一种碳纤维脉冲功率开关制造技术

本发明专利技术涉及脉冲功率技术领域的一种碳纤维脉冲功率开关，与现有的自击穿开关相比，主要通过将现有自击穿开关中的金属阴极电极的主要发射区域由金属替换为碳纤维盘来提高开关的稳定性和延长寿命。其中，碳纤维盘包括金属带孔底盘、若干碳纤维束和固定压盘。所述的碳纤维束两端形成的碳纤维发射面以代替传统开关的金属发射面。本发明专利技术提供的碳纤维脉冲功率开关，由于碳纤维束比现有金属电极开关中的晶须长径比更大、场增强因子的一致性更好，且更耐高温烧蚀，因此在稳定性和寿命方面的性能都有很大提高。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维脉冲功率开关
本专利技术属于脉冲功率
，具体涉及一种碳纤维脉冲功率开关。
技术介绍
脉冲功率技术是产生高功率、窄脉宽电脉冲的技术，在电子束加速器物理、高功率微波产生、等离子体物理等研究领域有重要应用。脉冲功率系统是一个复杂的系统，其中的脉冲功率开关是脉冲功率系统的核心部件，其作用是控制系统电回路的导通或断开，通常应该具有结构紧凑、长寿命、导通延时短(电流上升时间)、导通延时抖动小、通流能力强等特点。在脉冲功率系统中，一般使用的脉冲功率开关多数运用绝缘介质的击穿特性。在高电压脉冲作用下，绝缘介质发生击穿，即由绝缘状态转换到导电状态过程，也就是脉冲功率开关由断开到导通的转换过程。根据是否需要触发，脉冲功率开关可分为触发开关和自击穿开关。触发开关是指需要触发信号(如电信号或光信号等)的辅助作用，使得更易发生由断开到导通转换过程的一类脉冲功率开关。自击穿开关是指不需要触发信号，当开关两端的电压达到或超过绝缘介质的击穿电压时，就可以发生由断开到导通转换过程的一类脉冲功率开关。由于不需要引入触发信号，自击穿开关具有整体结构简单、紧凑的优点，因此应用十分广泛；但是自击穿开关一般又有导通延时长、导通延时和击穿电压抖动大(稳定性差)、寿命短的缺点。现有的自击穿开关，如图1所示，环绕中心轴线旋转对称，包括金属连接杆1a、固定螺帽2a、介质密封板3a、螺杆4a、阴极电极5a、介质外筒6a、气嘴7a、阳极电极8a、小密封圈9a和大密封圈10a。为了叙述方便，下文规定：阴极电极5a所在的一端为左端，阳极电极8a所在的一端为右端。现有的自击穿开关工作过程和机理为：当高电压脉冲加到自击穿开关两端的金属连接杆1a时，此时刻为t0，在阴极电极5a和阳极电极8a之间形成宏观电场。宏观电场在阴阳两极相距最近的区域(阴极电极5a右端弧顶和阳极电极8a左端中间区域附近之间)最强，由于阴极电极5a处于低电位，因此电子将从阴极电极5a的弧顶附近(图1中的E区)被发射出并向阳极电极8a运动。阴极电极5a上的晶须(即表面的微凸)，如图2所示，这些晶须的高度通常在10-4cm量级，底半径小于10-5cm，而顶端半径远小于底半径；其微观电场(晶须附近小范围内的电场)等于宏观电场与场增强因子的乘积，晶须的长径比越大(即场增强因子越大)，晶须表面的微观电场就越大。通常，阴极电极5a发射电子的阈值电场很高，为107V/cm的量级，但是由于场增强因子的作用，当宏观电场大于105V/cm就可以引起阴极电极5a发射电子。当加载高电压脉冲使得宏观电场达到一定的强度时，由于微观电场的增强，使晶须顶端发生很强的电子发射，而且由于电流流过导致的焦耳加热使晶须发生气化(普通不锈钢熔点～1500℃)，并随之发生电爆炸。电爆炸使得阴极电极5a表面产生等离子体，等离子体中的电子在宏观电场的作用下向阳极电极8a运动，并在此过程中与两电极间隙中残留(或预充)的气体发生碰撞，使得气体发生电离，电离所产生的粒子又在宏观电场的作用下继续碰撞其它气体，导致其它气体发生电离，如此形成一个雪崩效应，最终形成流向阳极电极8a的电子束流，此时刻为t1，自击穿开关便处于导通状态。