基于气体放电管的电弧激活器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的内容属于电子技术领域，能够产生性能稳定的激弧高电压，激活电 极间的电弧通道。
【背景技术】
[0002] 金属成份的分析方法之一是光谱分析法，与光谱分析仪配套的激谱电弧电源中， 主要由产生高压的激活器和低压放电回路两部分组成。电弧激活器的作用是利用脉冲式高 压击穿分析间隙，使之成为导电通道，以便低压放电回路形成高密度脉冲电流，激发金属原 子辐射特定光谱。激活器所输出的高压一般在1-2万伏特之间，呈现脉冲式。
[0003] 为了使得激活器能够输出高电压，需要用到变压器升压;另一方面，为了让低压放 电回路形成高密度电流，升压变压器的电感量以小为好。因此，激活器中的升压变压器采用 电感量较小的脉冲变压器，将高压储能电容瞬间放电获取高电压。现有设备的实现方法是 相隔一定距离的钨质圆盘构成一个辅助间隙，与高压储能电容、脉冲升压变压器原边三者 构成一个回路，前级电路输出数千伏高电压，先通过RC积分方式给高压电容定时升高电压， 等电容电压达到钨质圆盘所构成的辅助间隙击穿电压时，该间隙被击穿，高压电容通过脉 冲升压变压器原边快速放电，从而在脉冲升压变压器副边输出更高的电压。
[0004] 该钨质圆盘构成的辅助间隙就成了激活器的一个关键部件，经常需要手工调节间 隙宽度，使用中存在许多问题。在空气隙中高压放电很容易氧化电极，因此采用抗氧化能力 强、熔点高的金属钨制做电极，材料成本较高，是问题之一;辅助间隙的宽度直接影响放电 电压的高低，依靠手动调节很难保证工作的稳定性，造成有些状态放电电压高，有些状态放 电压低，是问题之二;辅助间隙暴露在空气中，放电电压值还会受空气湿度影响，同样的间 隙宽度，空气湿度高对应的放电电压低，反之空气湿度低对应的放电电压就高，这也会使得 设备工作不稳定，是问题之三。不稳定性会体现为激活能量不稳定和脉冲频率不稳定，从而 影响到电弧所激发的光谱不稳定，降低测量精度。在实际使用中，还因为电极氧化问题经常 要对钨电极进行保养，给使用者增添了一些麻烦。
[0005] 激活器相当于一个高耐压大电流的开关部件。由于激活器既要承受大电流，又要 承受高电压，因而均不采用半导体开关器件承担，目前只能采用电极放电的形式实现。
[0006] 激活器脉冲频率的控制有三个途径:一是改变辅助间隙宽度而调整其击穿电压， 需要用到绝缘连接杆做机械式调整;二是改变改变RC积分电路中的电阻值，用大功率可变 电阻或者分档开关实现，也需做机械式调整;三是改变输入电压值，当前激谱电弧电源的激 活器输入电压值由变压器提供，用分档开关改变变压器的变压比可以改变激活器的输入电 压，还是需要做机械式调整。这些机械调整方式都不能实现自动化控制，更不适合程序控 制。
[0007] 本发明就是用PWM高压脉冲为RC积分电路供电，用稳定性较好的气体放电管替代 钨质圆盘构成的辅助间隙，以便获得稳定的工作状态，消除以上若于不利影响。
【发明内容】
[0008] 本发明的有益之处是提高激谱电弧电源激发能量的稳定性，免除对器件的保养工 作，从技术层面上看，具有以下特征：
[0009] 基于气体放电管的电弧激活器由限流电阻、高压储能电容心、气体放电管G1、脉冲 升压变压器T1构成，如附图1所示;激活器前端的高压直流电通过限流电阻向高压储能电容 充电，电容放电触发元件采用高压气体放电管;脉冲升压变压器的原、副边绕组相互独立， 绕组匝数比设置为8:40;激活器的输入电压采用稳幅PWM高压脉冲，PWM脉冲的频率固定在 60-80kHz之间，PffM脉冲的幅度控制在气体放电管额定击穿电压的1.5-2.0倍之间，PffM脉冲 的占空比在10 % -45 %之间可以调节，通过调节PffM脉冲的占空比改变激活频率。
[0010] 本发明与当今同类设备的区别之一是采用高压气体放电管替代钨质圆盘构成的 辅助间隙，实现高稳定性的触发放电。高压气体放电管是内充惰性气体陶瓷壳体密封的二 端无源器件，当外加电压增大到超过气体的绝缘强度时，两极间的间隙将放电击穿，由原来 的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的低电 压水平。气体放电管原本是用于泄放雷电引起的暂态过电流和限制过电压，它的过电流能 力较强，小体积管子就能够达到20kA，由于采用内充惰性气体的全密封固定结构，消除了空 气间隙的击穿电压受湿度、气压而改变的不利因素，其击穿电压值也比较稳定。电弧激活器 中的气体放电管是主动工作器件，因此它用于雷电保护时所存在的延时问题并不影响电弧 激活器的正常工作。
