本公開屬于脈沖功率技術(shù)、氣體激光器、極紫外光刻電源等領(lǐng)域，特別涉及一種脈沖功率用磁延遲火花開關(guān)。

背景技術(shù)：

高壓脈沖放電開關(guān)是脈沖功率技術(shù)的關(guān)鍵器件之一，在高功率微波、氣體激光器、極紫外光刻、粒子加速器等方面具有日益重要的作用。國(guó)內(nèi)外針對(duì)高壓脈沖放電開關(guān)開展了持久的研究，常見形式有高氣壓開關(guān)、磁開關(guān)、固態(tài)開關(guān)、偽火花開關(guān)等。但單一器件均存在固有缺陷難以克服。相比單一開關(guān)器件所遭遇的局限性，將磁開關(guān)與其他開關(guān)配合使用的磁延遲開關(guān)技術(shù)在重復(fù)頻率脈沖功率系統(tǒng)中表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

磁延遲偽火花開關(guān)由磁開關(guān)與偽火花開關(guān)串聯(lián)構(gòu)成。磁開關(guān)本質(zhì)上是一個(gè)可飽和電感，重頻性能優(yōu)異，可工作在數(shù)十千赫茲的高重復(fù)頻率下，與氣體開關(guān)相比沒有絕緣恢復(fù)和電極燒蝕問題，與半導(dǎo)體開關(guān)相比耐壓和通流容量大。然而，高電壓應(yīng)用對(duì)磁開關(guān)伏秒積要求較高，脈沖前沿變緩或磁芯體積上升的問題較為突出。偽火花開關(guān)是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ拿}沖功率開關(guān)，與其他氣體開關(guān)如高氣壓火花間隙開關(guān)、真空觸發(fā)開關(guān)和氫閘流管等相比，具有尺寸小，放電電流上升陡度大，時(shí)延抖動(dòng)小，通流能力強(qiáng)，電極燒蝕小，壽命長(zhǎng)，可通過100％反向電流，介質(zhì)恢復(fù)速度快，重復(fù)頻率甚至可達(dá)100khz等優(yōu)點(diǎn)。在具體應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，高重復(fù)頻率偽火花開關(guān)仍存在諸多問題亟待解決，如導(dǎo)通損耗大，導(dǎo)致開關(guān)發(fā)熱、重復(fù)頻率工作時(shí)間、壽命和穩(wěn)定性受限；陽(yáng)極燒蝕較為嚴(yán)重，影響整個(gè)壽命過程中放電穩(wěn)定性；絕緣恢復(fù)速度有待進(jìn)一步提高等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，本公開揭示了一種脈沖功率用磁延遲偽火花開關(guān)，所述偽火花開關(guān)包括磁開關(guān)(1)和偽火花開關(guān)(2)；

所述磁開關(guān)(1)用于延遲電流的上升時(shí)間；

所述偽火花開關(guān)(2)用于承擔(dān)脈沖放電的高電壓；

所述磁開關(guān)(1)包括高壓絕緣導(dǎo)線(3)和環(huán)形磁芯(4)；

所述高壓絕緣導(dǎo)線(3)繞制在環(huán)形磁芯(4)上；

所述偽火花開關(guān)(2)包括陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)、空心陽(yáng)極(7)、空心陰極(8)、絕緣外殼(9)和觸發(fā)單元(11)；

所述陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)和絕緣外殼(9)構(gòu)成密閉腔體；

所述絕緣外殼內(nèi)部包括空心陽(yáng)極(7)、空心陰極(8)以及觸發(fā)單元(11)。

本公開具有以下技術(shù)效果：

1、本公開提供一種運(yùn)用磁延遲開關(guān)技術(shù)的新型高壓脈沖放電開關(guān)，此開關(guān)具備極大的電流上升率、極低的導(dǎo)通損耗、電極燒蝕率低且壽命極長(zhǎng)。

2、本公開所述的空心陰極和空心陽(yáng)極的相對(duì)端面均開有若干圓孔，孔直徑為3～5mm，兩電極放電發(fā)生面的距離為3～5mm；觸發(fā)極通過絕緣套管穿過陰極蓋板，并布置在空心陰極腔體內(nèi)部；放電由觸發(fā)極引發(fā)，沿陰極孔和陽(yáng)極孔軸線發(fā)展，放電等離子體擴(kuò)展到孔周圍區(qū)域，放電形式為偽火花放電。

