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00--双间隙伪火花开关沿面放电触发材料的研究_张明
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。
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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
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