利用光电发射的无氪-85的火花隙的制作方法

本文公开的主题涉及用于点火系统或其他合适系统的火花隙。

火花隙是无源的双端子开关，所述双端子开关当端子两端的电压较低时断开，并且然后当端子两端的电压超过设计值(例如，3kv)时闭合。然后，当电流下降到较低水平或当来自电压源的大部分能量被耗散时，火花隙重新断开。在内部，电流在被一个小的‘间隙’(～mm)隔开的两个金属电极之间传输，所述间隙填充有接近大气压力的气体或气体混合物(例如，ar-h2-kr)。气体通常是绝缘的，但是当这两个电极之间的电压超过与击穿电压相对应的设计值时，气体变成导电等离子体‘火花’。

对于各种应用，一个感兴趣的参数可以是当足够的电压被施加到火花隙时与所述火花隙变为导电的时间之间的时间。此时间与引发气体从绝缘体向导体的转变的‘击穿’过程相对应。

有一种理想化但有用的观点认为电击穿为两步过程——第一电子出现的‘统计’时间，接着是电子‘雪崩’到高导电状态的‘形成’时间。自由电子在间隙中的某个时间和位置出现，并被电极之间的电势差产生的电场加速。一旦电子获得足够的能量，其就有可能使气体原子或分子离子化并释放第二自由电子。然后每个电子被加速，并且重复所述过程，从而导致电子雪崩，使气体高度导电。能量获得和倍增过程必须克服各种能量损耗和粒子损耗过程，并且第一自由电子应该在优选的位置(例如，在负电极处或附近)产生以得到最大的效率。

第二(雪崩)过程所需的时间是‘形成时滞’。其通常较短，并且实际上可以忽略不计。因此，第一个过程(初始电子)所需的时间是‘统计时滞’，并且实践中最感兴趣的正是这个‘第一电子问题’。在诸如实验室装置或大型放电灯等一些设备中，只要等待宇宙射线在其与设备内的气体原子、气体分子或表面碰撞时产生自由电子，就可以解决‘第一电子问题’。在大气中，高能宇宙射线总是以给定的速率产生电子-离子对，所述高能宇宙射线可以容易地穿透到设备和结构内的气体体积中。盖革计数器是检测此类事件的设备的示例。

然而，不能依赖普遍存在的宇宙射线过程来在可能是许多包含火花隙的设备的可靠操作需要的所需时间帧内产生有效的自由电子。具体地，对于采用火花隙的设备，时间帧通常太短而不能依赖于基于宇宙射线的过程，因为相互作用体积(电极之间的区域)相对较小。

相反，解决火花隙情境中(以及处理类似问题的其他设备中，如小型放电灯)的第一电子问题的常规方法是添加例如采用放射性氪-85形式的放射性源，氪-85经历β衰变以发射高能(687kev)电子，从而生成种子电子并将统计时滞减少到可接受的值。有时也会使用诸如氚或钍等其他放射性材料。添加放射性组分有时被称为‘放射性激励(radioactiveprompting)’。

然而，即使在痕量级上，放射性材料在部件或产品中通常也是不希望的，因为这些材料增加了制造、处理和运输的成本。

技术实现要素：

在一个实施例中，提供了一种火花隙设备。根据本实施例，所述火花隙包括：第一电极，具有第一表面；以及第二电极，具有偏离并面向所述第一表面的第二表面。所述火花隙进一步包括光源，所述光源被配置成朝向至少所述第一表面发射光，使得当操作所述火花隙时由所述光源发射的光子入射在所述第一表面上，并且引起来自所述第一表面的电子发射。

在另一实施例中，提供了一种点火设备。根据本实施例，所述点火设备包括：一个或多个点火器，被配置成在操作期间点燃燃料流或蒸气；以及一个或多个激发器部件，每个激发器部件连接到对应的点火器。每个激发器部件包括不包含放射性组分的火花隙。

在另一实施例中，提供了一种用于生成导电等离子体的方法。根据本方法，跨包括第一电极和第二电极的火花隙施加电压。经由光电效应在所述第一电极或所述第二电极中的至少一个电极的表面处生成自由电子。在生成所述自由电子之后，跨所述火花隙生成导电等离子体。

附图说明

当参考附图阅读以下具体实施方式时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，贯穿附图，相同的标记表示相同的部分，在附图中：

