一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法技术

本发明专利技术涉及一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法。该电极结构能够调控气体间隙火花放电通道的形成数量和发生区域，进而达到气体火花开关稳定多通道放电的目的。该电极结构包括相间排列的N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块；N的数量依据电子发射效率高的电极材料组块能够产生的放电通道数量确定；N≥1；该电极的设计方法包括以下步骤：1)确定低逸出功电极材料组块以及高逸出功电极材料组块的材料；2)确定低逸出功电极材料组块以及高逸出功电极材料组块的数量；3)组装。

【技术实现步骤摘要】
一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法
本专利技术气体开关涉及一种按电极的结构和组分区分的气体开关，具体涉及一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法。
技术介绍
脉冲功率技术是一种以较低的功率存储能量，再以高功率脉冲电磁能量释放到特定负载的电物理技术。气体火花开关具有耐受电压高、导通电流大等优势，在脉冲功率
中具有广泛应用，其电感参数和使用寿命是脉冲功率驱动源输出性能和工作状态的重要影响因素，因此，一些大型脉冲功率装置或紧凑型驱动源都对开关提出了“低电感”和“长寿命”的苛刻要求。若开关能够形成稳定的多通道放电，将有效增加气体间隙的放电通道、改善放电点分布，优化放电回路结构，降低电极烧蚀速率，最终实现降低气体开关电感、延长工作寿命的目的。为使气体开关形成稳定多通道放电，国内外学者给出了一些研究结果或技术方法，下面进行简要概括分析。俄罗斯强流电子学研究所和西安交通大学研制了平板、同轴和方形等结构的多个圆球电极组成的多级多通道开关，西北核技术研究所等单位研制了弹簧电极多级多通道开关，这些开关使用电阻或电感隔离放电通道，有效增加放电通道数量，也固定了通道发生位置，但结构复杂、静态性能较差，详见引证文献【1-6】。美国Maxwell和Titan公司、中国工程物理研究院、西北核技术研究所等多家单位研制了同轴型、轨道式、环轨式、双平行轨道式等结构的场畸变开关，通过增大开关触发过程中的场畸变程度，增加初始电子产生浓度，进而增加放电通道形成数量，但场畸变开关需要适当增加电极长度，且触发电极的引入也会影响开关静态特性，详见引证文献【7-11】。还可以采用外部电子直接注入气体开关间隙的方式，增加间隙内初始电子数和放电通道数，当前可行的方式有等离子体喷射和阵列微孔阴极放电等，西安交通大学和复旦大学采用这些方式设计了可以形成多通道放电的开关，但这类开关的问题在于机械结构和工作电路复杂、运行电压低，使用寿命短，详见引证文献【12-13】。研究发现多间隙开关容易形成多通道放电，多国学者都进行了这类开关的研制与特性研究工作，均发现存在多个间隙放电通道数量不同、所有间隙放电通道在轴向方向很难形成连续的直线路径、多个通道的分布也较为集中等问题，这就导致电流沿电极周长方向流动，增大了放电回路电感，从而出现了气体火花开关多通道放电不稳定的问题，详见引证文献【14-17】。总之，在不影响开关其它重要特性或使用条件的前提下，目前的技术手段无法达到有效形成稳定多通道放电的目的。【1】БастриковАН,КимАА,КовальчукБМ.Низкоиндуктивныемнокозазорныеразрядники[J].ФИЗИКА,1997,No12,5-16.【2】KimAA.,KovalchukBM,KremnevVV,etal.Multi-gapmulti-channelsparkswitches[C].11thinternationalpulsedpowerconference,1997:862～867.【3】KovalchukBM,KharlovAV,ZorinVB,etal.Acompactsubmicrosecond,highcurrentgenerator[J].REVIEWOFSCIENTIFICINSTRUMENTS,2009,80,083504.【4】KimAA,KovalchukBM,etal.0.75MA,400nsrisetimeLTDstage[C].12thinternationalpulsedpowerconference,1999:955～958.【5】SunF,ZengJ,QiuA,etal.Coaxialmulti-gapmulti-channelgassparkclosingswitchwithlowinductanceandjitter[J].强激光与粒子束,2002,14(2):312-316.【6】肖磊.火花开关多放电通道形成特性的研究[D].西安：西安交通大学，2017.【7】丛培天,曾正中,蒯斌,等.同轴场畸变气体开关运行特性[J].强激光与粒子束,2005,17(5):765-769.【8】李洪涛,丁伯南,谢卫平,等.200kV100kA低抖动环轨式多通道场畸变开关[J].强激光与粒子束,2003(03):288-292.【9】李岩,黄涛,丛培天,等.双平行电极场畸变气体火花开关电极优化与实验研究[J].高压电器.2010(11):53-56.