可见，每次自击穿开关导通都需要一个或多个晶须来启动，启动过程中该晶须因电流通过产生过热而爆炸消失。长时间多高电压脉冲工作后，晶须的数量会逐渐减少，而且其长径比也会变小，即场增强因子也会变小。从上述过程可以看出，自击穿开关导通的关键在于电极表面晶须电子的发射过程。各个晶须由于尺寸不一、分布不均匀，其场增强因子的一致性较差，从而使得晶须电子发射随机性较大，导致自击穿开关导通延时(时刻t1与时刻t0之差)不稳定、抖动较大；自击穿开关长时间运行后由于晶须的长径比变小而导致开关导通延时变长，甚至最后会使得自击穿开关的耐压变大而脱离预期设计的工作电压范围，因此限制了自击穿开关在设定参数范围内的有效工作寿命。因此，设计一种新型的自击穿脉冲功率开关结构，采用发射稳定性好、寿命长的电极，提高自击穿开关的工作稳定性并延长其运行寿命，对于推进自击穿开关在脉冲功率系统中的应用，并拓展脉冲功率技术的应用领域具有广阔的应用前景和重要的科研价值。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：设计一种碳纤维脉冲功率开关，提高开关的稳定性和延长开关的寿命。本专利技术采用的总技术方案是：与现有的自击穿开关相比，本专利技术设计了一种碳纤维脉冲功率开关，主要通过将现有自击穿开关中的金属阴极电极的主要发射区域由金属替换为碳纤维盘来提高开关的稳定性和延长寿命。其中，碳纤维盘包括金属带孔底盘、若干碳纤维束和固定压盘。所述的碳纤维束两端形成的碳纤维发射面以代替传统开关的金属发射面。具体技术方案是：如图3-6所示，一种碳纤维脉冲功率开关，其特征在于：包括阴极电极5，所述的阴极电极5包括阴极电极底座51和碳纤维盘52，所述的碳纤维盘52包括金属带孔底盘521、若干碳纤维束522和固定压盘523；所述的阴极电极底座51为半径为R2的半球体，左端中心处开有直径为Ф2、深度为d2的圆凹槽，圆凹槽内壁开有内螺纹，右端半球顶处沿半球体球心方向开有直径为Ф13的圆槽，圆槽底面与半球体的直径面距离为d15，满足d15>d2，圆槽内侧开有内螺纹，右侧边缘倒有半径为R3的圆角；所述的金属带孔底盘521直径为Ф14、厚度为d16，满足Ф14＝Ф13<2*R2，d16+d15<R2，该金属带孔底盘521右侧盘面上均匀设有若干直径为Ф15的通孔，通孔共有N2圈、每一圈为并列两排，该金属带孔底盘521左侧开有两级槽：第一级是深度为d17、直径为Ф16的圆槽，第二级是N2个深度为d18、宽度为d19的圆环槽，满足d18+d17<d16，保证每一圈通孔完全开在圆环槽的宽度之内，该金属带孔底盘521的侧柱面上开有外螺纹，与阴极电极底座51右端圆槽的内螺纹配合；所述的固定压盘523的结构与金属带孔底盘521的两级槽相匹配：为两级台体结构，分别是直径Ф16、厚度d23的圆台和N2个厚度为d24、宽度为d25的圆环凸起，满足d23>d17，d24>d18，且d25<d19，该固定压盘523的作用是压紧碳纤维束522；所述的碳纤维束522长度相同且大于2*d22、直径为Ф17，满足Ф17<Ф15，且保证安装好后碳纤维束522两端距离金属带孔底盘521右侧盘面的距离等于d22，该碳纤维束522两端形成的碳纤维面的作用是代替现有自击穿开关的金属发射面。进一步，所述的碳纤维脉冲功率开关，其特征在于：所述的金属带孔底盘521右侧盘面中心区域还开有一个孔隙为d20、单边长为d21的十字孔。进一步，所述的碳纤维脉冲功率开关，其特征在于：所述的阴极电极底座51采用不锈钢或铜钨合金等金属材料；所述的金属带孔底盘521和固定压盘523采用金属铝、铜或不锈钢等金属材料。