预电离触发杆及采用该触发杆的气体开关的制作方法

本发明涉及一种预电离触发杆及采用该触发杆的气体开关。

背景技术

气体开关在脉冲功率技术领域中具有广泛应用，开关特性对脉冲功率驱动源的输出参数和工作状态有着决定性的影响。触发时延短、抖动小的气体开关是多种脉冲功率应用场合追求的目标。预电离触发是一种减小开关触发时延和抖动的有效方法，其影响机制是：预电离形成等离子体可直接为间隙击穿的发展提供初始电子，预电离放电产生紫外光可引起空间光电离以及阴极的光电效应，这些均有利于气体间隙的触发击穿，提高开关的触发性能。

产生预电离的方式有多种，而火花放电电离强度高，产生的高能紫外光子多，对开关抖动降低效果明显，在高功率闭合开关上应用较多。

典型的火花放电预电离一般采用的针式结构：

1、美国l-3公司的40164型直流气体开关、西北核技术研究所所用的气体开关等,详见引证文献【1-3】。该类型开关将预电离触发针套上绝缘层后整体嵌入触发电极中，触发电极中心开孔，触发针与孔壁构成预电离间隙。通过采用该预电离触发结构，开关抖动可达到小于1ns的良好效果。而为了保证触发脉冲使预电离间隙有效击穿，需要在开关外部引入两路触发端子，一路连接预电离针，一路连接触发电极，端子间跨接高阻值的隔离电阻。实际应用中隔离电阻需要由多个电阻串联以满足隔离电阻耐压的要求。另外由于两个输出端子结构相同，触发连接容易混淆出错。因此虽然该触发方式能够有效降低触发抖动，但是外部结构稍显复杂，不适合大批量开关应用的场合。

2、一种预电离触发管式开关结构,详见引证文献【4】。预电离触发管嵌入地电极，触发管头部为盘形，在触发盘和地电极之间加入一个中间环形电极，触发盘、环形电极和地电极之间接分压电阻。触发脉冲到来之后，触发盘与环形电极放电产生预电离，随后主间隙击穿。该方法避免了触发针的烧蚀，但开关击穿模式不稳定，预电离间隙击穿的时刻受电阻阻值和环形电极位置等因素影响较大。

3、一种自耦式的预电离气体开关结构,详见引证文献【5-6】，虽然在一定程度上简化了触发结构，但是仅限用于高压脉冲气体开关中。

因此，目前预电离开关结构因结构不够紧凑，放电不够稳定等问题限制了该结构的应用。

【1】naffjt.sparkgapsforempandsremppulsers[c]//procofieeepulsedpowerconference.2009:322-331.

【2】陈维青.紫外预电离触发电路的pspice模拟计算[c].首届强流脉冲加速器技术研讨会,2005.

【3】曾江涛.3mv低电感低抖动marx发生器的研制[d].西安：西北核技术研究所，2006.

【4】陈维青，曾正中，来定国，等.触发管型气体开关触发电极结构研究[j].强激光与粒子束，2005,17(8)：1213-1215.

【5】李俊娜，薛斌杰，贾伟，等.3mv自耦式紫外预电离开关的设计[j].强激光与粒子束，2009，21(8):1255-1258.

【6】陈瀚，杨汉武，张自成等.横向电容自耦式紫外预电离开关[j].强激光与粒子束，2013，25(08):2035-2039。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种用于气体开关的预电离触发杆，其采用将预电离触发针和高压隔离电阻一体化设计，并且直接与触发电极配合，达到简化触发、结构紧凑的目的。

同时，还提出了一种触发结构简单的气体开关。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种预电离触发杆，包括陶瓷绝缘管、触发针、高压电阻以及金属套环；

触发针包括前端电极、中部针杆以及后端针尖；触发针的中部针杆插装入陶瓷绝缘管的内，后端针尖外露出陶瓷绝缘管一端，且陶瓷绝缘管的另一端嵌入触发针的前端电极内；

陶瓷绝缘管的外表面上套装金属套环，陶瓷绝缘管的外表面还设置高压电阻，高压电阻一端与所述前端电极连接，另外一端与金属套环连接。

进一步地，上述高压电阻为高压玻璃釉电阻，其通过电阻浆料涂覆或者印刷于陶瓷绝缘管外表面，并高温烧结而成。

进一步地，为了增加电阻的等效电感，提高隔离效果，所述高压电阻为螺旋形。

进一步地，为了便于安装和拆卸触发杆，上述金属套环外表面刻设有螺纹。

本发明同时还提出了一种采用上述预电离触发杆的气体开关，其包括预电离触发杆以及电极结构，电极结构包括上高压电极、下高压电极、中间触发电极以及绝缘筒；中间触发电极设置在上高压电极、下高压电极之间；所述绝缘筒设置在上高压电极、下高压电极之间的边缘位置处，用于密封、绝缘和支撑；

所述绝缘筒的筒壁上开设有一个触发引入孔；

所述中间触发电极上设置有针尖；

所述触发杆一端通过所述前端电极插装在所述触发引入孔内且向外部空间延伸，另一端通过金属套环固定安装所述中部触发电极上且所述后端针尖与所述中间触发电极上的针尖之间构成预放电间隙。

