一种低抖动三电极场畸变气体开关的制作方法

1.本实用新型涉及一种气体开关，具体涉及一种低抖动三电极场畸变气体开关。


背景技术：

2.近年来，脉冲功率技术在军民两用领域得到大量应用，所要求的脉冲源输出电压等级也越来越高。与此同时，对脉冲源的运行稳定性与可靠性也提出更高的要求，而影响脉冲源工作稳定性与可靠性的因素较多，不仅包括高电压条件下绝缘部件的耐压可靠性，还包括脉冲源建立过程中的时延与抖动以及内部气体开关击穿过程的稳定程度等。对于包含大量气体开关的脉冲功率源，如ltd、marx发生器等，其内部气体开关的击穿过程及由此产生的时延与抖动是脉冲源整机建立时延与抖动形成的主要来源，因此降低气体开关击穿抖动成为提升装置运行稳定性与可靠性的关键环节。
3.气体开关作为大功率脉冲驱动源的关键部件之一，因具有耐受电压高、通流能力强、使用寿命长、结构简单等优点，在脉冲功率模拟装置中应用较为广泛。特别是在百千伏，甚至mv(兆伏)级高压输出或百千焦级能量传输的应用场合，气体开关仍为主流能量转换器件。根据应用场合的不同，对气体开关提出的工作指标、参数要求等也不同。
4.常见的气体开关有自击穿两电极气体开关、三电极场畸变气体开关、多级多通道气体开关等，其中，三电极场畸变气体开关因具有结构简单、场型对称、触发方便等优点，而在双边正负充电形式的marx、ltd等大功率脉冲源中得到广泛应用，因其电极结构完全对称，在安装时无需考虑正反面，这对于需要大量开关装配的场合，可以节省很大的时间和人力。但是，该类气体开关一旦电极结构确定后，其击穿特性则完全由外部工作及触发条件来决定，自身无法调节。针对此缺陷，目前常用电晕辅助放电的方法改善气体开关的击穿抖动，该方法通过主间隙附近局部场增强点的预先电晕放电来为主间隙提供有效初始电子，从而达到降低整个间隙击穿时延与抖动的目的，但目前常见的电晕辅助型气体开关的电极结构多为非对称形式的trigatron结构，或者独立的辅助放电间隙，依然无法解决既能降低整个间隙击穿时延与抖动，同时又能快速安装的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于解决现有三电极场畸变气体开关无法同时满足降低整个间隙的击穿时延与抖动，以及快速安装的技术问题，而提出一种低抖动三电极场畸变气体开关。
6.为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术解决方案如下：
7.一种低抖动三电极场畸变气体开关，包括绝缘壳体以及同轴设置在绝缘壳体内的触发电极和两个主电极；所述绝缘壳体内部为密闭腔体；所述触发电极为圆盘形触发电极盘；两个主电极对称安装在绝缘壳体内，分别位于触发电极盘两端且与触发电极盘的距离相等；其特殊之处在于：
8.所述触发电极盘两个端面的中心处分别开设有凹槽，两个凹槽通过触发电极盘中
心开设的通孔连通；
9.所述两个主电极上分别设置有正对通孔中心的电晕放电针，电晕放电针的端部与主电极靠近触发电极盘一端的端部齐平。
10.进一步地，所述主电极为阶梯圆柱结构，所述阶梯圆柱结构的小端与绝缘壳体相连，阶梯圆柱结构的大端端面中心开设有沉槽，所述电晕放电针安装于沉槽底部中心处。
11.进一步地，所述阶梯圆柱结构的小端通过沉头螺钉与绝缘壳体相连，沉头螺钉与绝缘壳体外壁之间通过压接垫片密封，以此提高主电极连接的稳定性，同时气体开关整体的密封性。
12.进一步地，所述通孔直径大于或等于沉槽直径的二分之一，小于或等于沉槽的直径，此直径设计降低整个间隙击穿时延与抖动的效果较佳。
13.进一步地，所述电晕放电针的直径为1-2mm。
14.进一步地，所述绝缘壳体为圆柱形结构，其包括前壳体和后壳体，前壳体和后壳体内侧均开设有环形槽，环形槽的底部设有波浪状凸起，前壳体和后壳体的内部扣合形成密闭腔体；
