00--双间隙伪火花开关沿面放电触发材料的研究_张明.pdfVIP

双间隙伪火花开关沿面放电触发材料的研究 张明 栾小燕 周亮 北京真空电子技术研究所 北京 100015 摘要：本文介绍了一种新型大电流脉冲调制器件——双间隙伪火花开关，它利用介电材料沿面放电进行 触发，双间隙导通脉冲大电流，可以用来调制不低于50kV、50kA 的脉冲。本文就双间隙伪火花开关沿 面放电的三种触发材料进行了相关研究，确定了氮化铝-碳化硅材料具有优良的触发性能与机械性能， 解决了触发单元成品率较低的问题，实现了双间隙伪火花开关的产品化。 关键词：伪火花开关，脉冲功率调制，空心阴极效应，沿面放电触发 1．引言 伪火花开关（Pseudospark Switches ，简称PSS 管），是一种处于帕邢曲线左支的低气压、冷阴极气 [1] 体放电开关器件 。图1 所示为PSS 管典型电极结构图，开关由一个平板阳极和一个与之平行且顶部 带有孔洞的空心阴极构成，两极中间用绝缘陶瓷封接；阴极空腔内部放置触发单元（trigger unit ），以对 开关进行点火触发；开关内部工作气体为氢气，通过氢储存器来调节气体压强。 1.阳极 2.空心阴极 3.绝缘陶瓷 4.触发单元 5.氢储存器 图1 PSS 管典型电极结构图 PSS 管阳极与阴极的间距约数毫米，管内气体压强小于100Pa，因此主间隙具有较高的绝缘耐压能 力；当触发单元提供大量电荷注入到阴极空腔时，在空心阴极效应的作用下主间隙气体被击穿，阳极与 阴极迅速被连通。由于上述开关动作具有极间气体击穿时间短（10ns ）、放电脉冲电流大（100kA ）、 可承受阳极反向电流大 （80%）等特点，使得PSS 管非常适用于大功率脉冲调制，并能在单次大电流 放电 （单次电荷转移量大于10 库伦）、大电容 （数百μF ）脉冲放电、短路脉冲放电等特殊应用中取代 引燃管 （汞弧管）。 作为一种冷阴极气体放电开关器件，PSS 管具有预热时间短、电极结构与使用电路简单、工作寿命 长等优点，在大多数应用中可以直接替换闸流管与触发管，还能广泛应用于大型气体激光器、直线粒子 加速器、雷达、特种电源等领域。 2 ．伪火花开关触发单元的工作机理 伪火花开关的触发单元主要用于控制空心阴极效应的产生，从而完成对开关的点火。当在触发单元 上施加脉冲电压时，可将空心阴极内部的气体电离到一定程度，并形成初始的等离子体分布，在阳极渗 透到空心阴极内的驱动电场作用下，这些等离子体作为电离源在空心阴极内部产生大量的高能二次电子， 空心阴极效应得以产生，并为开关导通脉冲大电流提供足够的载流子。 产品化的伪火花开关，其触发单元通常可分为两种工作类型：介电材料沿面放电与电极辅助辉光放 电。从实用性角度出发，介电材料沿面放电触发的伪火花开关具有开关结构简单、使用电路通用、可适 性强等特点，并且在开关小型化、集成化上具有优势，尤其适用于单次大电流放电 （单次电荷转移量大 于10 库伦）的应用。 在具有一定表面电阻的介电材料上施加触发脉冲电压 U ，将会沿其表面产生小的电流，并在材料 t 表面形成空间电荷聚集效应。当U 超过一定阈值（通常为1kV 左右）时，就会把材料附近的气体（氢 t 气）击穿，并产生具有一定浓度的等离子体，以供应伪火花开关形成空心阴极效应。由于沿面放电的阈 值电压远小于气体的帕邢击穿电压，因此该方式具有触发电压低、放电延迟时间短、触发脉冲电流大等 优点。 903 9 3 根据相关研究，触发空心阴极效应所需的初始等离子体浓度应不小于 10 个/m ，而对笔者所设计 的伪火花开关结构进行测试后发现，当触发脉冲电流峰值不小于90A 时，开关才能正常进行阳极着火。 提高沿面放电的触发脉冲电流有两种方式：（1）提高施加在介电材料两端的触发电压；（2 ）降低介 电材料的表面电阻。对大部分介电材料，由于其绝缘性能较高，往往需要很高的触发电压 （大于6kV ） 才能完成