图1描绘了火花隙操作中相对于时间的电压，以便展示与本方法相关的概念；

图2描绘了根据本公开的各方面的火花隙和光源；

图3描绘了在存在氪-85的情况下的基线击穿电压分布；

图4描绘了在不存在氪-85的情况下的击穿电压分布；

图5描绘了根据本公开的各方面的在不存在氪-85但存在不同波长的光刺激的情况下火花隙样本的击穿电压分布；

图6描绘了462nm蓝色发光二极管的光谱分布；

图7描绘了根据本公开的各方面的在不存在氪-85但存在以各种电流水平(即，光通量水平)操作的462nm蓝色发光二极管的情况下火花隙样本的击穿电压分布；

图8描绘了根据本公开的各方面的在不存在氪-85但存在以各种电流水平(光通量水平)操作的305nmuv发光二极管的情况下火花隙样本的击穿电压分布；

图9描绘了根据本公开的各方面的图7中示出的数据集的威布尔参数；

图10描绘了根据本公开的各方面的温度对发光二极管(led)光输出性能的影响；

图11描绘了根据本公开的各方面的透过各种中性密度滤光器的模拟发光二极管光通量减少；

图12描绘了根据本公开的各方面的光通量(滤光器水平)对火花隙性能(击穿电压分布)的影响；并且

图13描绘了采用包括如本文讨论并且根据本公开的各方面的火花隙的点火部件的发动机，这里是喷气发动机。

具体实施方式

下面将描述一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，本说明书中可能没有描述实际实施方式的所有特征。应当理解的是，在任何这种实际实施方式的开发中，如同在任何工程或设计项目中一样，必须做出许多特定于实施方式的决定来实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束可能因实施方式而异。此外，应当理解，这种开发工作可能复杂且耗时，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，这不过是设计、制备和制造的例行任务。

当介绍本发明各个实施例的元件时，冠词“一(a)”、“一个(an)”、“所述(the)”和“所述(said)”旨在表示存在元件中的一个或多个。术语“包括(comprising)”、“包含(including)”和“具有(having)”旨在是包含性的，并且意味着可能存在除了所列出的元件之外的附加元件。此外，以下讨论中的任何数字示例都旨在是非限制性的，并且因此附加的数值、范围和百分比都在所公开的实施例的范围内。

本方法涉及火花隙，诸如用于内燃机点火系统中的那些火花隙，以及用于诸如电涌保护、功率切换等其他情境中的火花隙。

通过对本文使用的概念和术语的介绍，图1中展示了火花隙的操作的说明性示例。在本示例中，如果电压波形10是斜坡，电压上升速率是6kv/s，并且期望的额定电压是3±0.05kv，则从点12(达到火花隙点火的足够电压的时间)到点14(火花隙闭合的时间)的总时间应该不超过17ms。此时间与引发气体从绝缘体向导体的转变的‘击穿’过程相对应。

如从图1可以理解的，击穿电压22取决于火花隙的固有特性，由电路的其他部分限定的电压斜坡10也是如此。如果电压上升的速率较慢，那么点12与点14之间的时间会减少，因此点12有时被称为‘固有’击穿电压，因为其不取决于电路特性。

如上所述，电击穿的理想化但有用的观点是将其视为两步过程，其中，第一分量与第一电子出现(时间20)的‘统计’时间16相对应，接着是第二分量与电子‘雪崩’到发生在火花隙闭合时的时间22处的高导电状态的‘形成’时间18相对应。在本示例中，足以使火花隙点火的电压30与火花隙闭合时的电压32之间的差异是间隙电压的变化34。

就基本概念而言，自由电子在火花隙周围的气体中的某个时间和位置出现，并被电极之间的电势差产生的电场加速。一旦电子获得足够的能量，其就有可能使气体原子或分子离子化并释放第二自由电子。然后每个电子被加速，并且重复所述过程，从而导致电子雪崩，使气体高度导电。能量获得和倍增过程必须克服各种能量损耗和粒子损耗过程，并且第一电子优选在某些位置(例如，靠近负电极或阴极)产生以得到最大的效率。

如上所述，第一过程所需的时间16(即，初始电子的释放)被称为‘统计时滞’，并且在本方法中解决的正是这个‘第一电子问题’。本方法解决了火花隙中的第一电子问题(即，统计时滞)，而不依赖于提供电离辐射源(例如⁸⁵kr)的传统方法，提供电离辐射源通常是不希望的，并且因此不采用‘放射性激励’。类似地，本方法不仅仅依赖于宇宙射线的影响来生成初始电子，因为这种射线通常不足以在火花隙点火情境(或其他工业或机械情境)中以所需的足够速率生成第一电子。

考虑到前面的介绍，在本方法中，从火花隙中消除了⁸⁵kr，并且取而代之的是采用光电效应来生成种子电子。举例来说，在一种实施方式中，采用了以特定标称波长(或波长范围)以特定发射通量水平进行发射的光源。

