一种三电极场畸变气体火花开关
阅读说明：本技术 一种三电极场畸变气体火花开关 (Three-electrode field distortion gas spark switch ) 是由 张天洋 丛培天 曾江涛 翟戎骁 罗城 呼义翔 尹佳辉 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种三电极场畸变气体火花开关,解决现有气体开关寿命和稳定性相对较差的问题。该气体火花开关包括绝缘外壳、上电极、下电极、电极连接件、触发电极、电极定位块、触发连接件、左盖板、右盖板和气嘴；绝缘外壳为长条方形壳体,包括上侧板、下侧板、前侧板和后侧板；上电极和下电极设置在绝缘外壳内部,电极连接件设置在上侧板和下侧板的安装孔内；电极定位块设置在绝缘外壳内腔的左侧和右侧；触发电极包括楔形圆盘和支撑长板,楔形圆盘位于上电极和下电极之间,中心设置有中心通孔；触发连接件的左端设置在左盖板外侧,右端与触发电极电连接；气嘴设置在气嘴安装孔内,该气体火花开关结构紧凑、电感低,且触发性能满足FMG研制需要。(The invention provides a three-electrode field distortion gas spark switch, which solves the problem that the service life and the stability of the existing gas switch are relatively poor. The gas spark switch comprises an insulating shell, an upper electrode, a lower electrode, an electrode connecting piece, a trigger electrode, an electrode positioning block, a trigger connecting piece, a left cover plate, a right cover plate and an air tap; the insulating shell is a long-strip square shell and comprises an upper side plate, a lower side plate, a front side plate and a rear side plate; the upper electrode and the lower electrode are arranged in the insulating shell, and the electrode connecting piece is arranged in the mounting holes of the upper side plate and the lower side plate; the electrode positioning blocks are arranged on the left side and the right side of the inner cavity of the insulating shell; the trigger electrode comprises a wedge-shaped disc and a supporting long plate, the wedge-shaped disc is positioned between the upper electrode and the lower electrode, and a central through hole is formed in the center of the wedge-shaped disc; the left end of the trigger connecting piece is arranged on the outer side of the left cover plate, and the right end of the trigger connecting piece is electrically connected with the trigger electrode; the air tap is arranged in the air tap mounting hole, the gas spark switch is compact in structure and low in inductance, and the triggering performance meets the FMG development requirement.)
