒101的右端，前绝缘端板102和后绝缘端板103关于BB’
对称。前绝缘端板102和后绝缘端板103的中心均钻有通孔。

[0033] 如图3所示，绝缘筒101的两个端面均匀攻有S(S>1)个第一螺纹孔1011。第一螺纹孔1011直径为M(M端面通过第一螺纹孔1011中插入的直径等于M的螺杆与前绝缘端板102固定相连，绝缘筒
101的右端面通过第一螺纹孔1011中插入的直径等于M的螺杆与后绝缘端板103固定连接。

[0034] 结合图4所示，前绝缘端板102是绝缘材料制成的圆盘，圆盘半径为R2，厚度为T(见图2)，T一般为2～10cm。在中心线半径为 位置处钻S个第一通孔1021，第一通孔
1021孔径等于M，前绝缘端板102通过S个第一通孔1021与绝缘筒101的左端面通过螺杆连
接。前绝缘端板102的中心O处钻有半径为R3的第二通孔1022和半径为R4的第一定位槽1023，
R3一般为0.5～5cm，R4>R3。第一定位槽1023深度为H(见图2)，H一般为0.5～1cm。

[0035] 结合图2所示，后绝缘端板103与前绝缘端板102形状和结构完全相同，安装位置关于中心线BB’与前绝缘端板102对称。后绝缘端板103通过螺杆与绝缘筒101的右端连接。

[0036] 如图5所示，阳极杆2是带圆盘的圆杆，由左侧阳极圆杆201、阳极圆盘202和右侧阳极圆杆203构成。阳极圆盘202材料一般为不锈钢，焊接在左侧阳极圆杆201、右侧阳极圆杆
203之间，将左侧阳极圆杆201、右侧阳极圆杆203连在一起。左侧阳极圆杆201长度为L1，L1一
般为1～20cm，半径等于第二通孔1022的半径R3。阳极圆盘202半径等于第一定位槽1023的
半径R4，厚度等于第一定位槽1023的深度H。右侧阳极圆杆203长度为L2，L2一般为1～20cm，
半径等于第二通孔1022的半径R3，左侧阳极圆杆201从前绝缘板102右侧穿过第二通孔
1022，阳极圆盘202嵌在第一定位槽1023中，左侧阳极圆杆201通过螺栓固定在前绝缘端板
102上(见图2)，且左侧阳极圆杆201左端连接高压电源。右侧阳极圆杆203右端攻有螺纹，与
阳极电极4连接。左侧阳极圆杆201、右侧阳极圆杆203也可是一根完整的圆杆，此时阳极圆
盘202中心挖有一个半径等于R3的通孔，左侧阳极圆杆201、右侧阳极圆杆203组成的圆杆插
在阳极圆盘202中心的通孔中并焊接固定，即构成阳极杆2。

[0037] 如图6所示，阴极杆3与阳极杆2形状和结构完全相同，安装位置关于中心线BB’对称(见图2)。阴极杆3是带圆盘的圆杆，由左侧阴极圆杆301、阴极圆盘302和右侧阴极圆杆
303构成。圆盘材料一般为不锈钢，焊接在左侧阴极圆杆301、右侧阴极圆杆303之间。左侧阴
极圆杆301长度等于右侧阳极圆杆203长度L2，半径等于第三通孔1032的半径R3。阴极圆盘
302半径等于R4，厚度等于H。右侧阴极圆杆303长度等于左侧阳极圆杆201长度L1，半径等于
R3。右侧阴极圆杆303从后绝缘板103左侧穿过第三通孔1032，阴极圆盘302嵌在第二定位槽
1033中，右侧阴极圆杆303通过螺栓固定在后绝缘端板103上(见图2)，右侧阴极圆杆303右
端连接负载。左侧阴极圆杆301左端攻有螺纹，与阴极电极5连接。左侧阴极圆杆301、右侧阴
极圆杆303也可是一根完整的圆杆，此时阴极圆盘302中心挖有一个半径等于R3的通孔，左
侧阴极圆杆301、右侧阴极圆杆303组成的圆杆插在阴极圆盘302中心的通孔中并焊接固定，
即构成阴极杆3。

[0038] 如图7所示，阳极电极4是异形结构，材料为不锈钢、铜钨合金、黄铜中任意一种。阳极电极4整体呈一个端面带有凹坑的圆盘状，但圆盘外侧面不是规整的圆环，而是加工成向
外突起的圆面。结合图8所示，圆盘半径为R5，圆盘最大厚度为L3，其中R3圆盘厚度方向距圆盘左右端面距离为L3/2的与阳极杆2垂直的线为阳极电极4中心线SS’，
定义中心线SS’左侧为阳极电极4左端面，右侧为阳极电极4右端面。阳极电极4左端面中心
攻有半径等于R3的第三螺纹孔402，第三螺纹孔402深度为L5，L5过第三螺纹孔402与右侧阳极圆杆203右端紧密连接。阳极电极4外侧面加工成圆面，圆面半
径为R6，圆面弧度CMD＝α，其中R6＝L3/2，π/2<α<3π/2。因为圆面弧度CMD在π/2和3π/2之间，
使得阳极电极4右端面中心部位的厚度小于L3，从而形成阳极凹坑403。阳极凹坑403半径为
R7，R7＝R5‑R6‑R6 sin(α‑π/2)；阳极凹坑403深度为L4，L4＝R6‑R6 cos(a‑π/2)。阳极电极4的
烧蚀一般发生在阳极突出部位401。因阳极电极4烧蚀面较小，阳极突出部位401(即图8所示
阳极电极4的右端面最突出的部位，因阳极电极4是圆盘状，因此从侧面看有2个突出部位)
一般较小，可以近似认为是平面。

