一种基于表面改性石墨电极的自击穿高压气体开关的制作方法

1.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，尤其是一种基于表面改性石墨电极的自击穿高压气体开关。


背景技术：

2.高功率脉冲驱动源技术是通过高功率脉冲发生器将低功率、长时间存储起来的能量在很短的时间内以高功率迅速释放给负载的一门科学技术。随着高功率脉冲驱动源技术越来越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，高功率脉冲发生器正朝着高重频、高稳定性、长寿命等方向发展。
3.高功率开关作为高功率脉冲驱动源实现电脉冲的核心器件，起着连接储能器件与负载的作用，其工作特性在很大程度上决定了系统整体的应用能力。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。而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应用场合。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。
4.开关电极是气体开关的核心器件，现有开关电极大多采用铜钨合金、不锈钢等金属材料或复合材料，研究集中于探索电极烧蚀机理，优化电极形状，以及分析环境参数对开关性能的影响等。近年来，石墨材料电极以其质量小、熔点高等优点成为了气体开关电极材料的研究热点。然而，石墨材料受限于自身的脆性，在经受电弧多次轰击后，很容易出现颗粒脱落、掉渣甚至是材料整体破碎的情况，特别是在大电流条件下，石墨掉粉现象比较严重。如何在充分发挥石墨重量轻、耐烧蚀等优点基础上，解决石墨材料脆、容易出现颗粒脱落等瓶颈问题，实现高压气体开关的低抖动长时间稳定运行是本领域技术人员试图攻克的难点问题。目前还没有基于石墨改性材料电极的气体开关的公开报道。