技术领域
本发明属于气体开关领域，具体涉及一种三电极场畸变气体火花开关，适用于快Marx发生器。
背景技术
高功率气体开关在初级脉冲源中有着广泛应用，由于其具有工作电压高、通流能力强、传递电荷量大等特点，因此是初始电脉冲产生的关键器件，在能量利用效率、功率放大倍数和波形调控方面起决定性作用。
Marx发生器是常见的初级脉冲源，在大型脉冲功率装置中应用广泛。传统的Marx气体开关主要采用长条圆柱外形作为开关的整体轮廓，例如“闪光二号”加速器的Marx气体开关，该气体开关的电极高度和绝缘间隙距离较长，因此开关的结构电感相对较大；新发展的快放电初级脉冲源技术中，快Marx发生器(FMG)要求气体开关具有较低的结构电感，即开关电极高度和绝缘间隙距离不宜过长，这就要求开关的整体轮廓尽可能向扁平状发展。此外，为了满足多台FMG并联工作的同步性和稳定性，对开关在低欠压比下的触发抖动和工作寿命也提出了更严苛的要求。因此，如何在开关电极高度和间隙距离尽可能小的前提下，设计出一只低欠压比运行的低抖动、长寿命、高稳定性的气体开关是一个难题。
为了降低气体开关的结构电感，美国L3通信公司研制了一款三电极气体开关，其电感仅为93nH。该开关的主电极为直径35mm的圆柱平板结构，触发电极采用中心孔径为9mm的圆环结构，开关的整体尺寸为Φ146×76mm2，是标准的扁平结构。同时，为了提高该开关的触发特性，专门在触发电极的径向引入了一个预电离针。根据实验结果：工作电压±100kV、回路等效电容20nF、触发电压+120kV、欠压比81％的条件下，开关的抖动仅为1.2ns，达到了低抖动的目标；但是预电离针的寿命相对较短，导致开关的寿命和稳定性相对较差。这一点从开关在长期运行过程中存在多次自放电，且当欠压比降低到70％时，开关抖动增大到6ns，并存在触发未能击穿的实验现象上得到充分验证。
为了在低欠压比下实现开关低抖动的目的，美国Kinetech公司和圣地亚国家实验室联合研制了一只场畸变气体开关，该开关的主电极为直径25mm的半球头电极，触发电极为4个直径为3mm的针状圆柱。当触发脉冲来临时，触发电极的尖端会产生强烈场畸变，促使开关在低欠压比条件下稳定可靠导通。实验结果表明：在工作电压±100kV、回路等效电容20nF、触发脉冲电压+120kV、欠压比70％的条件下，该开关的抖动仅为1.05ns，达到了低抖动的工作目标。但是随着工作次数增加，开关的击穿时延由最初的32ns增长到5000次后的43ns，抖动也由1.05ns增长到了2.4ns。通过检查发现，针尖烧蚀过于严重是开关触发时延和抖动增长的主要原因，使得该气体开关的寿命和稳定性也相对较差。
发明内容
本发明的目的是解决现有气体开关寿命和稳定性相对较差的问题，提供一种三电极场畸变气体火花开关，该气体火花开关结构紧凑、电感低，且触发性能满足FMG研制需要。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案为：
一种三电极场畸变气体火花开关，包括绝缘外壳、上电极、下电极、电极连接件、触发电极、电极定位块、触发连接件、左盖板、右盖板和气嘴；所述绝缘外壳为长条方形壳体，包括上侧板、下侧板、前侧板和后侧板，且上侧板和下侧板的端面设置有安装孔；所述上电极和下电极设置在绝缘外壳内部，为阶梯圆柱结构，两个阶梯圆柱的大端平行且相对设置，小端与电极连接件连接，所述电极连接件设置在上侧板和下侧板的安装孔内；所述电极定位块为两块，分别设置在绝缘外壳内腔的左侧和右侧，其端面设置有支撑安装孔；所述触发电极包括楔形圆盘和设置在楔形圆盘两侧的支撑长板，所述楔形圆盘位于上电极和下电极之间，其上端面和下端面均设置为向内凹陷的楔形面，中心设置有与上电极、下电极大端直径相同且同轴的中心通孔；所述支撑长板的一端与楔形圆盘连接，另一端设置在支撑安装孔内；所述上电极、下电极的大端为边缘倒圆角的平头圆柱，所述楔形圆盘的中心通孔侧壁与楔形面通过圆弧面连接；所述楔形圆盘楔形面的倾斜角度为θ2，所述上电极、下电极边缘倒圆角中心点A和触发电极圆弧面中心点B的连线AB与楔形圆盘轴线之间的夹角为θ1，2θ2＜θ1；所述左盖板设置在绝缘外壳的左侧，其端面设置有触发连接孔，所述右盖板设置在绝缘外壳的右侧，其端面设置有气嘴安装孔；所述触发连接件的左端设置在左盖板外侧，右端依次穿过触发连接孔、支撑安装孔与触发电极实现电连接；所述气嘴为多个，设置在气嘴安装孔内，且通过设置在电极定位块上的气孔与绝缘外壳内腔连通，从而实现充气和放气。
