一种低抖动自触发火花放电预电离开关的制作方法

1.本发明属于气体放电在脉冲功率技术领域的应用，具体涉及一种低抖动自触发火花放电预电离开关。


背景技术：

2.大型电磁脉冲模拟器驱动源需采用二级压缩电路实现输出波形陡化，同时需要采用双极性加载脉冲源以提高输出波形幅值。
3.考虑到装置的成本及可移动运输的需求，因此将高压低抖动自触发气体开关作为电磁脉冲模拟器等低电流脉冲功率源的中储开关，此时，中储开关工作在前沿约100～300ns的脉冲电压下，开关需在脉冲峰值附近击穿。
4.由于现有的紫外预电离开关预电离光脉冲持续时间仅在10ns左右，因此对自触发时间要求较高，但是由于自触发时间无法测量，因此只有通过反复试验调节自触发时间从而满足开关在全工作电压范围内实现低抖动运行，十分浪费时间；并且很多情况下试验调节后的自触发时间也难以使开关在全工作电压范围内实现低抖动运行。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中现有预电离开关自触发时刻需要反复试验调节，并且试验出的自触发时间也难以使开关在全工作电压范围内低抖动运行的问题，从而提出了一种低抖动自触发火花放电预电离开关。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种低抖动自触发火花放电预电离开关，包括两个半球形主电极、触发电极盘、两个触发间隙电极以及均压电阻；两个半球形主电极之间构成主间隙；两个触发间隙电极安装在触发电极盘上，两个触发间隙电极之间构成触发间隙；
8.其改进之处在于：
9.通过扩大触发电极盘的内孔孔径，使开关上施加电压时，主间隙的电场覆盖触发间隙所处区域，使得触发间隙击穿后火花放电通道内初始电子由所述电场作用向主间隙运动，成为初始有效电子，初始有效电子引发开关击穿。
10.进一步地，上述触发间隙电极盘内孔孔径为11.2cm；所述主间隙间距为7cm，触发间隙为1mm。
11.进一步地，上述主间隙电场覆盖触发间隙所处区域后，主间隙电压与触发间隙电压之比为4.63～24.96。
12.进一步地，上述预电离开关中均压电阻共有3只，分别为并联在主间隙阴极与触发间隙阴极之间的电阻r1；并联在触发间隙阴极与触发间隙阳极之间的电阻rtr，以及并联在触发间隙阳极与主间隙阳极之间的电阻r3；电阻r1的阻值为24.5kω；电阻rtr的阻值从2.2kω至无穷大可调；电阻r3的阻值为24.5kω。
13.本发明具有的有益技术效果如下：
14.1、本发明的采用将触发电极盘的内孔孔径扩大，使得主间隙电场可以施加到触发间隙区域，触因此发间隙击穿后其放电通道内始终存在的初始电子可以作为主间隙内的初始有效电子，因此不需要耗费大量时间试验选取最佳的自触发时刻，从而快速、有效的实现了开关在全工作电压范围内低抖动运行，具体来说，通过本发明方法设计的开关，且低抖动特性体现在，其在前沿100ns脉冲下、约95％脉冲峰值时间附近击穿时、击穿电压300～800kv下的击穿时延抖动《2ns。
15.2、本发明由于触发间隙击穿后其火花通道内的初始电子始终可以作为开关主间隙内的初始有效电子，因此触发间隙的击穿时刻可以在较大范围内调节，因此开关工作较长时间后，即使分压电阻的阻值产生了变化，也不会较大地影响开关的抖动特性。
16.3、本发明采用该方法设计的开关，其采用的并联分压电阻的阻值相比已有的紫外预电离开关具有更大的调节范围，在此调节范围内预电离始终可以起到降低开关抖动的效果。
17.4、本发明采用该方法设计的开关，主间隙并联的分压电阻r1及r2阻值在20kω量级以上，可以同时保证开关上施加300～800kv脉冲电压时开关泄露电流在10a量级以上。
附图说明
18.图1为预电离开关的基本结构示意图；
19.图2为本发明开关与现有预电离开关中电场的对比效果图；其中(a)为现有预电离开关的电场分布图；其中(b)为本发明预电离开关的电场分布图；
20.图3为本发明开关在3种预电离注入时刻下、95％脉冲峰值时间击穿时的击穿时延与抖动；
21.图4为本发明开关在3种预电离注入时刻下、95％脉冲峰值时间击穿时的击穿电压与分散性；
22.图5为不同分压比下本发明开关触发间隙处轴向与径向电场对比；