进一步地，上述气体开关中，预放电间隙为1mm。

进一步地，上述气体开关中，前端电极与触发引入孔之间设置密封圈，用于保证整个气体开关的气密性。

进一步地，上述气体开关中，中间触发电极为环形电极，所述针尖设置在环形电极的内壁上。

本发明中气体开关电极触发原理是：

触发脉冲从预电离针的端部电极引入，由于高压隔离电阻的作用，触发针和触发电极之间有电压差，因此在预电离间隙打火放电。

本发明的有益效果是：

1、结构简单，本发明采用的触发杆结构以及和中间触发电极相配合的方式，使得本发明的气体开关只需一路触发端子即可实现预电离间隙和气体开关间隙的触发，触发方式简单有效，不会因触发端子多而发生触发连接混淆的错误。

2、本发明采用的触发杆采用一体化设计，将高压电阻与触发针集成在一起，可靠性高。

3、本发明采用的气体开关高压电阻置于电极结构内部，随着气体压力的增加，高压电阻的沿面放电特性随之增加，体积小，绝缘余量高。

4、本发明触发杆与触发电极连接紧凑，安装方式简单，并且采用了密封圈更加利于电极结构内部的气密性。

5、本发明触发杆的高压电阻为螺旋形，该形状的设置增加了高压电阻的等效电感，提高隔离效果。

附图说明

图1为本发明气体开关一种实施例的结构示意图。

图2为本发明预电离触发杆的结构示意图。

附图标记如下：

1-上高压电极，2-下高压电极，3-绝缘筒，4-触发电极，5-陶瓷绝缘管，6-触发针，61-前端电极、62-中部针杆、63-后端针尖、7-高压玻璃釉电阻，8-金属套环。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明提供的气体开关包括触发杆以及电极结构；电极结构包括上高压电极1、下高压电极2、绝缘筒3和中间触发电极4；中间触发电极设置在上高压电极、下高压电极之间；所述绝缘筒设置在上高压电极、下高压电极之间的边缘位置处，用于密封、绝缘和支撑；

上高压电极1、下高压电极2由不锈钢制成，放电处截面为半圆型。绝缘筒3材料由有机玻璃、尼龙等绝缘材料制作，筒壁上开有一个触发引入孔。

中间触发电极4为环形电极，外直径50mm，内直径为30mm，高度为15mm。材料为不锈钢，放电截面为半圆型。中间触发电极侧面开孔，与孔对应处焊接直径2mm的针尖。中间触发电极4分别与上高压电极、下高压电极之间构成两个5mm的放电点间隙。

预电离触发杆由陶瓷绝缘管5、触发针6、高压电阻7和金属套环8组成，如图2所示。

陶瓷绝缘管5外径7mm，内径2mm。

触发针6包括前端电极61、中部针杆62以及后端针尖63；触发针6的中部针杆直径为2mm，穿入陶瓷绝缘管5，且后端针尖63伸出陶瓷绝缘管5外。

高压电阻7(高压玻璃釉电阻)为螺旋形烧结在陶瓷绝缘管5的外壁，阻值为1m欧姆，长度20mm。高压电阻的一端与触发针的前端电极相连，另一端与金属套环焊接。

金属套环8套在陶瓷绝缘管5上，其外螺纹可以与中间触发电极4相连接固定整个触发杆结构。触发杆结构固定后触发针6与中间触发电极4上的针尖构成预放电间隙，间隙距离1mm。

触发针6前端电极直径10mm，其前端电极套上密封圈后插入绝缘筒3的触发引入孔，实现气体的密封。

本实施例的气体开关工作电压为±30kv，上高压电极1连接正极性电压，下高压电极2连接负极性电压。采用幅值为60kv的高压快脉冲进行触发。工作介质采用干燥压缩空气。

开关触发的工作过程如下：在工作时，开关两端施加±30kv直流高压，此时触发电极处于上高压电极1和下高压电极2对称轴位置，中间触发电极电势为零。将前沿20ns，幅值60kv的高压脉冲施加到触发杆上时，预放电间隙在触发脉冲前沿击穿，产生紫外照射和有效的初始电子。同时，中间触发电极4电位上升至60kv，使中间触发电极4与下高压电极2形成的间隙电场迅速增加，该开关放电点间隙发生击穿。随后中间触发电极4电位翻转，另一半开关放电点间隙由于电场畸变，过电压使其击穿。由于预间隙能产生紫外照射和提供初始电子，同时预电离间隙对触发脉冲由一定的陡化作用，因此开关触发时延的抖动可以达到数纳秒。

本实施例已经对发明内容给出了充分的说明，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。实施例所给出的预电离触发杆和电极结构的配合只是气体开关中的应用一种典型方式，该预电离触发杆及和电极结构的的配合方式应用包含但不限于三电极场畸变气体开关，还可以用于多间隙气体开关以及高压脉冲气体开关等场合。将预电离触发针和高压隔离电阻进行一体化设计并且直接与触发电极配合的预电极结构均为本专利的保护范围。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进属于本发明的权利范围。