进一步地，所述前侧板和后侧板的端面中心轴线上设有沿长度方向延伸的长条形凸起，用于增加开关沿面距离，所述长条形凸起与前侧板、后侧板的连接处设置为圆弧面，所述长条形凸起的外侧棱角倒圆角设置。
进一步地，所述上电极、下电极的大端圆柱直径为40mm，两者间隙距离为20mm。
进一步地，所述触发连接件包括第一触发连接杆和第二触发连接杆，所述支撑安装孔包括依次设置的第一圆孔、第二圆孔和条形安装孔，所述第一触发连接杆的一端设置在左盖板外侧，右端穿过触发连接孔设置在第一圆孔内，所述第二触发连接杆的一端与第一触发连接杆连接，另一端穿过第二圆孔，与设置在条形安装孔内的支撑长板连接。
进一步地，所述电极连接件包括限位凸台和连接杆，所述连接杆的一端与限位凸台连接，另一端穿过安装孔与上电极、下电极连接，所述限位凸台的尺寸大于安装孔的尺寸，设置在上侧板、下侧板外侧，用于对连接杆的位置进行限定。
进一步地，所述上侧板、下侧板上还设置有安装板，所述安装板通过电极连接件设置在安装孔内，用于与外部设备连接。
进一步地，所述左盖板、右盖板与绝缘外壳相接触的面上设置有第一环形密封槽，所述第一环形密封槽内设置有橡胶密封圈，保证开关的气密性。
进一步地，所述电极连接件与上侧板、下侧板相接触的外壁上设置有第二环形密封槽，所述第二环形密封槽内设置有橡胶密封圈，保证开关的气密性。
进一步地，所述绝缘外壳、左盖板、右盖板采用有机玻璃材料制作，所述上电极、下电极和触发电极采用不锈钢、钨铜合金或耐烧蚀性金属材料制作；所述电极定位块和气嘴采用尼龙材料制作。
进一步地，所述左盖板、右盖板通过紧固螺钉与绝缘外壳连接，所述紧固螺钉采用聚醚醚酮材料制作。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
1.本发明三电极场畸变气体火花开关的触发电极中心为楔形圆盘结构，内环为带有倒角的刀口状，此种结构有利于提高触发时电场畸变程度，提高开关触发性能，同时，圆环状的触发电极相比针状触发电极具有更大的烧蚀面积，可以有效降低触发电极的烧蚀速度，提高开关的使用寿命和稳定性。
2.本发明三电极场畸变气体火花开关的触发电极中心通孔内径与上、下电极的外径一致，此种设置有利于触发间隙放电时发出的强烈紫外光照射更大区域的过压击穿间隙，使电极表面产生更多数量自由电子，可以有效降低开关时延和抖动。
3.本发明三电极场畸变气体火花开关的绝缘外壳上设置有长条形凸起，此种设置增加了开关沿面距离，可以防止开关在耐受高电压的时候发生沿面闪络。此外，在FMG单级结构中，该凸起还起到了固定开关位置的作用。
4.本发明三电极场畸变气体火花开关的结构电感为39nH，在工作电压±85kV、回路等效电容125nF、触发电压+180kV、充干燥空气6.5bar(欠压比57％)的条件下，开关的触发抖动为1.02ns，且连续运行10000次抖动未发生明显变化，性能满足快Marx发生器使用需求。
附图说明
图1为本发明三电极场畸变气体火花开关的结构示意图；
图2为本发明三电极场畸变气体火花开关的横向剖视图；
图3为本发明三电极场畸变气体火花开关的纵向剖视图；
图4为本发明三电极场畸变气体火花开关省略绝缘外壳后的结构示意图；
图5为本发明三电极场畸变气体火花开关的绝缘外壳结构示意图；
图6为本发明触发电极内环刀口处的角度设计示意图。
附图标记：1-绝缘外壳，2-上电极，3-下电极，4-电极连接件，5-触发电极，6-电极定位块，7-触发连接件，8-左盖板，9-右盖板，10-气嘴，11-安装板，12-第一环形密封槽，13-第二环形密封槽，14-紧固螺钉，101-上侧板，102-下侧板，103-前侧板，104-后侧板，105-安装孔，106-长条形凸起，401-限位凸台，402-连接杆，501-楔形圆盘，502-支撑长板，503-中心通孔，601-支撑安装孔，701-第一触发连接杆，702-第二触发连接杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种三电极场畸变气体火花开关，该气体火花开关结构紧凑、电感低，且采用优化后的触发电极结构，可以在低欠压比的条件下实现低抖动运行，且开关还具备长寿命和高稳定性的特点，适用于快Marx发生器。
