一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关制造技术

本发明专利技术公开了一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，目的是解决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，自击穿电压离散度较大等问题。本发明专利技术由阴极电极、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。阳极电极的阳极突出部位和阴极电极的阴极突出部位加工成粗糙度为N的带尖峰结构；通过增大开关电极表面粗糙度，增大电极表面电场，促使开关电极表面电子产生，使开关击穿更加稳定，减小自击穿电压离散度从而提升自击穿高压气体开关工作稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关
本专利技术涉及高功率脉冲驱动源
的自击穿气体开关，尤其是一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关。
技术介绍
高功率脉冲驱动源技术是通过高功率脉冲发生器将相对较长的时间内存储起来的能量在很短的时间内迅速释放出来的一门科学技术。近年来，随着高功率脉冲发生器在高重频、高稳定性、长寿命等方向的发展，高功率脉冲驱动源技术已经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。开关作为高功率脉冲发生器中的核心器件，起着连接储能器件与负载的作用，其特性很大程度决定了输出脉冲的波形。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。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。对于自击穿气体开关，自击穿电压离散度是评判其工作稳定性的一个重要因素。传统观念认为，电极表面粗糙度越小、整体越光滑，电极击穿越稳定，自击穿电压离散度越小。然而，在前期的研究中发现，在自击穿实验中，气体开关电极表面会不断被烧蚀，并产生凸起与坑蚀。这些凸起和坑蚀会改变电极表面的平整度，从而影响自击穿的稳定性。基于此，如果增大电极表面粗糙度，电极表面的电场会增强，初始电子会集中在电极表面小范围内，从而电极烧蚀会集中，气体开关更加稳定，从而减小自击穿电压的离散度。西安交通大学吴佳玮在学术论文《ExperimentalStudyofSelf-breakdownVoltageStatisticsinCu-WElectrodeSparkGapSwitches》【JiaweiWu.“ExperimentalStudyofSelf-breakdownVoltageStatisticsinCu-WElectrodeSparkGapSwitches”，TransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,Vol.24,2017(关于铜钨电极自击穿气体开关的实验研究,电介质与电气绝缘,24卷,页码：2056-2065,2017年)”】中报道了一种如图1所示的自击穿气体开关。该气体开关关于NN’旋转对称。该自击穿气体开关由绝缘腔体1、阴极杆2、阳极杆3、阴极电极4和阳极电极5组成。绝缘腔体1是一个带两个端面的圆柱形空腔，由绝缘筒101，前绝缘端板102和后绝缘端板103构成。前绝缘端板102固定安装在绝缘筒101的左端(连接高压电源的一端)，后绝缘端板103固定安装在绝缘筒101的右端(连接负载的一端)，前绝缘端板102和后绝缘端板103关于AA’对称。阴极杆2和阳极杆3形状和结构相同，在位置上关于AA’对称。阴极电极4固定在阴极杆2的右端，处于绝缘腔体1内，阳极电极5固定在阳极杆3的左端，处于绝缘腔体1内。但绝缘腔体1、阴极杆2、阳极杆3、阴极电极4和阳极电极5的具体形状与结构在文中并未详细描述。图1所示的自击穿气体开关在2万次脉冲实验中，自击穿电压约为32.4kV，自击穿电压离散度较大，为10.2％。说明其自击穿电压不稳定，限制了该气体开关在脉冲功率装置中的应用。
技术实现思路
本专利技术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，自击穿电压离散度较大等不足，提供一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，通过增大开关电极表面粗糙度，将电极表面加工成带尖峰结构，增大电极表面电场，促使开关电极表面电子产生，使开关击穿更加稳定，减小自击穿电压离散度从而提升自击穿高压气体开关工作稳定性。本专利技术的技术方案是：本专利技术中具有尖峰电极结构的异形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。定义本专利技术连接高压电源的一端(即前绝缘端板一侧)为输入端(左端)，定义本专利技术连接负载的一端(即后绝缘端板一侧)为输出端(右端)。绝缘腔体是一个带两个端面的圆柱形空腔，由绝缘筒，前绝缘端板和后绝缘端板构成。绝缘筒101的长度为L，壁厚为W＝R2-R1，内半径为R1，外半径为R2(R1<R2)，L一般为8～80cm，R1一般为10～50cm，采用绝缘材料制成。前绝缘端板和后绝缘端板结构完全相同，均为半径等于R2的圆盘，厚度为T。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BB’对称。前绝缘端板和后绝缘端板的中心均钻有通孔。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)，第一螺纹孔中心线半径为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。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。在中心线半径为位置处钻S个第一通孔，第一通孔孔径等于M，前绝缘端板通过S个第一通孔与绝缘筒的左端面通过螺杆连接。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1023深度为H，H一般为0.5～1cm。后绝缘端板与前绝缘端板形状和结构完全相同，安装位置关于中心线BB’与前绝缘端板对称。后绝缘端板通过螺杆与绝缘筒的右端连接。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。阴极杆与阳极杆形状和结构完全相同，安装位置关于中心线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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关由绝缘腔体(1)、阳极杆(2)、阴极杆(3)、阳极电极(4)和阴极电极(5)组成；定义具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关连接高压电源的一端为输入端即左端，定义具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关连接负载的一端为输出端即右端；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)的右端，处于绝缘腔体(1)内，阴极电极(5)固定在阴极杆(3)的左端，处于绝缘腔体(1)内；/n绝缘腔体(1)是一个带两个端面的圆柱形空腔，由绝缘筒(101)，前绝缘端板(102)和后绝缘端板(103)构成；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BB’对称；/n其特征在于：/n绝缘筒(101)的长度为L，内半径为R

【技术特征摘要】
1.一种具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关，具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关由绝缘腔体(1)、阳极杆(2)、阴极杆(3)、阳极电极(4)和阴极电极(5)组成；定义具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关连接高压电源的一端为输入端即左端，定义具有尖峰电极结构的异形自击穿高压气体开关连接负载的一端为输出端即右端；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)的右端，处于绝缘腔体(1)内，阴极电极(5)固定在阴极杆(3)的左端，处于绝缘腔体(1)内；
绝缘腔体(1)是一个带两个端面的圆柱形空腔，由绝缘筒(101)，前绝缘端板(102)和后绝缘端板(103)构成；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BB’对称；
其特征在于：
绝缘筒(101)的长度为L，内半径为R1，外半径为R2，R1<R2，壁厚为W＝R2-R1，采用绝缘材料制成；
绝缘筒(101)的两个端面均匀攻有S个第一螺纹孔(1011)，S>1；第一螺纹孔(1011)直径为M，M<R2-R1，第一螺纹孔1011中心线半径为R，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；
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；在中心线半径为位置处钻S个第一通孔(1021)，第一通孔(1021)孔径等于M，前绝缘端板(102)通过S个第一通孔(1021)与绝缘筒(101)的左端面通过螺杆连接；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)，R4>R3；第一定位槽(1023)深度为H；
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，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，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，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；
阴极杆(3)与阳极杆(2)形状和结构完全相同，安装位置关于中心线BB’对称；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；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；
阳极电极(4)是异形结构，材料为不锈钢、铜钨合金、黄铜中任意一种；阳极电极(4)整体呈一个端面带有凹坑的圆盘状，圆盘外侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李嵩，曾凡正，高景明，杨汉武，钱宝良，张自成，葛行军，王蕾，蔡浩，王俊婷，
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