伪火花放电开关的陶瓷表面放电触发研究.pdfVIP

第 15 卷 　第 2 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 15 ,No. 2 2003 年 2 月 HIGH POWER LASER AND PARTICL E BEAMS Feb. ,2003 文章编号 2003 0座机电话号码 伪火花放电开关的陶瓷表面放电触发研究 谢建民 , 　邱毓昌 西安交通大学 电气工程学院, 陕西 西安 710049 摘 　要 : 　设计了伪火花开关的陶瓷材料表面放电触发器 ,该触发器体积小 ,结构简单 ,可焙烧。经 5 大量实验 10 次 表明 ,较传统的表面放电触发器可靠性提高 ,寿命延长 ,用它触发的伪火花开关 放 电电压30～2kV 具有稳定的放电时延 50～340ns 和时延抖动 15～40ns 。由于触发电流大 , 因此可 在极低的开关电压下触发开关 ,对耐受电压 30kV 的伪火花开关 ,其最低可触发开关电压可至 600V 。 关键词 : 　伪火花放电开关 PSS ; 脉冲功率技术 ; 陶瓷表面放电触发; 空心阴极效应 中图分类号 : TN134. 4 文献标识码 :A 近 20 年来 ,伪火花开关 pseudospark switch , PSS 的研究有了很大进展。伪火花放电是工作在 Paschen 曲 线最低点左侧的低气压空心阴极放电 ,具有氢气闸流管和高压气体开关的双重优点 ,其电流导通能力和上升速 12 度 10 A/ s 接近高压气体开关 ,对称电极结构可以通过 100 %的反向电流 ,且可以高频工作 ,研究报道其工作 [1 ] μ [1～4 ] 频率可达 7kHz ,在小电流 电流小于 20kA , 脉冲宽度小于 1 s 工作条件下 ,它的寿命已超过 600kC 。 作为一种高重复率高电压大电流的快速反应开关 ,伪火花开关已在气体激光器 ,粒子加速器 , 电集尘设备,体外 碎石机等脉冲功率装置中得到成功应用 ,成为继氢气闸流管和高压气体开关之后又一重要的闭合开关[1～6 ] 。 在伪火花放电机理研究和开关设计中 ,触发技术是一项重要内容。因为触发方案的选择不仅关系到开关 放电室的设计 ,而且对开关的电压范围 ,工作频率和使用寿命有很大影响。到目前为止 , 已有多种方法可用于 伪火花开关的触发 ,这些方法既可用于单间隙单通道开关 ,也可用于多间隙和多通道伪火花开关的触发[7～12 ] 。 但目前得到广泛应用的只有电荷注入触发 脉冲辉光放电触发与脉冲空心阴极放电触发 和表面放电触发。特 别是表面放电触发近年来受到人们的青睐。本文研制了伪火花开关的陶瓷表面放电触发器 ,实验表明 ,该触发 器具有良好的工作性能和寿命 ,消除了原有触发器寿命较短的弱点 ,可以应用于全封闭伪火花开关。 1 　陶瓷表面放电触发器原理与设计 1 . 1 　伪火花开关触发原理与特点 伪火花放电的一个重要特征就是开关内电子的平均自由程已接近或大于两个电极之间的间距 , 因此其间 不可能直接产生电子崩及由此引发的击穿放电。伪火花开关的敏感部位是空心阴极 , 由于空心阴极效 应[1～5 ] , 电子在阴极中增加很快,所以开关的触发须采用向空心阴极注入电子或等离子体的方式进行。研究 9 10 [1 ,2 ] 表明 ,要使伪火花开关可靠放电 , 向空心阴极注入的电子数目必须达到 10 ～10 个 。伪火花开关表面放电 触发单元由表面放电材料及植入其中的两个触发电极构成 , 整体集成到主放电开关的空心阴极后部 参见图 1 。触发时 ,在电极上施加几千伏的负极性脉冲电压 ,产生滑闪放电 ,滑闪放电在陶瓷表面产生一层等离子体 并有光辐射 ,导致开关内气体充分电离与放电。和电荷注入触发相比 ,表面放电触发产生的时延及抖动很小 , 且结构简单 ,不需要维持长期的直流电压 ,也不需要另外的阻断电势和控制电极以及相应的电路系统。同时由 于它的体积小 ,又处于空心阴极内部 , 因此采用表面放电触发的伪火花开关的体积也小 ,其缺点是寿命较短。 因为早期的触发器所用表面放电材料的介电常数比较小 ,大都是聚脂薄膜一类的有机绝缘材料 ,为降低触发电 压 ,两个触发电极之间的距离都非常小 通常小于 1mm ,经多次放电后会在电极表面产生烧蚀 ,影响触发器的 寿命和可靠性 ,而且有机绝缘材料表面的滑闪放电产生的炭痕和气态物质也污染开关内的氢气 ,并改变其气体 压力 ,从而影响到整个开关的工作性能。为克服这一缺点 ,近年来 ,人们开始尝试用介电常数较大的陶瓷材料 收稿日期 :座机电话号码 ; 　修订日期 :座机电话号码 基金项目 : 国家自然科学基金重点资助项目作者简介 :谢建民 1963 ,男 ,博士