一种基于表面改性石墨电极的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基于表面改性石墨电极的自击穿高压气体开关，目的是解决自击穿气体开关由于没有触发极造成其自击穿不稳定，自击穿电压归一化标准差大等问题。技术方案是在气体开关电极表面镀钛、铪等发射阈值高的金属材料，将电极表面镀层挖开一个圆环，将发射阈值低的石墨材料暴露出来。表面圆环处场强较高，击穿主要发生在该处；电极表面圆环处石墨材料发射阈值相对于周围钛、铪等金属材料发射阈值低，利于电子发射，开关击穿更容易集中在表面圆环处，提高击穿的稳定性，减小击穿电压的归一化标准差。本发明专利技术在发挥石墨重量轻、耐烧蚀优点的基础上，解决了石墨材料脆、容易出现颗粒脱落等问题，实现了高压气体的低抖动长时间稳定运行。稳定运行。稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面改性石墨电极的自击穿高压气体开关


[0001]本专利技术涉及高功率脉冲驱动源
的自击穿气体开关，尤其是一种基于表面改性石墨电极的自击穿高压气体开关。

技术介绍

[0002]高功率脉冲驱动源技术是通过高功率脉冲发生器将低功率、长时间存储起来的能量在很短的时间内以高功率迅速释放给负载的一门科学技术。随着高功率脉冲驱动源技术越来越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，高功率脉冲发生器正朝着高重频、高稳定性、长寿命等方向发展。
[0003]高功率开关作为高功率脉冲驱动源实现电脉冲的核心器件，起着连接储能器件与负载的作用，其工作特性在很大程度上决定了系统整体的应用能力。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。而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应用场合。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。
[0004]开关电极是气体开关的核心器件，现有开关电极大多采用铜钨合金、不锈钢等金属材料或复合材料，研究集中于探索电极烧蚀机理，优化电极形状，以及分析环境参数对开关性能的影响等。近年来，石墨材料电极以其质量小、熔点高等优点成为了气体开关电极材料的研究热点。然而，石墨材料受限于自身的脆性，在经受电弧多次轰击后，很容易出现颗粒脱落、掉渣甚至是材料整体破碎的情况，特别是在大电流条件下，石墨掉粉现象比较严重。如何在充分发挥石墨重量轻、耐烧蚀等优点基础上，解决石墨材料脆、容易出现颗粒脱落等瓶颈问题，实现高压气体开关的低抖动长时间稳定运行是本领域技术人员试图攻克的难点问题。目前还没有基于石墨改性材料电极的气体开关的公开报道。