【10】GordonLB,WilsonMJ,etal.HighCurrentRailGapStudies[C].4thIEEEInt.PulsedPowerConf.,1983:178～181.【11】LamSK,MillerR,etal.FastMarxforPRSDrivers[C].14thIEEEPulsedPowerConf.,2003,619～621.【12】铁维昊,刘善红,张乔根,等.新型等离子体喷射触发气体开关[J].强激光与粒子束,2014,26(4):045013.【13】腾亚青,刘克富,邱剑,等.阵列微孔阴极放电触发的纳秒脉冲开关[J].强激光与粒子束,2012,24(3):621-624.【14】丛培天,孙铁平,邱爱慈,等.多间隙气体开关电感[J].强激光与粒子束,2012,24(8):2009-2012.【15】孙铁平,丛培天,李阳,等.六间隙串联气体开关触发放电过程[J].强激光与粒子束.2013,25(08):2167-2172.【16】WoodworthJR,HahnK,AlexanderJA,etal.Gasswitchstudiesforlineartransformerdrivers[C].16thInternationalPulsedPowerConference.Albuquerque,NewMexico,2007:250-253.【17】WoodworthJR,AlexanderJA,GrunerFR,etal.Low-inductancegasswitchesforlineartransformerdrivers[J].Phys.Rev.STAccel.Beams,2009,12,060401。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术设计了一种用于气体火花开关的电极结构及设计方法，其采用选取两种强电场电子发射能力差异较大的电极材料，以相间排列的方式进行组合，实现组合材料电极结构。该电极结构能够调控气体间隙火花放电通道的形成数量和发生区域，进而达到气体火花开关稳定多通道放电的目的。本专利技术的具体技术方案是：本专利技术提供了一种用于气体火花开关的电极结构，包括相间排列的N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块；N的数量依据电子发射效率高的电极材料组块能够产生的放电通道数量确定；N≥1；其中，低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块采用电子发射效率差异较大的两种材料制成且低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块的外部结构和内部结构均相同；相邻的低逸出功电极材料组块和高逸出功电极材料组块之间无缝隙对接安装。进一步地，所述低逸出功电极材料组块采用不锈钢或石墨制成；进一步地，所述高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于气体火花开关的电极结构，其特征在于：包括相间排列的N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块；N的数量依据电子发射效率高的电极材料组块能够产生的放电通道数量确定；N≥1；其中，低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块采用电子发射效率差异较大的两种材料制成且低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块的外部结构和内部结构均相同；相邻的低逸出功电极材料组块和高逸出功电极材料组块之间无缝隙对接安装。

【技术特征摘要】
1.一种用于气体火花开关的电极结构，其特征在于：包括相间排列的N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块；N的数量依据电子发射效率高的电极材料组块能够产生的放电通道数量确定；N≥1；其中，低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块采用电子发射效率差异较大的两种材料制成且低逸出功电极材料组块与高逸出功电极材料组块的外部结构和内部结构均相同；相邻的低逸出功电极材料组块和高逸出功电极材料组块之间无缝隙对接安装。2.根据权利要求1所述的用于气体火花开关的电极结构，其特征在于：所述低逸出功电极材料组块采用不锈钢或石墨制成。3.根据权利要求1或2所述的用于气体火花开关的电极结构，其特征在于：所述高逸出功电极材料组块采用黄铜或钨铜制成。4.根据权利要求3所述的用于气体火花开关的电极结构，其特征在于：N个低逸出功电极材料组块以及N个高逸出功电极材料组块构成的气体火花开关的形状为环形或矩形或筒形。5.一种用于气体火花开关的电极结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定低逸出功电极材料组块以及高逸出功电极材料组...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛培天，黄涛，翟戎骁，罗维熙，
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