3、本公開所述磁開關(guān)的伏秒積參數(shù)須達(dá)到一定的要求，足以使得偽火花開關(guān)導(dǎo)通過程中，電壓跌落到很低值后，電流才開始大量流通。

附圖說明

圖1是本公開中一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本本公開中一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本公開中一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，磁開關(guān)(1)和偽火花開關(guān)(2)、高壓絕緣導(dǎo)線(3)、環(huán)形磁芯(4)、陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)、空心陽(yáng)極(7)、空心陰極(8)、絕緣外殼(9)、絕緣介質(zhì)薄片(10)、觸發(fā)單元(11)、觸發(fā)電極(12)、絕緣套管(13)、絕緣套管(14)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

在一個(gè)實(shí)施例中，本公開揭示了一種脈沖功率用磁延遲偽火花開關(guān)，包括磁開關(guān)(1)和偽火花開關(guān)(2)；

所述磁開關(guān)(1)用于延遲電流的上升時(shí)間；

所述偽火花開關(guān)(2)用于承擔(dān)脈沖放電的高電壓；

所述磁開關(guān)(1)包括高壓絕緣導(dǎo)線(3)和環(huán)形磁芯(4)；

所述高壓絕緣導(dǎo)線(3)繞制在環(huán)形磁芯(4)上；

所述偽火花開關(guān)(2)包括陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)、空心陽(yáng)極(7)、空心陰極(8)、絕緣外殼(9)和觸發(fā)單元(11)；

所述陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)和絕緣外殼(9)構(gòu)成密閉腔體；

所述絕緣外殼內(nèi)部包括空心陽(yáng)極(7)、空心陰極(8)以及觸發(fā)單元(11)。

本實(shí)施例的工作原理是：在觸發(fā)極施加觸發(fā)脈沖后，偽火花開關(guān)兩端電壓迅速跌落，但電流被磁開關(guān)截止，幾乎可以忽略。在磁開關(guān)由未飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，偽火花開關(guān)內(nèi)部的等離子體得以充分發(fā)展和倍增。磁開關(guān)一經(jīng)飽和，回路中大電流迅速流通，而此時(shí)偽火花開關(guān)上壓降己跌落到很低值。因此，磁延遲的效果大大降低了偽火花開關(guān)的導(dǎo)通損耗和電子能量，減小了陽(yáng)極燒蝕，同時(shí)加快了電流上升的速度。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述磁開關(guān)(1)與偽火花開關(guān)(2)的空心陽(yáng)極(8)相串聯(lián)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述繞制在環(huán)形磁芯(4)上的高壓絕緣導(dǎo)線(3)的匝數(shù)從一匝到若干匝不等且均勻分布；

所述環(huán)形磁芯(4)的材料選用鐵氧體和納米晶；

制成所述高壓絕緣導(dǎo)線芯線的材料為銅，絕緣外皮的材料為硅膠。

在本實(shí)施例中，所述高壓絕緣導(dǎo)線在磁芯上構(gòu)成線圈，導(dǎo)通電流并使得內(nèi)部金屬芯線與磁芯絕緣，高壓絕緣導(dǎo)線具體匝數(shù)根據(jù)實(shí)際使用中所需磁芯的伏秒積參數(shù)選定，其目的是為了達(dá)到合適的耐受電壓幅值和脈沖寬度的能力，以及合適的延遲電流上升時(shí)間。

本實(shí)施例環(huán)形磁芯(4)的材料選用鐵氧體和納米晶的原因是：這兩種磁芯的磁滯回線更接近矩形且高頻性能良好，相比于硅鋼片等材料，制作相同伏秒積參數(shù)的磁開關(guān)所需的磁芯體積更小，適合在重復(fù)頻率脈沖功率領(lǐng)域應(yīng)用。

在一個(gè)實(shí)施例中，所說的陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)和絕緣外殼(9)構(gòu)成的密閉腔體內(nèi)部壓力為1～100pa。

在本實(shí)施例中，偽火花開關(guān)的工作氣壓范圍在1-100pa，工作于巴申曲線左半支。

在一個(gè)實(shí)施例中，空心陽(yáng)極(7)和空心陰極(8)的端面開有直徑3～5mm的圓孔，且平行相對(duì)，間距為3～5mm。

在本實(shí)施例這樣的尺寸結(jié)構(gòu)下，所述偽火花開關(guān)具有較高的耐壓能力且便于空心陰極放電的發(fā)生。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述觸發(fā)單元(11)布置在空心陰極(8)內(nèi)部，且正對(duì)陰極上的圓孔。