所述的碳纤维脉冲功率开关，其特征在于：还包括金属连接杆1、固定螺帽2、介质密封板3、螺杆4、介质外筒6、气嘴7、阳极电极8、小密封圈9和大密封圈10；所述的金属连接杆1由总长度为d1、直径分别为Ф1和Ф2的两段圆柱杆组成，满足Ф1<Ф2；直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维脉冲功率开关，其特征在于：包括阴极电极(5)，所述的阴极电极(5)包括阴极电极底座(51)和碳纤维盘(52)，所述的碳纤维盘(52)包括金属带孔底盘(521)、若干碳纤维束(522)和固定压盘(523)；所述的阴极电极底座(51)为半径为R2的半球体，左端中心处开有直径为Ф2、深度为d2的圆凹槽，圆凹槽内壁开有内螺纹，右端半球顶处沿半球体球心方向开有直径为Ф13的圆槽，圆槽底面与半球体的直径面距离为d15，满足d15>d2，圆槽内侧开有内螺纹，右侧边缘倒有半径为R3的圆角；所述的金属带孔底盘(521)直径为Ф14、厚度为d16，满足Ф14＝Ф13

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维脉冲功率开关，其特征在于：包括阴极电极(5)，所述的阴极电极(5)包括阴极电极底座(51)和碳纤维盘(52)，所述的碳纤维盘(52)包括金属带孔底盘(521)、若干碳纤维束(522)和固定压盘(523)；所述的阴极电极底座(51)为半径为R2的半球体，左端中心处开有直径为Ф2、深度为d2的圆凹槽，圆凹槽内壁开有内螺纹，右端半球顶处沿半球体球心方向开有直径为Ф13的圆槽，圆槽底面与半球体的直径面距离为d15，满足d15>d2，圆槽内侧开有内螺纹，右侧边缘倒有半径为R3的圆角；所述的金属带孔底盘(521)直径为Ф14、厚度为d16，满足Ф14＝Ф13<2*R2，d16+d15<R2，该金属带孔底盘(521)右侧盘面上均匀设有若干直径为Ф15的通孔，通孔共有N2圈、每一圈为并列两排，该金属带孔底盘(521)左侧开有两级槽：第一级是深度为d17、直径为Ф16的圆槽，第二级是N2个深度为d18、宽度为d19的圆环槽，满足d18+d17<d16，保证每一圈通孔完全开在圆环槽的宽度之内，该金属带孔底盘(521)的侧柱面上开有外螺纹，与阴极电极底座(51)右端圆槽的内螺纹配合；所述的固定压盘(523)的结构与金属带孔底盘(521)的两级槽相匹配：为两级台体结构，分别是直径Ф16、厚度d23的圆台和N2个厚度为d24、宽度为d25的圆环凸起，满足d23>d17，d24>d18，且d25<d19，该固定压盘(523)的作用是压紧碳纤维束(522)；所述的碳纤维束(522)长度相同且大于2*d22、直径为Ф17，满足Ф17<Ф15，且保证安装好后碳纤维束(522)两端距离金属带孔底盘(521)右侧盘面的距离等于d22，该碳纤维束(522)两端形成的碳纤维面的作用是代替现有自击穿开关的金属发射面。2.根据权利要求1所述的碳纤维脉冲功率开关，其特征在于：所述的金属带孔底盘(521)右侧盘面中心区域开有一个孔隙为d20、单边长为d21的十字孔。3.根据权利要求1所述的碳纤维脉冲功率开关，其特征在于：所述的阴极电极底座(51)采用不锈钢或铜钨合金等金属材料；所述的金属带孔底盘(521)和固定压盘(523)采用金属铝、铜或不锈钢等金属材料。4.根据权利要求1-3任一所述的碳纤维脉冲功率开关，其特征在于：还包括金属连接杆(1)、固定螺帽(2)、介质...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊玉伟，李安昆，杨汉武，李嵩，李志强，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43