15.所述前壳体和后壳体外侧分别设置有一个气嘴，气嘴分别通过金属组合垫与前壳体和后壳体密封连接，气嘴用于实现腔体内部绝缘气体的充放与气压的调节。
16.进一步地，还包括触发螺杆，其一端设置有触发螺杆帽，另一端穿过前壳体和后壳体的扣合处与触发电极盘连接。
17.进一步地，所述触发电极盘的边沿通过前壳体和后壳体压紧，且压紧处设置有橡胶圈，以此提高气体开关工作的稳定性。
18.进一步地，所述电晕放电针采用螺纹连接的方式安装于沉槽底部中心处；所述前壳体和后壳体之间通过尼龙螺栓固定。
19.进一步地，所述电晕放电针为钨针，其熔点高、耐烧蚀且逸出功较小。
20.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
21.1、本实用新型所提供的一种低抖动三电极场畸变气体开关，在三电极场畸变开关的基础上设置电晕放电针，此结构设计具备了三电极场畸变开关结构对称、便于装配的优势，以及电晕放电针辅助放电的功能，通过调节自身结构实现了降低气体开关击穿抖动的目的。
22.2、本实用新型所提供的一种低抖动三电极场畸变气体开关，电晕放电针位于主电极中间沉槽的中心位置处，且与主电极靠近触发电极盘一端端面的相对位置可以根据需要进行调节，以此保证电晕放电针既可起到辅助放电的作用，又可有效避免其自身直接参与主电极间隙的放电过程，从而延长其使用寿命。
23.3、本实用新型所提供的一种低抖动三电极场畸变气体开关，可通过调节电晕放电针伸出长度而实现更多放电通道，从而进一步减小开关间隙火花通道电感的目的，如除主电极放电通道外，电晕放电针与电晕放电针间、电晕放电针与触发电极盘之间均可形成放电通道。
附图说明
24.图1为本实用新型一种低抖动三电极场畸变气体开关实施例的剖视图；
25.图2为本实用新型一种低抖动三电极场畸变气体开关实施例的立体图；
26.图3为图1的局部放大图；
27.图4为本实用新型一种低抖动三电极场畸变气体开关实施例中电晕放电型主电极的结构示意图；
28.图5为本实用新型一种低抖动三电极场畸变气体开关实施例的内部结构图。
29.附图标记如下：
30.1-气嘴，2-触发电极盘，21-通孔，22-凹槽，23-橡胶圈，3-沉头螺钉，4-绝缘壳体，41-前壳体，42-后壳体，5-主电极，51-电晕放电针，6-尼龙螺栓，7-压接垫片，8-触发螺杆帽，9-触发螺杆。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
32.如图1所示，本实用新型提供了一种低抖动三电极场畸变气体开关，包括绝缘壳体4以及同轴设置在绝缘壳体4内的触发电极和两个主电极5。绝缘壳体4的材质选择绝缘性能与力学性能均极佳的绝缘材料，如有机玻璃、abs塑料等。绝缘壳体4内部为密闭腔体，两个主电极5和触发电极均位于密闭腔体内，两个主电极5对称安装在密闭腔体的内壁上，对称设置在触发电极盘2的两端，从而保证开关装配的便利性。且与触发电极的距离相等，主电极5材料为304不锈钢。触发电极为圆盘形触发电极盘2，其材质为不锈钢。
33.如图3所示，触发电极盘2两个端面的中心处分别开设有凹槽22，两个凹槽22通过触发电极盘2中心开设的通孔21连通，通孔21的设置可以保证绝缘气体介质在绝缘壳体4内均匀流通。为了实现主电极5通过调节自身结构，从而达到降低气体开关击穿抖动的目的，本实施例在两个主电极5上分别设置有正对通孔21中心的电晕放电针51，以此在开关内形成局部场增强点，有利于减小整个开关击穿过程的时延与抖动。通孔21的直径一般根据主电极5与电晕放电针51的尺寸来限定，另外凹槽22的直径一般大于主电极5的外径。