23.图6为本发明开关与现有紫外预电离开关的击穿场强对比。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体特性数据对本发明提出的一种低抖动自触发火花放电预电离开关进一步详细说明。
25.自触发火花放电预电离开关的基本结构参见图1，包括：
26.两个不锈钢制半球形主电极1，两个主电极1之间构成主间隙2；
27.一个不锈钢制触发电极盘3，目前使用触发电极盘3的内孔孔径d大多在1-2cm，两个触发间隙电极4固定在触发电极盘3上，触发间隙阳极与触发电极盘等电位，触发间隙阴极通过一陶瓷套管5与触发电极盘3绝缘，触发间隙阳极和触发间隙阴极之间构成触发间隙6；
28.均压电阻共有3只，分别为并联在主间隙阴极与触发间隙阴极之间的电阻r1；并联在触发间隙阴极与触发间隙阳极之间的电阻rtr，以及并联在触发间隙阳极与主间隙阳极之间的电阻r2；
29.该类开关可单级使用，也可以多级串联使用。
30.现有预电离开关触发特性调节范围窄的原因：由于触发间隙处主间隙电场被屏蔽，且触发间隙的放电电流脉冲半宽仅约10ns，如果触发间隙很早击穿、放电电流半宽时间内通过紫外光照射阴极的方式没有产生初始有效电子，则之后触发间隙火花通道内的电子也无法漂移出来成为初始有效电子，这意味着现有预电离开关的预电离时间范围即为触发间隙击穿后的10ns左右，所以这一时刻需要与开关电场很好地配合才能获得较好的触发效果，因此导致现有预电离开关的触发时刻调节范围较窄。
31.通过上述对现有预电离开关工作状态的分析，现对本发明的设计思路进行说明：
32.如图2a所示，现有预电离开关中触发间隙处主间隙电场被屏蔽，因此触发间隙火花通道内电子无法向主间隙运动作为初始电子；与现有预电离开关不同之处是：本发明通过扩大触发电极盘的内孔孔径d的方式，消除了触发间隙处对主间隙电场的屏蔽，因此触发间隙击穿后，由于其放电电流一直不为零，所以火花通道内始终存在电子，这一部分电子始终可以向主间隙阳极漂移，并成为主间隙内的初始电子；初始有效电子引发开关击穿，如图2b所示。
33.本实施例中，触发间隙电极盘内孔孔径d为11.2cm；主间隙间距为7cm，触发间隙为1mm。这种结构下，触发间隙处叠加的主间隙电场为开关平均电场的77％，后续实验证明这种结构下主间隙电场叠加可以使得触发间隙火花通道中的电子成为开关中的初始有效电子；而现有预电离开关中触发间隙处叠加的主间隙电场仅为开关平均电场的30％，且主间隙电场叠加被证明无法使触发间隙火花通道中的电子成为开关中的初始有效电子。
34.为了验证采用本发明时，不同触发时刻对于开关击穿特性的影响，图3和图4给出了采用3种分压比、100ns脉冲前沿下、约95％峰值时间附近击穿时开关击穿时延及抖动、击穿电压及分散性。其中，分压比的定义为：主间隙电压与自触发间隙电压之比，分压比越高时触发间隙分压越小，其击穿时刻越靠后；
35.由图3和图4可以看出，预电离有效时，开关击穿电压在300kv～800kv之间，击穿时延抖动在3种分压比下均《2ns，开关击穿电压分散性均《1.25％。分压比为24.96、气压为0.1mpa时，预电离视为失效。因此开关采用上述结构参数，工作电压450kv～800kv之间时，合适的分压比范围约为4.63～24.96，大于现有预电离开关中可调节范围。
36.为了说明分压比为24.96、气压为0.1mpa时预电离失效的潜在机制，图5给出了0.1mpa时、峰值电压350kv、不同分压比下触发间隙处所受电场分量及变化规律。可以看出，分压比越大时，触发间隙处主间隙电场(径向电场)与触发间隙电场(轴向电场)之比越大，触发间隙击穿发展过程中的电子越容易向主间隙漂移并损失，越可能导致触发间隙击穿时间延后。一旦触发间隙击穿时刻晚于脉冲峰值，则预电离有较大概率失效。因此，分压比的调节的上限值为24.96。
37.为了佐证本发明中自触发开关中预电离的实际作用机制，图6给出了本发明开关的击穿电场与现有预电离开关击穿电场之比，可以看出，本发明开关的平均击穿电场约为现有预电离开关平均击穿电场的1.2～1.5倍。由于现有预电离开关和本发明开关的场不均匀系数约为1.5～1.6，而现有预电离开关的击穿被视为从阴极电场最强处引起，通过比较两只开关的击穿场强可以佐证本发明开关中引起击穿的初始电子应是触发间隙燃弧通道内的初始电子。