一種陣列微空心陰極放電觸發的氣體開關的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于脈沖功率技術領域，具體涉及一種氣體開關。
【背景技術】
[0002]氣體開關是以氣體作為絕緣介質的開關，其主要特點是工作電壓高、通流能力強，在大功率脈沖功率技術中應用廣泛，比較典型的是應用在線性變壓器驅動器(LinearTransformer Driver，以下簡稱LTD)上。LTD是一種利用多路相對較低的電壓模塊，通過感應電壓疊加技術獲得高壓大電流納秒脈沖的脈沖功率源，大規模LTD由數萬個放電模塊構成，因此對開關觸發特性提出了更高要求。目前LTD裝置中多采用三電極場畸變或多極多通道開關，其觸發的基本原理是利用觸發脈沖電壓對開關間隙電場分布的改變實現過壓雪崩擊穿，而改變開關內部電場分布所需的脈沖電壓幅值很尚，基本和開關工作電壓在一個量級，使得開關的觸發電路本身就是一個很難實現的快脈沖電源。
[0003]近年來也出現了很多新穎的觸發方式，紫外預觸發和激光觸發作為新穎的觸發方式，觸發機理與三電極場畸變和多極多通道開關不同，其通過紫外或激光照射開關間隙形成高密度電離區域，產生初始電子并誘導間隙雪崩擊穿導通，但其同樣需要配置能量很高的紫外或激光發生器，對于大規模LTD裝置來說，觸發裝置同樣十分復雜龐大。同樣以產生誘導電子為目標，借助等離子體手段，用氣體放電等離子體代替光電離，通過設計合理的電極結構，實現高密度等離子體放電的同時降低觸發電壓，進而可以有助實現觸發器的小型化，將是一種可行有效的技術手段。
[0004]微空心陰極(Micro-hollow Cathode，以下簡稱MHC)是一種可以在高氣壓下產生微放電等離子體的電極結構，其結構是由任意形狀的陽極和微空心的陰極構成，根據空心陰極PD值乘積一定的理論(P指放電氣體組分的氣壓，D指陰極的空心直徑)，由于微孔尺寸在亞毫米量級，其可實現在大氣壓下的輝光放電；另一方面，微空心陰極的環形電極結構使得電子在陰極徑向電場的作用下，實現了振蕩過程，大大增加了碰撞電離的機會，所以該放電可以實現很高的電子密度;同時，為了得到更大規模的放電，通常在一個平板陰極上加工多個微孔，實現陣列微孔放電；最后，由于尺寸微小，放電所需要的觸發電壓很低，通常只需要幾千伏。高氣壓放電、大面積陣列放電等離子體、高電子密度以及低觸發電壓這些特性，為其作為氣體開關觸發源提供了很好的理論基礎。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提出一種新型氣體放電開關，以解決目前傳統三電極場畸變和多極多通道氣體開關的觸發電壓高、同步觸發難度大、在大規模開關使用領域方面難以實現觸發電源的小型化的問題。
[0006]本發明提出的新型氣體放電開關結構，是一種利用陣列微空心陰極放電觸發的氣體放電開關，具體是利用陣列微空心陰極放電產生的微等離子體所具有的觸發電壓低、產生的電子高密度以及可實現大面積多孔陣列放電的優點，將其作為觸發手段應用在氣體開關中，從而解決了目前傳統三電極場畸變和多極多通道氣體開關的觸發電壓高、同步觸發難度大、在大規模開關使用領域方面難以實現觸發電源的小型化的問題。
[O OO 7 ]本發明提供的陣列微空心陰極放電觸發的氣體開關，主要部件包括:開關主電極及其連接件、外絕緣筒、陣列微空心陰極放電發生器及氣路接頭;其結構如圖1和圖2所示，其中:
所述外絕緣筒形狀為中空形圓筒，內壁用于安裝開關主電極和陣列微空心陰極放電發生器，中間設有若干通孔，提供觸發電源設備的電氣連接的通道，以及氣路通道，實現開關內部氣壓的控制;外壁有圓弧形曲線結構用來增加表面距離，防止開關爬電；