[0011]本发明与现有同类设备的区别之二是采用P丽高压脉冲向RC积分电路供电。在附 图1所示的电路中，前端PWM高压脉冲通过限流电阻向高压储能电容C1充电，如果气体放电 管61选用V10-H30X型，其额定击穿电压为3000V，则高压储能电容&上电压达到3000V时，气 体放电管内部因击穿而导通，电容电压施加于高压脉冲变压器Ti原边，产生冲击电流。气体 放电管的击穿电压是固定不变的，改变PWM高压脉冲的占空比，可以改变电容&电压升高速 度，从而激活器的脉冲频率。PWM高压脉冲可以很方便地通过压控方式实现，容易与程序控 制方式相配套。由于采用了放电电压固定不变的气体放电管作为放电触发元件，也只能采 用PWM高压脉冲调节激活器的脉冲频率。
[0012] 所设计的实际样品中高压脉冲变压器1^的原边线圈电感量约为2.9μΗ，放电过程 中原边电感与5000pF高压储能电容购成谐振电路，谐振周期为：
[0013]
[0014]按照能量守恒时电容储能向电感转移规律计算，电感中的最大电流约为：
[0015]
[0016] 实际振荡过程中能量在不断损失，振荡电流会逐步减小，气体放电管Gi中的最大 放电电流必定小于72A，完全在气体放电管的工作指标之内。
[0017] 为了让气体放电管的完成放电后恢复绝缘状态，前端电路向电弧激活器的充电电 流必须远小于气体放电管内部电弧区续流值。附图1中限流电阻RhR^R 3的阻值设置应当满 足这一要求，之所以采用三个电阻串联形式，是为了提高电阻的耐压能力，同时也可以增加 其耗散功率。实际电路中限流电阻值取为15_20k Ω，充电电流值被控制在〇. 2-0.4A之间，小 于V10-H30X型气体放电管内部的IA电弧区续流值。实际工作时，气体放电管中的电流呈现 衰减振荡形式，如附图2所示，一次脉冲只能持续4ys时间。
【附图说明】
[0018] 附图1是电弧激活器电路原理图。
[0019] 图中D1是高压脉冲整流堆，G1气体放电管，C1是高压储能电容，1^是高压脉冲变压 器，Ri、R 2、R3是限流电阻。
[0020] 附图2是实测所得的气体放电管放电电流波形图。
【具体实施方式】
[0021] 根据电弧激活器的工作要求，本发明中气体放电管的额定击穿电压选用2500V-3000V规格，气体放电管的外形选用17.4mmX Φ 11.8mm的圆柱形陶瓷封装结构，两端用3_ 螺栓连接以方便安装，例如采用V10-H30X型。
[0022] 高压储能电容对工作稳定性影响较大，应该能够承受较大的工作电流，宜采用 CYS-2高压云母电容，电容取为5100pF，耐压要求在4kV以上。或者采用其它高压谐振电容， 但因载流能力的要求不宜采用能量吸收电容。
[0023] 为了满足高耐压要求，限流电阻最好采用3至4个2W以上的金属膜电阻串联而成， 限流电阻的总耗散功率应大于10W。
[0024] 激活器的PffM输入电压需要通过高压升压变压器实现，最好采用压控PffM方式提供 脉冲电压，用高压整流堆控制电压极性，高压整流堆的耐压应该在HkV以上，其载流能力要 在0.5A以上。
[0025] 电弧激活器工作过程中存在很强的电磁干扰，装配工艺上要求电弧激活器元件相 对集中于某一个空间，其周围要设置有效的屏蔽隔离措施，并要求各元件之间有足够的间 距，不至于在元件之间产生高压击穿现象。
【主权项】
1. 一种基于气体放电管的电弧激活器，其特征是：由限流电阻、高压储能电容&、气体放 电管&、脉冲升压变压器?\构成;激活器前端的高压直流电通过限流电阻向高压储能电容充 电，电容放电触发元件采用高压气体放电管;脉冲升压变压器的原、副边绕组相互独立，绕 组匝数比设置为8:40。2. 根据权利要求1所述的基于气体放电管的电弧激活器，输入电压采用稳幅PWM高压脉 冲，PWM脉冲的频率固定在60-80kHz之间，PWM脉冲的幅度控制在气体放电管额定击穿电压 的1.5-2.0倍之间，PWM脉冲的占空比在10 % -45 %之间可以调节，通过调节PWM脉冲的占空 比改变激活频率。
【专利摘要】本发明公开了一种基于气体放电管的电弧激活器。电弧激活器由限流电阻、高压储能电容C1、气体放电管G1、脉冲升压变压器T1构成；激活器的输入电压采用稳幅PWM高压脉冲，通过限流电阻向高压储能电容充电，PWM脉冲的幅度要明显高于气体放电管的额定击穿电压，电容放电触发元件采用高压气体放电管，脉冲升压变压器的原、副边绕组相互独立。本发明的突出优点在于：能够有效提高激谱电弧电源激发能量的稳定性，容易实现程序控制。
【IPC分类】H01J7/30, H01J7/00
【公开号】CN105679625
【申请号】CN201610116503
【发明人】陈庭勋, 胡佳文
【申请人】浙江海洋学院
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年2月26日