[0039] 结合图9(a)所示，阳极突出部位401加工成粗糙度为N的表面，将阳极突出部位401表面加工成带尖峰结构，粗糙度N根据表面粗糙度等级对照表确定，一般为0.8、1.6、3.2、
6.3和12.5。阳极突出部位401从右视图来看是宽度为L6的圆环。阳极突出部位401一般较
小，为了加工方便，阳极电极4右端面统一加工成粗糙度为N的异形面。阳极突出部位401中
心半径为R8，R8＝R5‑R6；宽度为L6，0.05R6突出部位401内边沿到阳极突出部位401外边沿的连线)K放大，可以将轴线K看做是若干个
尖峰构成。如图9(b)所示，轴线K长度为L6，尖峰宽度为l，尖峰高度为h，尖峰间隔为d，尖峰
个数n＝L6/(l+d)。根据表面粗糙度等级对照表，表面粗糙度N越大，尖峰宽度l越大，尖峰高
度h越高，尖峰间隔d越大，尖峰个数n越少(从机械加工工艺可知，只要确定了N，l、h、d、n也
就确定了)。随着表面粗糙度N的增大，尖峰宽度l和尖峰间隔d越大，尖峰个数n越少，容易发
生击穿的点越少，击穿更容易集中发生在少数几个尖峰位置。同时尖峰高度h越大，尖峰的
电场越强，越容易发生击穿。因此通过增大电极表面粗糙度N，可以增大电极表面电场，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，提升开关工作稳定
性。

[0040] 如图2所示，阴极电极5与阳极电极4形状、结构和材料完全相同，安装位置关于中心线BB’对称。阴极电极5的烧蚀一般发生在阴极突出部位501，阴极突出部位501与阳极突
出部位401关于中心线BB’对称。阴极电极5右侧通过第四螺纹孔502与阴极杆3左端紧密连
接。

[0041] 下面给出一个具体实施例，令为实施例1。实施例1绝缘筒101是由有机玻璃制成的圆筒，内半径为R1＝20cm，外半径为R2＝25cm，长度为L＝20cm。绝缘筒101两侧端面均匀攻有
8个第一螺纹孔1011。第一螺纹孔1011孔径为8mm，第一螺纹孔1011中心线半径为R＝
22.5cm。前绝缘端板102是有机玻璃制成的圆盘，圆盘外半径等于R2＝25cm，厚度T＝2cm，在
中心线半径为R＝22.5cm位置处钻8个第一通孔1021。前绝缘端板102的中心O处钻有半径为
R3＝0.5cm的第二通孔1022和半径为R4＝2cm的第一定位槽1023，第一定位槽1023深度等于H
＝0.5cm。后绝缘端板103与前绝缘端板102形状和结构完全相同，安装位置关于中心线BB’
与前绝缘端板102对称。阳极杆2是带圆盘的圆杆，材料为不锈钢。左侧阳极圆杆201长度L1
＝3cm，半径R3＝0.5cm；右侧阳极圆杆203长度L2＝3cm，半径R3＝0.5cm；阳极圆盘203半径R4
＝2cm，厚度等于H＝0.5cm。阴极杆3与阳极杆2形状和结构完全相同，安装位置关于中心线
BB’对称。阳极电极4与阴极电极5是异形结构，半径R5＝2cm，宽度L3＝1.0cm。阳极电极4外侧
面加工成圆面，半径R6＝0.5cm，圆面弧度COD＝2π/3。阳极电极4右端面形成阳极凹坑403。
阳极凹坑403半径R7＝1.25cm；宽度为L4＝0.67cm。电极材料分别为钨铜、黄铜或不锈钢。将
这三种材料的电极分别加工成粗糙度N为0.8、3.2和12.5，共九对电极，每对电极包括一个
阳极电极4与一个阴极电极5。

[0042] 为了证明本发明的特性，通过实验的方法，分别对不同粗糙度的铜钨、黄铜、不锈钢等异形电极各进行了15万次脉冲实验，自击穿电压约为30kV，电流约为2kA，总电荷转移
量约为30C。异形铜钨0.8、3.2、12.5的自击穿电压离散度分别为2.95％、1.62％和1.16％。
异形黄铜0.8、3.2、12.5的自击穿电压离散度分别为3.80％、2.29％和1.53％。异形不锈钢
0.8、3.2、12.5的自击穿电压离散度分别为1.42％、1.19％和1.12％。验证了随着电极表面
粗糙度N增大，自击穿电压离散度越小。通过增大电极表面粗糙度N，尖峰宽度l和尖峰间隔d
越大，尖峰个数n越少，容易发生击穿的点越少，击穿更容易集中发生在少数几个尖峰位置。
同时尖峰高度h越大可以使开关击穿更加稳定，减小自击穿电压离散度，提升了开关工作稳
定性。