技术实现要素：

5.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，自击穿电压归一化标准差大等不足，提供一种基于表面改性石墨电极的自击穿高压气体开关，通过在气体开关电极表面镀钛、铪等发射阈值高的金属材料，并将电极表面镀层挖开一个圆环，将发射阈值低的石墨材料暴露出来。一方面，基于结构特性，表面圆环处场强较高，击穿主要发生在该处；另一方面，电极表面圆环处石墨材料发射阈值相对于周围钛、铪等金属材料发射阈值低，利于电子发射，开关击穿更容易集中在表面圆环处。基于此，电极击穿易发生在圆环处，提高击穿的稳定性，减小击穿电压的归一化标准差。
6.本发明的技术方案是：本发明中一种基于表面改性石墨电极的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)。
7.绝缘腔体是一个带两个端面的圆筒形空腔，由绝缘筒，前绝缘端板和后绝缘端板构成。绝缘腔体采用绝缘材料制成。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绝缘腔体的中心面(即与前绝缘端板和后绝缘端板平行且与前绝缘端板和后绝缘端板距离相等的中心面)bb
′
对称。前绝缘端板和后绝缘端板的中心均钻有通孔。
8.绝缘筒是一个圆筒，长度为l，壁厚为w＝r2‑
r1，r1为绝缘筒101内半径，r2为绝缘筒外半径，r1<r2，l一般为8～80cm，r1一般为10～50cm；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<r2‑
r1)，s个第一螺纹孔的中心与绝缘筒端面的中心o的距离均为r(即s个第一螺纹孔的中心处于同一个圆周上)，绝缘筒的左端面通过第一螺纹孔中插入的直径等于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。
9.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。在前绝缘端板半径为的圆周上钻s个第一通孔，第一通孔孔径等于m。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。第一定位槽深度为h，h一般为0.5～1cm，前绝缘端板通过s个第一通孔与绝缘筒的左端面的第一螺纹孔通过螺杆连接，且前绝缘端板挖有第一定位槽的面与绝缘筒的左端面贴合。
10.后绝缘端板与前绝缘端板形状和结构完全相同，安装位置关于中心面bb
′
与前绝缘端板对称。前绝缘端板的中心o处钻有半径为r3的第三通孔和半径为r4的第二定位槽，后绝缘端板通过螺杆与绝缘筒的右端的第一螺纹孔通过螺杆连接，且后绝缘端板挖有第二定位槽的面与绝缘筒的右端面贴合。
11.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。
12.阴极杆与阳极杆形状和结构完全相同，安装位置关于中心面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。
13.阳极电极是异形结构，材料为石墨，再在阳极电极的右侧镀一层钛、铪中任意一种金属，镀层厚度为l4，l4一般为10～500μm。阳极电极整体呈一个侧面带有圆环坑的圆盘状，圆盘侧面不是规整的圆环，而是加工成向外凸出的圆面。圆盘半径为r5，圆盘最大厚度为l3，在阳极电极右侧面镀金属厚度为l4，其中r3<r5<r1，l3<l/3。令沿圆盘厚度方向距圆盘左右端面距离为2l3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，第三螺纹孔深度为l5，l5<l3/2。阳极电极左端面通过第三螺纹孔与右侧阳极圆杆右端紧密连接。阳极电极外圈加工成圆面，半径为l3/2，圆面弧度cad＝α，其中α＝π。在阳极电极右端面半径为r6和r7处抠掉一个圆环，圆环外半径为r6，内半径为r7，深度为l4，r3/3≤r6‑
r7≤r3/2，露出镀层下的石墨材料，形成一个带有圆环的圆盘。气体开关的击穿一般发生在阳极发射阈值低的石墨材料的圆环上，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。
14.阴极电极与阳极电极形状、结构和材料完全相同，安装位置关于中心面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。
15.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阳极电极和阴极电极的两端，随着电压的增大，达到气体开关的自击穿电压后，阳极电极和阴极电极导通，能量传输到负载上，阳极电极和阴极电极两端电压降低，阳极电极和阴极电极关断。随后，高压信号持续加载到阳极电极和阴极电极两端，阳极电极和阴极电极不断的导通与关断，能量不断传输到负载上。通过将阳极电极和阴极电极表面加工成有低发射阈值石墨的圆环结构使得该位置击穿电压低，让气体开关击穿位置基本固定在圆环内，使开关击穿更加稳定，减小自击穿电压离散度。
16.采用本发明可以达到以下技术效果：
17.1.本发明在充分发挥石墨重量轻、耐烧蚀等优点的基础上，由于在石墨电极侧面镀一层钛、铪等发射阈值高的金属材料，解决了石墨材料脆、容易出现颗粒脱落等瓶颈问题，实现高压气体的低抖动长时间稳定运行。
18.2.本发明通过将阳极电极和阴极电极表面先镀钛、铪等发射阈值相对于石墨材料高的金属材料，再将电极端面挖开一层圆环，将发射阈值低的石墨材料暴露出来，使得气体开关的击穿会主要集中在电极表面的圆环处，提高击穿的稳定性，由于圆环处各点击穿电压相近，减小击穿电压的归一化标准差。
19.3.本发明原理简单，操作方便，应用范围广。
附图说明
20.图1是本发明轴向剖视图；
21.图2为本发明绝缘筒101左视图；
22.图3为本发明前绝缘端板102右视图；
23.图4为本发明阳极杆2结构图；
24.图5为本发明阴极杆3结构图；
25.图6为本发明阳极电极4立体结构图；
26.图7为本发明阳极电极4轴向剖视图；
27.图8为本发明阳极电极4右视图。
具体实施方式
28.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：
29.如图1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上，阴极电极5固定在阴极杆3上。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)。
30.绝缘腔体1是一个带两个端面的圆筒形空腔，由绝缘筒101，前绝缘端板102和后绝缘端板103构成，绝缘腔体1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。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关于绝缘腔体1的中心面(即与前绝缘端板102和后绝缘端板103平行且与前绝缘端板102和后绝缘端板103距离相等的中心面)bb
′
对称。前绝缘端板102和后绝缘端板103的中心均钻有通孔。
31.如图2所示，绝缘筒101是一个圆筒，长度为l，壁厚为w＝r2‑
r1，r1为绝缘筒101内半径，r2为绝缘筒101外半径，r1<r2，l一般为8～80cm，r1一般为10～50cm；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<r2‑
r1)，s个第一螺纹孔1011的中心与绝缘筒101端面的中心o的距离均为r(即s个第一螺纹孔1011的中心处于同一个圆周上)，绝缘筒101的左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。
32.如图3所示，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(见图1)，t一般为2～10cm。在前绝缘端板102半径为的圆周上钻s个第一通孔1021，第一通孔1021孔径等于m。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，h一般为0.5～1cm，前绝缘端板102通过s个第一通孔1021与绝缘筒101的左端面的第一螺纹孔1011通过螺杆连接，且前绝缘端板102挖有第一定位槽1023的面与绝缘筒101的左端面贴合。
33.结合图1所示，后绝缘端板103与前绝缘端板102形状和结构完全相同，安装位置关于中心面bb
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与前绝缘端板102对称。前绝缘端板103的中心o处钻有半径为r3的第三通孔1032和半径为r4的第二定位槽1033，后绝缘端板103通过螺杆与绝缘筒101的右端的第一螺纹孔1011通过螺杆连接，且后绝缘端板103挖有第二定位槽1033的面与绝缘筒101的右端面贴合。
34.如图4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1)，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。
35.如图5所示，阴极杆3与阳极杆2形状和结构完全相同，安装位置关于中心面bb
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对称(见图1)。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1)，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。
36.如图6所示，阳极电极4是异形结构，材料为石墨，且阳极电极4的右端面镀有一层金属，金属为钛或铪，镀层厚度为l4，l4一般为10～500μm。阳极电极4整体呈一个右端面带有圆环坑的圆盘状，且圆盘侧面不是规整的圆环，而是加工成向外凸出的球面。结合图7所示，圆盘半径为r5，圆盘最大厚度为l3，在阳极电极4右端面镀的金属厚度为l4，其中r3<r5<r1，l3<l/3。令图7中沿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
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，定义中心线ss
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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<l3/2。阳极电极4左端面通过第三螺纹孔402与右侧阳极圆杆203右端紧密连接。阳极电极4外圈加工成球面，球面半径为l3/2，球面弧度cad＝α，其中α＝π。在阳极电极右端面半径为r6和r7处抠掉一个圆环401，(见图8)，圆环401外半径为r6，内半径为r7，深度为l4，r3/3≤r6‑
r7≤r3/2，露出阳极电极4右端面表面镀层下的石墨材料，形成一个带有圆环401的圆盘403。气体开关的击穿一般发生在阳极发射阈值低的圆环401(圆环401上的表面镀层抠掉了露出阳极电极4右端面的石墨材料)上，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。
37.如图1所示，阴极电极5与阳极电极4形状、结构和材料完全相同，安装位置关于中心面bb
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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。