如图1至图5所示，本发明三电极场畸变气体火花开关包括绝缘外壳1、上电极2、下电极3、电极连接件4、触发电极5、电极定位块6、触发连接件7、左盖板8、右盖板9和气嘴10。绝缘外壳1为长条方形壳体，包括上侧板101、下侧板102、前侧板103和后侧板104，上侧板101和下侧板102的宽度大于前侧板103和后侧板104的宽度，且上侧板101和下侧板102的端面设置有安装孔105；前侧板103和后侧板104的端面中心轴线上设有沿长度方向延伸的长条形凸起106，用于增加开关沿面距离，此时，需将长条形凸起106与前侧板103、后侧板104的连接处设置为圆弧面，长条形凸起106的外侧棱角倒圆角设置。上电极2和下电极3对称设置在绝缘外壳1内部，为阶梯圆柱结构，两个阶梯圆柱的大端平行且相对设置，小端与电极连接件4连接，电极连接件4设置在上侧板101和下侧板102的安装孔105内；电极定位块6为两块，分别设置在绝缘外壳1内腔的左侧和右侧，其端面设置有支撑安装孔601；触发电极5包括楔形圆盘501和设置在楔形圆盘501两侧的支撑长板502，楔形圆盘501位于上电极2和下电极3之间，其上端面和下端面均设置为向内凹陷的楔形面，中心设置有中心通孔503，中心通孔503的直径与上电极2、下电极3大端直径相同，且中心通孔503与上电极2、下电极3同轴设置；支撑长板502的一端与楔形圆盘501连接，另一端设置在支撑安装孔601内，且端面设置有触发孔；左盖板8通过紧固螺钉14设置在绝缘外壳1的左侧，其端面设置有触发连接孔，右盖板9通过紧固螺钉14设置在绝缘外壳1的右侧，其端面设置有气嘴安装孔；触发连接件7的左端设置在左盖板8外侧，右端穿过触发连接孔设置在触发孔内，与触发电极5实现电连接；气嘴10为多个，设置在气嘴安装孔内，且通过设置在电极定位块6上的气孔与绝缘外壳1内腔连通，从而实现充气和放气。
如图3和图6所示，上电极2、下电极3的大端为边缘倒圆角的平头圆柱，楔形圆盘501的中心通孔503侧壁与楔形面通过圆弧面连接。楔形圆盘501楔形面的倾斜角度为θ2，上电极2、下电极3边缘倒圆角中心点A和触发电极5圆弧面中心点B的连线AB与楔形圆盘501轴线之间的夹角为θ1，此时，2θ2＜θ1，即可将楔形圆盘501的内环设置为带有倒角的刀口状，刀口斜面的角度小于主电极倒角中心点A和触发电极5内环倒角中心点B的连线AB与轴线之间的夹角的一半。本发明将上电极2、下电极3的大端直径与楔形圆盘501中心通孔503的直径设置为相同，同时，楔形圆盘具备一定的厚度，楔形圆盘中心通孔边缘为圆角结构，楔形圆盘刀口斜面的角度小于主电极倒角中心点A和触发电极5内环倒角中心点B的连线AB与轴线之间的夹角的一半，在二者同时满足的情况下，可以有效增强主电极和触发电极之间的场畸变效果，提高开关的触发性能，同时，开关放电区域主要集中在上电极2、下电极3圆角处和触发电极5中心孔圆角处，这种放电区域的集中，可有效降低开关放电的抖动，这种触发盘结构能够达到与触发针结构类似的触发效果，但是相比触发针结构，触发盘的烧蚀区域更大，因此更耐烧蚀，开关寿命更长。
为了保证触发连接件7与触发电极5的可靠电连接，可对触发连接件7的结构做以下限定：触发连接件7包括第一触发连接杆701和第二触发连接杆702，支撑安装孔601包括依次设置的第一圆孔、第二圆孔和条形安装孔，第一触发连接杆701的一端设置在左盖板8外侧，右端穿过触发连接孔设置在第一圆孔内，第二触发连接杆702的一端与第一触发连接杆701连接，另一端穿过第二圆孔，与设置在条形安装孔内的支撑长板502连接。
本发明气体火花开关对电极连接件4的结构不作限定，只要能够实现上电极2、下电极3的连接即可，具体的，可通过以下结构实现，电极连接件4包括限位凸台401和连接杆402，连接杆402的一端与限位凸台401连接，另一端穿过安装孔105与上电极2、下电极3连接，限位凸台401的尺寸大于安装孔105的尺寸，且设置在上侧板101、下侧板102外侧，用于对连接杆402的位置进行限定。