所述開關主電極為上、下兩個圓柱形電極，開關主電極連接件為兩個，每個連接件分為圓盤和連接螺紋桿兩部分，兩個圓盤分別蓋在外絕緣筒上、下兩端，并用密封膠圈密封固定，同時作為開關與外部電路的電氣連接;上、下兩個圓柱形電極的一端部通過連接螺紋桿分別連接、固定于兩個圓盤的中心部位，上、下兩個圓柱形電極的另一端相對，形成主電極間隙，通過調整擰入連接螺紋桿的深度，可以靈活改變主電極間隙長短以適合不同電壓要求的應用;參見圖1所示。
[0008]其中，兩電極端部的面宜加工成一定的圓弧倒角，以便實現靜態電壓下的電場均勾分布。
[0009]其中，開關主電極可采用黃銅材質，連接件可采用不銹鋼材質。
[0010]所述陣列微空心陰極放電發生器作為開關的觸發器是本開關的核心部件，其總體結構為“陽極-介質層-陰極”的三層圓柱結構，陰極在內層，為實心圓柱結構，圓柱后端部開孔并攻螺紋，用于與連接件的電氣連接，陽極在外層，為空心圓柱結構，包裹在整個發生器外部，介質層在中間，將兩部分隔離并實現電氣絕緣;在圓柱形陽極前端部表面有若干激光鉆孔實現的微孔，這些微孔貫穿陽極、介質層，并深入到陰極前端面內，形成微孔陣列；陣列微空心陰極放電發生器共有三個，其后端部固定在外絕緣筒內壁的中部區域，并在同一平面內呈120度角度分布;三個陰極后端部經由陰極引出電極引出外絕緣筒外，三個陽極前端部表面正對主電極間隙，使產生的等離子體可以在最短路徑上被加速至主電極間隙，三個陽極后端部通通連接環相互連接，并經由引出電極引出外絕緣筒，參見圖2所示。發生器在脈沖電壓作用下實現微空心陰極放電，利用陣列放電產生的大面積的高密度電子作為初始誘導電子，最終實現開關的擊穿導通。
[0011]發生器的陰極和陽極可采用不銹鋼材質，介質層采用聚四氟乙烯材質，且外部所有分界面均經一定倒角處理，實現圓滑過渡。
[0012]所述氣路接頭采用快速氣動接頭，該氣路接頭共2個，為I個進氣口接頭，I個出氣口接頭，它們通過螺紋和密封圈固定在外絕緣筒中間部位，參見圖2所示。
[0013]本發明的優點主要體現在:
1、相較傳統的三電極場畸變和多級多通道開關，觸發不再依靠巨大幅值的脈沖電壓(和開關工作電壓在一個量級)通過改變開關內部電場分布來實現過壓雪崩擊穿，而是通過陣列微空心陰極放電產生的大面積的高密度電子誘導間隙擊穿，由于微空心陰極放電為微等離子體放電，其所需的觸發電壓很低(幾個千伏)，所需觸發能量很小(焦耳甚至毫焦量級)，可以大大縮小觸發脈沖電源的體積和絕緣強度要求，有利于實現大規模LTD裝置的觸發設備的小型化； 2、陣列式的微空心陰極結構，可實現在一套觸發電源設備、一個觸發脈沖作用下，實現多個微孔并聯同步放電，在單微孔放電的基礎上，使用同樣的電源設備，卻大大提高了微放電等離子體的面積，促進產生更多更大面積的初始誘導電子。大面積高密度初始電子的產生可以更容易誘導開關間隙的雪崩擊穿，從開關的參數角度，將有利于縮短開關延時和抖動；另一方面，由于大面積陣列放電的產生，開關更容易被觸發導通，這使得開關可以進一步降低其工作系數(開關工作系數定義是:開關的工作電壓與開關靜態自擊穿電壓的比值)，這將有助于提高開關工作的穩定性，減少開關多次觸發帶來的自擊穿概率上升的問題；
3、采用三個陣列微空心陰極放電發生器呈水平120度分布排列，可以在一次觸發過程中，產生三個大面積陣列放電，實現開關在主間隙上形成多個雪崩擊穿通道，多電弧通道可以使開關的導通電感降低(相當于幾個導通電感的并聯)，可以起到類似多極多通道開關所達到的效果，而又比多極多通道開關電極結構更簡單，觸發更易實現；
4、傳統的三電極場畸變或多極多通道開關，中間的觸發電極在開關導通時將作為過渡電極起到連接兩個子間隙(上下電極分別與中間觸發電極形成子間隙)電弧的作用，此時觸發極是導通回路的一部分，由于開關導通時主電極高壓被引入觸發電極，觸發電源需要充分考慮電氣隔離，以防止被大電壓和過電流損