在本實(shí)施例中，所述觸發(fā)單元(11)布置在空心陰極(8)內(nèi)部，且正對(duì)陰極上的圓孔是為了實(shí)現(xiàn)較好的觸發(fā)效果，不正對(duì)的時(shí)候也可以觸發(fā)，但觸發(fā)效果會(huì)發(fā)生劣化。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述偽火花開關(guān)還包括有自制高壓脈沖發(fā)生器和絕緣套管(13)；

所述自制高壓脈沖發(fā)生器與觸發(fā)單元配合產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)；

所述觸發(fā)信號(hào)通過絕緣套管(13)引入，并與陰極蓋板(6)相絕緣。

在本實(shí)施例中，所述觸發(fā)信號(hào)由自制高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，其原理是市電經(jīng)全橋整流成直流并給電容充電，電容通過igbt或mosfet等固態(tài)開關(guān)給脈沖變壓器原邊放電，脈沖變壓器副邊輸出高壓脈沖信號(hào)，通過絕緣套管(13)引入，并與陰極蓋板(6)相絕緣。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述觸發(fā)單元(11)包括絕緣介質(zhì)薄片(10)和觸發(fā)電極(12)；

所述絕緣介質(zhì)薄片(10)夾于兩個(gè)觸發(fā)電極(12)之間，并與兩個(gè)觸發(fā)電極(12)相接觸。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述觸發(fā)單元(10)包括一根金屬細(xì)針，細(xì)針的直徑小于1mm。

在一個(gè)實(shí)施例中，參見圖1，本實(shí)施例包括磁開關(guān)(1)和偽火花開關(guān)(2)。磁開關(guān)(1)由導(dǎo)線(3)繞制在環(huán)形磁芯(4)上構(gòu)成。偽火花開關(guān)(2)的結(jié)構(gòu)包括陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)、絕緣外殼(9)，位于絕緣外殼內(nèi)部的空心陽(yáng)極(7)和空心陰極(8)，以及觸發(fā)單元(11)。磁開關(guān)(1)串聯(lián)在偽火花開關(guān)(2)的陽(yáng)極，繞線的匝數(shù)從以到若干不等且均勻分布，磁芯(4)的典型材料選用鐵氧體和納米晶。陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)和絕緣外殼(9)構(gòu)成的密閉腔體內(nèi)部壓力為1～100pa?？招年?yáng)極(7)和空心陰極(8)的端面開有直徑3～5mm的圓孔，且平行相對(duì)，間距為3～5mm。觸發(fā)單元(11)布置在空心陰極(8)內(nèi)部，且正對(duì)陰極圓孔；觸發(fā)信號(hào)通過絕緣套管(13)引入，并與陰極蓋板(6)絕緣的。觸發(fā)單元(11)由絕緣介質(zhì)薄片(10)和觸發(fā)電極(12)組成。絕緣介質(zhì)薄片(10)夾于兩個(gè)觸發(fā)電極(12)之間，并與二者緊密接觸。

本實(shí)施例所述的磁延遲偽火花開關(guān)不同于一般的脈沖放電開關(guān)，磁開關(guān)(1)和偽火花開關(guān)(2)這兩個(gè)主要部分的參數(shù)需相互配合。磁開關(guān)的伏秒積參數(shù)須達(dá)到一定的要求，足以使得偽火花開關(guān)導(dǎo)通過程中，電壓跌落到很低值后，電流才開始大量流通。另外，觸發(fā)單元(11)在工作時(shí)產(chǎn)生的放電形式為沿面放電，偽火花開關(guān)(2)在工作時(shí)產(chǎn)生的放電形式為空心陰極放電。