为保证气体火花开关的气密性，左盖板8、右盖板9与绝缘外壳1相接触的面上设置有第一环形密封槽12，第一环形密封槽12内设置有橡胶密封圈。电极连接件4与上侧板101、下侧板102相接触的外壁上设置有第二环形密封槽13，第二环形密封槽13内设置有橡胶密封圈。
为了实现更加方便的安装，本发明上侧板101、下侧板102上还设置有安装板11，安装板11通过电极连接件4设置在安装孔105内，用于与外部设备连接。
本发明三电极场畸变气体火花开关的绝缘外壳1、左盖板8、右盖板9采用有机玻璃材料制作，上电极2、下电极3和触发电极5采用不锈钢、钨铜合金或耐烧蚀性金属材料制作；电极定位块6和气嘴10采用尼龙材料制作，紧固螺钉14采用聚醚醚酮材料制作，该材料具有良好的硬度和抗拉伸强度，能有效提高紧固螺钉14的机械性能和抗拉伸性能。
下面通过具体的实施例对本发明三电极场畸变气体火花开关的结构进行详细描述。
绝缘外壳1由有机玻璃材料制造，该外壳长为310mm，宽为150mm，高为100mm，厚度为23mm，外壁倒角半径为10mm，内壁倒角半径为12mm。外壳前后外壁上的长条形凸起106，外端倒角半径为2mm，与外壳连接处倒角半径为5mm。
上电极2和下电极3为不锈钢或钨铜合金等耐烧蚀性金属材料，两个电极结构相同，为阶梯圆柱形，呈对称设置。电极放电端直径40mm，厚度14mm，倒角半径为6mm，靠近开关外壳内壁端直径25mm，厚度3mm，倒角半径为3mm，中心位置开有一个14mm深的螺纹孔。上侧板101、下侧板102中心位置各开有一个安装孔105，上电极2和下电极3通过电极连接件4对称固定于绝缘外壳1的内表面，两者间隙距离为20mm，电极连接件4穿过安装孔105，一端向内与上、下电极3进行连接和固定，一端固定在绝缘壳外表面。
触发电极5为不锈钢或钨铜合金等耐烧蚀性金属材料，为长条平板结构，由中心楔形圆盘501和左右支撑长板502组成，总长度为260mm。支撑长板502一端的中心处开有一个16mm深的直孔，支撑长板502一端与电极定位块6连接，另一端与楔形圆盘501通过螺钉进行固定和连接。触发电极5的核心为中间楔形圆盘501，内径为40mm，外径为76mm，楔形最薄处的厚度为2mm，倒角半径为0.5mm。
电极定位块6为尼龙材料，厚度为50mm，左右两面的中心位置分别开有一个长14.5mm、宽6mm、深25mm、倒角半径3mm的扁平状直孔和一个直径18mm、深20mm的圆形直孔，这两个直孔通过直径8mm、深5mm的直孔相通。先将具有扁平状直孔的一面朝内安置在绝缘外壳1的一端，另一面与外壳端面平齐，而后将触发电极5从绝缘外壳1的另一端伸入，将一端插进电极定位块6的扁平状直孔中，然后再将另一定位块以对称的方式装入开关外壳的另一端。
两端盖板为有机玻璃材料，中心位置开有长114mm，宽64mm的环形密封槽，槽宽4mm、深1.8mm，环形密封槽的四个角各开有半径5mm的倒角。该环形密封槽用于安装橡胶密封圈，保证开关的气密性。环形密封槽外围有10个直径13mm的通孔，绝缘外壳1两端各开有10个27mm深的M12螺纹孔，紧固螺钉14穿过盖板上的通孔旋入绝缘外壳1两端的螺纹孔内，使两端盖板与外壳紧密连接。其中左盖板8的中心有一个螺纹孔用来安装和固定触发电极5连接件4，右盖板9密封槽内两端的位置各开有一个螺纹孔用来安装气嘴10。电极定位块6两端各开有一个直孔，与盖板上的气嘴10位置相对应，使开关可以有效的充气和放气。
本实施例通过开关击穿特性实验得到：开关工作气体为干燥空气，且充气气压分别为1bar、2bar、3bar时，开关自击穿电压分别为103kV、139kV、175kV，分散性分别为3.5kV、2.4kV、3.6kV。在工作电压±85kV、触发脉冲幅值180kV、工作气压6.5bar、欠压比57％的条件下，开关击穿时延为20.4ns，抖动约为1.02ns，在该状态下连续运行10000次，开关抖动仍在1ns左右，无明显变化。
本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各组件的具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进都属于本发明的权利范围。
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