技术实现思路

[0005]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，自击穿电压归一化标准差大等不足，提供一种基于表面改性石墨电极的自击穿高压气体开关，通过在气体开关电极表面镀钛、铪等发射阈值高的金属材料，并将电极表面镀层挖开一个圆环，将发射阈值低的石墨材料暴露出来。一方面，基于结构特性，表面圆环处场强较高，击穿主要发生在该处；另一方面，电极表面圆环处石墨材料发射阈值相对于周围钛、铪等金属材料发射阈值低，利于电子发射，开关击穿更容易集中在表面圆环处。基于此，电极击穿易发生在圆环处，提高击穿的稳定性，减小击穿电压的归一化标准差。
[0006]本专利技术的技术方案是：本专利技术中一种基于表面改性石墨电极的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)。
[0007]绝缘腔体是一个带两个端面的圆筒形空腔，由绝缘筒，前绝缘端板和后绝缘端板构成。绝缘腔体采用绝缘材料制成。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绝缘腔体的中心面(即与前绝缘端板和后绝缘端板平行且与前绝缘端板和后绝缘端板距离相等的中心面)BB
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对称。前绝缘端板和后绝缘端板的中心均钻有通孔。
[0008]绝缘筒是一个圆筒，长度为L，壁厚为W＝R2‑
R1，R1为绝缘筒101内半径，R2为绝缘筒外半径，R1<R2，L一般为8～80cm，R1一般为10～50cm；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)，S个第一螺纹孔的中心与绝缘筒端面的中心O的距离均为R(即S个第一螺纹孔的中心处于同一个圆周上)，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。
[0009]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。在前绝缘端板半径为的圆周上钻S个第一通孔，第一通孔孔径等于M。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。第一定位槽深度为H，H一般为0.5～1cm，前绝缘端板通过S个第一通孔与绝缘筒的左端面的第一螺纹孔通过螺杆连接，且前绝缘端板挖有第一定位槽的面与绝缘筒的左端面贴合。
[0010]后绝缘端板与前绝缘端板形状和结构完全相同，安装位置关于中心面BB
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与前绝缘端板对称。前绝缘端板的中心O处钻有半径为R3的第三通孔和半径为R4的第二定位槽，后绝缘端板通过螺杆与绝缘筒的右端的第一螺纹孔通过螺杆连接，且后绝缘端板挖有第二定位槽的面与绝缘筒的右端面贴合。
[0011]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。
[0012]阴极杆与阳极杆形状和结构完全相同，安装位置关于中心面BB
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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，厚度等于H。右侧阴极圆杆长度等于左侧阳极圆杆长度L1，半径等于R3。右侧阴极圆杆从后绝缘板左侧穿过第三通孔，阴极圆盘嵌在第二
定位槽中，右侧阴极圆杆通过螺栓固定在后绝缘端板上，右侧阴极圆杆右端连接负载。左侧阴极圆杆左端攻有螺纹，与阴极电极连接。左侧阴极圆杆、右侧阴极圆杆也可是一根完整的圆杆，此时阴极圆盘中心挖有一个半径等于R3的通孔，左侧阴极圆杆、右侧阴极圆杆组成的圆杆插在阴极圆盘中心的通孔中并焊接固定，即构成阴极杆。
[0013]阳极电极是异本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于表面改性石墨电极的自击穿高压气体开关，基于表面改性石墨电极的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；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)上，阴极电极(5)固定在阴极杆(3)上；定义表面改性石墨电极的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，定义表面改性石墨电极的自击穿高压气体开关连接负载的一端为输出端即右端；其特征在于：绝缘腔体(1)是一个带两个端面的圆筒形空腔，由绝缘筒(101)，前绝缘端板(102)和后绝缘端板(103)构成；绝缘腔体(1)采用绝缘材料制成；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)关于绝缘腔体(1)的中心面BB
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对称，中心面BB
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指与前绝缘端板(102)和后绝缘端板(103)平行且与前绝缘端板(102)和后绝缘端板(103)距离相等的中心面；绝缘筒(101)是一个圆筒，长度为L，壁厚为W＝R2‑
R1，R1为绝缘筒(101)内半径，R2为绝缘筒(101)外半径，R1<R2；绝缘筒(101)的两个端面均匀攻有S个第一螺纹孔(1011)，S>1；S个第一螺纹孔(1011)的中心处于同一个圆周上；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；在前绝缘端板(102)半径为的圆周上钻S个第一通孔(1021)；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，前绝缘端板(102)通过S个第一通孔(1021)与绝缘筒(101)的左端面的第一螺纹孔(1011)通过螺杆连接，且前绝缘端板(102)挖有第一定位槽(1023)的面与绝缘筒(101)的左端面贴合；后绝缘端板(103)与前绝缘端板(102)形状和结构完全相同；前绝缘端板(103)的中心O处钻有半径为R3的第三通孔(1032)和半径为R4的第二定位槽(1033)，后绝缘端板(103)通过螺杆与绝缘筒(101)的右端的第一螺纹孔(1011)通过螺杆连接，且后绝缘端板(103)挖有第二定位槽(1033)的面与绝缘筒(101)的右端面贴合；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)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，安装位置关于中心面BB
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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；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)为异形结构，材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：李嵩，王俊婷，曾凡正，高景明，蔡浩，张全才，钱宝良，万红，
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：