在一個(gè)實(shí)施例中，參見圖2，本實(shí)施例包括磁開關(guān)(1)和偽火花開關(guān)(2)。磁開關(guān)(1)由導(dǎo)線(3)繞制在環(huán)形磁芯(4)上構(gòu)成。偽火花開關(guān)(2)的結(jié)構(gòu)包括陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)、絕緣外殼(9)，位于絕緣外殼內(nèi)部的空心陽(yáng)極(7)和空心陰極(8)，以及觸發(fā)單元(10)。磁開關(guān)(1)串聯(lián)在偽火花開關(guān)(2)的陽(yáng)極，繞線的匝數(shù)從以到若干不等且均勻分布，磁芯(4)的典型材料選用鐵氧體和納米晶。陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)和絕緣外殼(9)構(gòu)成的密閉腔體內(nèi)部壓力為1～100pa。空心陽(yáng)極(7)和空心陰極(8)的端面開有直徑3～5mm的圓孔，且平行相對(duì)，間距為3～smm。觸發(fā)單元(10)布置在空心陰極(8)內(nèi)部，且正對(duì)陰極圓孔；觸發(fā)信號(hào)通過絕緣套管(11)引入，并與陰極蓋板(6)絕緣的。觸發(fā)單元(10)由一根金屬細(xì)針構(gòu)成，細(xì)針的直徑小于1mm。

本實(shí)施例所述的磁延遲偽火花開關(guān)不同于一般的脈沖放電開關(guān)，磁開關(guān)(1)和偽火花開關(guān)(2)這兩個(gè)主要部分的參數(shù)需相互配合。磁開關(guān)的伏秒積參數(shù)須達(dá)到一定的要求，足以使得偽火花開關(guān)導(dǎo)通過程中，電壓跌落到很低值后，電流才開始大量流通。另外，觸發(fā)單元(11)在工作時(shí)產(chǎn)生的放電形式為場(chǎng)致電子發(fā)射，偽火花開關(guān)(2)在工作時(shí)產(chǎn)生的放電形式為空心陰極放電。

在一個(gè)實(shí)施例中，參見圖3，本實(shí)施例包括磁開關(guān)(1)和偽火花開關(guān)(2)。磁開關(guān)(1)由導(dǎo)線(3)繞制在環(huán)形磁芯(4)上構(gòu)成。偽火花開關(guān)(2)的結(jié)構(gòu)包括陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)、中間電極(9)、絕緣外殼(10)，位于絕緣外殼內(nèi)部的空心陽(yáng)極(7)和空心陰極(8)，以及觸發(fā)單元(12)。磁開關(guān)(1)串聯(lián)在偽火花開關(guān)(2)的陽(yáng)極，繞線的匝數(shù)從以到若干不等且均勻分布，磁芯(4)的典型材料選用鐵氧體和納米晶。陽(yáng)極蓋板(5)、陰極蓋板(6)和絕緣外殼(10)構(gòu)成的密閉腔體內(nèi)部壓力為1～100pa?？招年?yáng)極(7)和空心陰極(8)的端面開有直徑3～5mm的圓孔，且平行相對(duì)，間距為3～5mm。觸發(fā)單元(12)布置在空心陰極(8)內(nèi)部，且正對(duì)陰極圓孔；觸發(fā)信號(hào)通過絕緣套管(14)引入，并與陰極蓋板(6)絕緣的。觸發(fā)單元(11)由絕緣介質(zhì)薄片(11)和觸發(fā)電極(13)組成。絕緣介質(zhì)薄片(11)夾于兩個(gè)觸發(fā)電極(13)之間，并與二者緊密接觸。

本實(shí)施例所述的磁延遲偽火花開關(guān)不同于一般的脈沖放電開關(guān)，磁開關(guān)(1)和偽火花開關(guān)(2)這兩個(gè)主要部分的參數(shù)需相互配合。磁開關(guān)的伏秒積參數(shù)須達(dá)到一定的要求，足以使得偽火花開關(guān)導(dǎo)通過程中，電壓跌落到很低值后，電流才開始大量流通。另外，觸發(fā)單元(11)在工作時(shí)產(chǎn)生的放電形式為沿面放電，偽火花開關(guān)(2)在工作時(shí)產(chǎn)生的放電形式為空心陰極放電。中間電極(9)位于空心陽(yáng)極(7)和空心陰極(8)之間，到兩個(gè)電極間的距離相等，在3～5mm之間。中間電極(9)中心開有圓孔，直徑與空心陽(yáng)極(7)和空心陰極(8)所開圓孔直徑相同，且三個(gè)小孔同軸線。中間電極(9)既可以懸浮電位運(yùn)行，也可以通過電容電阻與陰極和陽(yáng)極分壓使用。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解；其依然可以對(duì)上述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替代；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)所述的精神范圍。