一种微槽结构阴极气体火花开关制造技术

本发明专利技术的一种微槽结构阴极气体火花开关，属于脉冲功率技术领域。包括微槽结构阴极、绝缘气体、金属阳极、开关腔体四个部分。开关整体为轴对称形式，微槽结构阴极是由表面具有周期性平行V形微槽阵列结构的金属或石墨阴极。金属或石墨阴极和金属阳极均为布鲁斯形状，微槽结构阴极和金属阳极的间隙距离可以调节，绝缘气体种类和压强可以改变，开关微槽结构阴极左侧与脉冲功率装置连接，开关金属阳极右侧与脉冲功率装置连接。本发明专利技术应用于脉冲功率装置中，气体火花开关工作电压为百千伏级，解决了气体火花开关击穿电压分散性大等问题，同时阴极放电产物对电极和绝缘支撑板性能影响很小，提高了开关的可靠性，保证了脉冲功率装置的稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种微槽结构阴极气体火花开关
本专利技术属于脉冲功率
，涉及一种微槽结构阴极气体火花开关。
技术介绍
在脉冲功率
，开关技术具有特殊重要的地位。它不仅决定了脉冲功率装置的输出特性，甚至是脉冲功率系统成败的关键。其中，气体开关具有耐压高、通流大、结构简单的特点，应用广泛；但这种开关工作的稳定性较差，重复频率较低，很难满足高重频、高稳定工作场合的要求。前人的研究成果总结了气体开关电极材料、电场分布、表面形貌、气体状态、电压种类等因素对击穿特性的影响规律，对气体开关工作机制的认识取得了突破性进展。在电极材料方面，罗维熙等人研究认为石墨作为大电流开关电极，从静态自击穿电压稳定性和绝缘子寿命均显著优于金属(不锈钢、钨铜合金、铜合金)电极；石墨电极在稍不均匀场下，开关间距5mm，干燥空气压力0.25MPa时，平均自击穿电压为43.6kV，相对标准偏差为1.28％。作者本人前期对钨铜合金刀板结构电极的气体开关特性进行了研究，采用多级串联和电晕稳定技术提高了气体开关的稳定性，实现了开关平均击穿电压120kV，相对标准偏差为1％。但由于刀板结构电极有效发射面积很小，开关寿命有限。
技术实现思路
为了在不减少开关使用寿命的前提下，更有效的解决高压气体火花开关击穿电压分散性大的问题，本专利技术基于微槽结构电极同时具有极高的长径比和更大的发射面积的特性，提出了一种微槽结构阴极气体火花开关。本专利技术的技术方案是提供一种微槽结构阴极气体火花开关，包括开关腔体、填充在开关腔体内部的绝缘气体及位于开关腔体内部的开关阴极与开关阳极；其特殊之处在于：上述开关阴极与开关阳极均为Bruce截面电极(布鲁斯电极)，结构尺寸完全相同，分别固定在开关腔体的相对两个壁上；上述开关阴极表面开设多个分别沿X方向、Y方向相互平行的微槽，X方向与Y方向的微槽交错排布。优选地，上述微槽为V型槽，多个V型槽沿与阴极表面对称轴平行或垂直的方向间隔均匀排布。优选地，V型槽的宽度为10～100微米，深度为50～500微米，相邻两个V型槽之间的间距为0～100微米。优选地，上述开关腔体包括外筒及设置在外筒两开口端的左侧绝缘支撑板及右侧绝缘支撑板；开关阴极与左侧绝缘支撑板同轴配合，外侧通过左侧电极固定环固定；开关阳极与右侧绝缘支撑板同轴配合，外侧通过右侧电极固定环固定，外筒的厚度选择由开关内绝缘气体的压力大小决定。优选地，左侧绝缘支撑板及右侧绝缘支撑板中心位置开有与开关阴极和开关阳极底座匹配的通孔；开关阴极和开关阳极的底座分别穿过通孔固定在左侧绝缘支撑板及右侧绝缘支撑板上。优选地，外筒与左侧绝缘支撑板及右侧绝缘支撑板之间、左侧绝缘支撑板及右侧绝缘支撑板与开关阴极、开关阳极之间均设有绝缘密封圈，将开关腔体内侧绝缘气体与外界隔离。优选地，绝缘密封圈为横截面是圆形的o形密封圈，圆环和圆形横截面尺寸均由密封结构和形式决定。优选地，上述开关阴极为金属或石墨阴极，上述开关阳极为金属阳极。优选地，当开关阴极为金属阴极时，金属选用钨铜合金、不锈钢、黄铜或钛合金。优选地，开关阴极和开关阳极的间隙距离可以通过两侧电极固定环调节，开关阳极与开关阴极之间的最大间隙距离不超过开关阴极或开关阳极外直径的1/3。本专利技术的工作原理是：脉冲功率装置对开关充电至一定电压后，微槽结构阴极与金属阳极之间构建起准均匀电场，微槽结构在一定的强电场作用下，由于多维的尖端场发射作用，在阴极表面形成等离子体层，由金属或石墨阴极提供高密度电子而形成稳定的电子源，与绝缘气体碰撞电离，形成电子崩并向阳极快速发展，最终导致整个开关阴阳极之间绝缘气体完全击穿，开关工作过程结束。