高功率气体火花开关电极烧蚀机理的研究.pdfVIP

　第 16 卷 　第 6 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 16 ,No. 6 　 　2004 年 6 月 HIGH POWER LASER AND PARTICL E BEAMS J un. ,2004 　 文章编号 (2004) 高功率气体火花开关电极烧蚀机理研究 罗 　敏 , 　江金生 , 　常安碧 , 　赵殿林 ( 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900) 　　摘 　要 : 　从热力学的角度 ,对高功率气体火花开关的电极烧蚀过程进行了理论分析 ,建立了该烧蚀过程 的简化数学模型并进行了数值求解;研究了电极烧蚀深度与密度、定压比热容、熔点、沸点、热导率、熔解热等电 极材料特性参数的关系 ; 比较了钨、铜、铝三种常用电极材料的耐烧蚀能力,结果表明钨的耐烧蚀能力最强 ,铜 次之。 　　关键词 : 　气体火花开关 ; 电极烧蚀;时域有限差分 　　中图分类号 : TN242 　　　　文献标识码 :A 　　提高脉冲功率源的重复频率是当前脉冲功率技术研究的重要内容之一 ,开关技术则是制约这一技术发展 的关键[1 ] 。气体火花开关以其工作电压高、功率容量大、结构简单等优点 ,在脉冲功率技术中得到了广泛的应 用[2 ,3 ] 。但这种开关工作在高功率重复频率状态时 , 由于电极很快烧蚀,影响了开关性能 , 限制了开关的寿命。 电极烧蚀会造成电极材料的损失,使开关主电极间距发生改变 ,从而改变开关的工作状态 ; 电极烧蚀产生的过 多金属蒸气 ,会降低开关的绝缘能力 ;对于三电极气体开关 ,触发电极的烧蚀将会造成触发结构的改变 ,影响开 关的触发性能。因此 ,抑制电极烧蚀、寻找耐烧蚀的电极材料是延长高功率气体火花开关工作寿命的关键 ,也 是本文研究的内容。 1 　高功率气体火花开关电极烧蚀的物理机制 　　在高功率气体火花开关放电过程中 ,放电电极会被加热而升温 ,若有足够多的能量沉积到电极材料中 ,会 使电极材料温度不断升高直至熔点或沸点 ,熔化或蒸发的电极材料会脱离电极表面 ,这个过程就称为电极烧 蚀。电极烧蚀过程实际上包含电极加热和电极材料去除两个物理过程 , 电极加热过程即放电时放电区附近电 ( ) 极温度不断上升直至相变温度 熔点或沸点 的过程 , 电极材料去除过程是指发生相变的电极材料脱离电极表 面的过程。 1 . 1 　电极加热机制 　　图 1 描绘了一个典型的电弧电极相互作用的情况。 电极加热主要有焦耳加热、等离子体射流、电极表面的化学 ( ) ( 反应等几种机制。焦耳加热发生在气体 介质 和电极 导 ) 体 中。当气体开关快速导通时 , 由于趋肤效应和电极材料 的电阻率随温度增加而增加 ,使得电极表面的焦耳加热大 大增强 ; 同时 ,弧柱中的焦耳加热产生的热能以辐射、对流 ( 和传导的方式传递到电极表面。等离子体射流是高速 约 4 ) 10 m/ s 运动的定向流 ,来自于电极表面附近空间的部分电 离的电极蒸气 ;弧丝与电极表面结合的孤立点是等离子体 Fig. 1 　Arcelectrode interaction 射流的来源 ,许多孤立点在流体动力作用下结合成一个射 图 1 　电弧电极相互作用示意图 流 ;一些实验已经证实这些射流的存在以及它们对高能火花隙电极加热有影响[4 ] 。另外 ,发生在电极表面的 化学反应可能也是电极加热的重要热源[5 ] 。 1 . 2 　电极材料去除机制 　　电极材料去除过程是相当复杂的 , 目前已发现有多种物理机制对该过程起作用。最直观的一种机制是电 收稿日期 ; 　修订日期