34.如图1、图3、图4、图5所示，主电极5为阶梯圆柱结构，阶梯圆柱结构的小端通过沉头螺钉3与绝缘壳体4相连，沉头螺钉3与绝缘壳体4外壁之间通过压接垫片7密封，沉头螺钉3和压接垫片7均为不锈钢材料。阶梯圆柱结构的大端开设有沉槽，沉槽的直径一般不小于8mm。通孔21直径一般大于或等于沉槽直径的二分之一，小于或等于沉槽的直径，本实施例中的通孔21直径为沉槽直径的二分之一，以此缩小触发击穿时电晕放电针51的针尖与触发电极盘2的距离。
35.本实施例中，电晕放电针51选择钨针，其熔点高、耐烧蚀且逸出功较小的钨针。钨针与主电极5为等电位，可通过调整设计钨针的尺寸、结构，使其形成局部场增强点。当主电极5加载直流电压时，电晕放电针51的顶部会先于主电极5产生初始电子，从而在内部电场的作用下有效缩短整个间隙击穿过程的统计时延。电晕放电针51的长度可根据实际需求进行设计，一般情况下，其针尖与主电极5靠近触发电极盘2一端的端面端面齐平，从而保证电晕放电针51既可起到辅助放电作用的同时，又可有效避免其自身直接参与主电极间隙的放电过程，从而达到保护电晕放电针51，延长其使用寿命的目的。
36.电晕放电针51的直径为1-2mm，其与主电极5的沉槽底部中心处通过螺纹连接，可根据需要调节电晕放电针51的针尖与主电极5靠近触发电极盘2一端端面的相对位置。一般
情况下，电晕放电针51的针尖可根据需要伸出或缩进主电极5端面1-2mm，进而保证电晕放电针5的针尖位置能有效形成额外的场增强点，当加载同等电压时，会在该处优先产生电子，在电场的作用下提早介入整个间隙的击穿过程，减小击穿过程的统计时延，有效降低开关击穿抖动。
37.如图1、图2和图5所示，绝缘壳体4为圆柱形结构，其包括前壳体41和后壳体42，前壳体41和后壳体42内侧均开设有环形槽，环形槽的底部设有波浪状凸起，前壳体41和后壳体42扣合后通过尼龙螺栓6固定连接，从而在前壳体41和后壳体42扣合的内部形成密闭腔体。前壳体41和后壳体42外侧分别设置有一个气嘴1，用于实现腔体内部绝缘气体的充放与气压的调节。气嘴1为尼龙材料，通过气嘴安装孔固定在前壳体41和后壳体42上，且分别通过金属组合垫将其与前壳体41和后壳体42的连接处密封，进而提高气体开关工作的稳定性。
38.如图2所示，本实施例的气体开关还包括触发螺杆9，触发螺杆9的一端设置有触发螺杆帽8，用于保护触发螺杆9进而延长其使用寿命；触发螺杆9的另一端穿过前壳体41和后壳体42的扣合处与触发电极盘2连接，以此提高其连接的稳定性。
39.如图1所示，为了提高触发电极盘2的稳定性及气体开关整体的密封性，触发电极盘2的边沿通过前壳体41和后壳体42压紧，且压紧处设置有橡胶圈23。
40.结合图1至图5，本实用新型的工作原理为：本实用新型一种低抖动三电极场畸变气体开关的两个主电极5均采用电晕放电型电极结构，在两个主电极5中间植入熔点高、耐烧蚀且逸出功较小的钨针。钨针与主电极5为等电位，通过调整设计钨针的尺寸、结构，使其形成局部场增强点。当主电极5加载直流电压时，电晕放电针51的顶部优先于主电极5产生初始电子，从而在内部电场的作用下有效缩短整个间隙击穿过程的统计时延。
41.触发电极盘2两端中心处的凹槽22的直径根据主电极5的尺寸来设计，触发电极盘2的中心孔与电晕放电针51相对，以此缩短电晕放电针51与触发电极盘2之间的距离，根据实际需求设计触发电极盘2的中心孔直径尺寸，从而确保触发间隙击穿时过压间隙仍能接收到来自触发间隙的紫外光照射，进一步减小整个开关击穿时延抖动的目的，进而提高气体开关的工作性能和工作效率。
42.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，均应落入本实用新型的保护范围内。