本专利技术的有益效果是：提出了一种微槽结构阴极气体火花开关，工作电压为百千伏级，应用于脉冲功率装置中，微槽结构阴极在强电场作用下，形成稳定的初始电子源，精确控制开关击穿过程，解决了气体火花开关击穿电压分散性大的问题，保证了脉冲功率装置的稳定运行。附图说明图1是本专利技术提出的一种微槽结构阴极气体火花开关剖面示意图；图2是微槽结构阴极表面示意图。图中附图标记为：2-不锈钢阳极，3-高纯氮气，4-微槽石墨阴极，5-微槽阵列结构，6-有机玻璃支撑板，7-外筒，8-螺母，9-密封圈，10-开关腔体。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的一种微槽结构阴极气体火花做详细描述。本实施例中的一种微槽石墨阴极气体火花，包括微槽石墨阴极4、高纯氮气3、不锈钢阳极2、开关腔体10四个部分，其整体为轴对称形式。参阅图1、图2，微槽石墨阴极4是在石墨阴极表面通过激光刻蚀法构筑石墨微槽阵列结构5构成。石墨阴极4和不锈钢阳极2均为布鲁斯形状，外直径均为25mm，电极厚度均为8mm，电极座直口直径均为10mm，电极座螺纹为M8；微槽石墨阴极4与左侧有机玻璃支撑板6同轴配合，外侧通过左侧不锈钢螺母8连接；不锈钢阳极2与右侧有机玻璃支撑板6同轴配合，外侧通过右侧不锈钢螺母8连接；不锈钢外筒7与左右有机玻璃支撑板6同轴配合，硅橡胶密封圈9将开关腔体10内侧高压氮气2与外界隔离。微槽阵列结构5包括沿X方向与Y方向的多个以相等间隔排布的V型槽，X方向与Y方向的V型槽相互交错，且V型槽的长度方向与开关阴极表面对称轴垂直或平行，微槽宽度为25微米，深度为100微米，相邻两个微槽间距为25微米。左右两侧有机玻璃支撑板6均为圆盘形状，厚度为3mm，中心位置预留与微槽石墨阴极4和不锈钢阳极2底座相同的通孔，直径10mm；有机玻璃支撑板6外圆直径与不锈钢外筒7内表面直径相同，均为140mm。氮气2最大压力为0.8MPa，不锈钢外筒7的厚度为5mm。微槽石墨阴极4和不锈钢阳极2的间隙距离可以通过两侧不锈钢螺母8调节，最大间隙距离应不超过8mm。硅橡胶密封圈9为圆环结构，横截面为圆形，圆环外直径为140mm，内直径为130mm，横截面直径为10mm。在相同的开关形式、加载电压、0.8MPa高纯氮气条件下，当阴极为石墨阴极时，开关击穿电压平均值为100kV，电压幅值的相对标准偏差为4％；而当阴极为微槽石墨阴极时，开关击穿电压平均值为80kV，电压幅值的相对标准偏差仅为0.4％，分散性明显减小，提高了高压气体火花开关的击穿稳定性和工作可靠性，保证了脉冲功率装置的稳定运行。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微槽结构阴极气体火花开关，包括开关腔体、填充在开关腔体内部的绝缘气体及位于开关腔体内部的开关阴极与开关阳极；其特征在于：所述开关阴极与开关阳极均为Bruce截面电极，分别固定在开关腔体的相对两个壁上；所述开关阴极表面开设多个分别沿X方向、Y方向相互平行的微槽，X方向与Y方向的微槽交错排布。

【技术特征摘要】
1.一种微槽结构阴极气体火花开关，包括开关腔体、填充在开关腔体内部的绝缘气体及位于开关腔体内部的开关阴极与开关阳极；其特征在于：所述开关阴极与开关阳极均为Bruce截面电极，分别固定在开关腔体的相对两个壁上；所述开关阴极表面开设多个分别沿X方向、Y方向相互平行的微槽，X方向与Y方向的微槽交错排布。2.根据权利要求1所述的一种微槽结构阴极气体火花开关，其特征在于：所述微槽为V型槽，多个V型槽沿与阴极表面对称轴平行或垂直的方向间隔均匀排布。3.根据权利要求2所述的一种微槽结构阴极气体火花开关，其特征在于：V型槽的宽度为10～100微米，深度为50～500微米，相邻两个V型槽之间的间距为0～100微米。4.根据权利要求1所述的一种微槽结构阴极气体火花开关，其特征在于：所述开关腔体包括外筒及设置在外筒两开口端的左侧绝缘支撑板及右侧绝缘支撑板；开关阴极与左侧绝缘支撑板同轴配合，外侧通过左侧电极固定环固定；开关阳极与右侧绝缘支撑板同轴配合，外侧通过右侧电极固定环固定。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，苏建仓，张喜波，刘文元，刘胜，霍艳坤，范红艳，郭旭，赵健，牛耀辉，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61