技术特征：
1.一种低抖动三电极场畸变气体开关，包括绝缘壳体(4)以及同轴设置在绝缘壳体(4)内的触发电极和两个主电极(5)；所述绝缘壳体(4)内部为密闭腔体；所述触发电极为圆盘形触发电极盘(2)；两个主电极(5)对称安装在绝缘壳体(4)内，分别位于触发电极盘(2)两端且与触发电极盘(2)的距离相等；其特征在于：所述触发电极盘(2)两个端面的中心处分别开设有凹槽(22)，两个凹槽(22)通过触发电极盘(2)中心开设的通孔(21)连通；所述两个主电极(5)上分别设置有正对通孔(21)中心的电晕放电针(51)，电晕放电针(51)的端部与主电极(5)靠近触发电极盘(2)一端的端部齐平。2.根据权利要求1所述的一种低抖动三电极场畸变气体开关，其特征在于：所述主电极(5)为阶梯圆柱结构，所述阶梯圆柱结构的小端与绝缘壳体(4)相连，阶梯圆柱结构的大端端面中心开设有沉槽，所述电晕放电针(51)安装于沉槽底部中心处。3.根据权利要求2所述的一种低抖动三电极场畸变气体开关，其特征在于：所述阶梯圆柱结构的小端通过沉头螺钉(3)与绝缘壳体(4)相连，沉头螺钉(3)与绝缘壳体(4)外壁之间通过压接垫片(7)密封。4.根据权利要求3所述的一种低抖动三电极场畸变气体开关，其特征在于：所述通孔(21)直径大于或等于沉槽直径的二分之一，小于或等于沉槽的直径。5.根据权利要求4所述的一种低抖动三电极场畸变气体开关，其特征在于：所述电晕放电针(51)的直径为1-2mm。6.根据权利要求5所述的一种低抖动三电极场畸变气体开关，其特征在于：所述绝缘壳体(4)为圆柱形结构，其包括前壳体(41)和后壳体(42)，前壳体(41)和后壳体(42)内侧均开设有环形槽，环形槽的底部设有波浪状凸起，前壳体(41)和后壳体(42)扣合连接，内部形成密闭腔体；所述前壳体(41)和后壳体(42)外侧分别设置有一个气嘴(1)，气嘴(1)分别通过金属组合垫与前壳体(41)和后壳体(42)密封连接。7.根据权利要求6所述的一种低抖动三电极场畸变气体开关，其特征在于：还包括触发螺杆(9)，其一端设置有触发螺杆帽(8)，另一端穿过前壳体(41)和后壳体(42)的扣合处与触发电极盘(2)连接。8.根据权利要求7所述的一种低抖动三电极场畸变气体开关，其特征在于：所述触发电极盘(2)的边沿通过前壳体(41)和后壳体(42)压紧，且压紧处设置有橡胶圈(23)。9.根据权利要求8所述的一种低抖动三电极场畸变气体开关，其特征在于：所述电晕放电针(51)采用螺纹连接的方式安装于沉槽底部中心处；所述前壳体(41)和后壳体(42)之间通过尼龙螺栓(6)固定。10.根据权利要求1至9任一所述的一种低抖动三电极场畸变气体开关，其特征在于：所述电晕放电针(51)为钨针。

技术总结
本实用新型提供一种低抖动三电极场畸变气体开关，目的是解决现有三电极场畸变气体开关无法同时满足降低整个间隙的击穿时延与抖动，以及快速安装的技术问题。该气体开关包括绝缘壳体以及同轴设置在绝缘壳体内的触发电极和两个主电极；所述绝缘壳体内部为密闭腔体；所述触发电极为圆盘形触发电极盘；两个主电极对称安装在绝缘壳体内，分别位于触发电极盘两端且与触发电极盘的距离相等；所述触发电极盘两个端面的中心处分别开设有凹槽，两个凹槽通过触发电极盘中心开设的通孔连通；所述两个主电极上分别设置有正对通孔中心的电晕放电针，电晕放电针的端部与主电极靠近触发电极盘一端的端部齐平。盘一端的端部齐平。盘一端的端部齐平。


技术研发人员：石凌 贾伟 谢霖燊 陈志强 郭帆 王艺 程乐 王海洋 吴刚 吴伟
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/9/3