在光电过程中，材料对光子的吸收使材料发射电子。光子的能量必须超过材料的逸出功。材料的逸出功通常在2电子伏至6电子伏的范围内。光子的能量ε通过表达式ε＝hc/λ与其波长λ相关，其中，h是普朗克常数，c是光速。在实际单位中，ε＝1240/λ，其中，ε以电子伏为单位，并且λ以纳米为单位。为了使光电子发射有效，光的波长因此应该短于200纳米至600纳米(对应于2电子伏至6电子伏)范围内的某个值，其中，确切值取决于特定材料。

进一步地，如果光源位于火花隙的透光(例如，玻璃)外壳之外，则应该考虑外壳的光谱透射。举例来说，硼硅酸盐玻璃在小于300纳米(对应于4电子伏的能量)的波长下吸收很强。因此，举例来说，如果给定材料的逸出功为3电子伏，并且在玻璃外壳之外放置光源来产生光电子，则只有能量为3电子伏至4电子伏(300纳米至400纳米)的光子才会有效。波长长于400纳米的光子将没有足够的能量引起光电发射，并且波长短于300纳米的光子将被玻璃吸收。因此，如本文所讨论的，有待光电刺激的材料、有待采用的光的波长以及外壳的透射特性都是在设计和配置或火花隙系统中要考虑的因素。

考虑到前面的内容，光源指向火花隙的电极中的一个电极(例如，阴极)，并且入射到电极表面上的发射光子使所述电极经由光电效应发射电子。这些电子随后可用于引发气体放电或击穿事件。根据某些实施方式，来自光源的光子入射到其上并且发射电子的电极是常规电极(例如，常规导电金属衬底和表面)，与具有涂覆表面或其他发射涂层(例如，专用发射涂层)的电极相反，并且与光电极(例如，光电阴极或具有专门用于响应可见光子而发射电子的目的的涂层或组合物的其他环形电极或线圈)相反。

在一种实施方式中，可以使用可以被调节的可调光源，以便针对给定的火花隙配置或应用找到合适的(或最佳的)波长范围和/或光通量范围。在一个实施例中，光源可以是以最小阈值电流工作的发光二极管(led)。考虑到前面的内容，并转向图2，描绘了适合用于点火系统(诸如用于内燃机)、浪涌保护情境、或功率切换中的火花隙100的示例。如本文所讨论的火花隙100指的是在包含气体混合物106的密封环境(例如，玻璃外壳)内分离的一对电极(即，阳极102和阴极104)的组件。

如上所述，在常规实施方式中，气体混合物106可以包括放射性同位素⁸⁵kr。如上所述，放射性⁸⁵kr的功能是生成一定量的种子电子，以便减少击穿电压的变化。图3使用威布尔分布示出了包括在气体混合物106中的⁸⁵kr制成的火花隙(即，常规基线设计)的统计。

图3中图解地描绘的实验结果中，电压以6kv/s的速率从零线性倾斜，并且火花隙被建立成在3kv的标称值下击穿。所述数据取自7个不同的火花隙样本，每个样本点火100次，测量击穿电压。由这些曲线示出的威布尔参数是击穿电压的特征，并且展示了样本间击穿电压的变化以及针对同一间隙测量火花间变化的模量。如本文使用的这些威布尔参数被用作击穿电压一致性的测量，其是火花隙的有用设计参数。例如，对于发动机点火系统中使用的火花隙，如果击穿电压的变化太大(在激发器电子设备的设计窗口之外)，则点火系统可能不着火或被损坏。

如果从火花隙周围的气体混合物106中去除⁸⁵kr，击穿电压的变化对于许多常见应用(例如，点火系统)来说变得太大。这在图4中示出，其中，火花隙在与前面的实验相似的条件下操作，但是气体混合物106中不包括⁸⁵kr。与图3中展示的基线相比，击穿电压的扩展差异(即，变化)是可观察到的。具体地，图4中(没有⁸⁵kr)每条曲线的斜率差异低于图3中的(有⁸⁵kr)。这展示了⁸⁵kr对火花隙性能的有益影响。注意，在图4中(在不存在⁸⁵kr的情况下)，因为在制造过程中没有调整图4中所示的火花隙中的气体压力以便使击穿电压更接近规范，所以出现了数据的横向从左到右扩展。因此，图3和图4中用于观察所描述的效果的相关比较是斜率的比较。考虑到前面的内容，简单地从火花隙气体混合物106中省略⁸⁵kr而不提供替代种子电子生成机制不是用于大多数应用的选项。

考虑到这一点，本方法从周围气体混合物106中省略了⁸⁵kr，并且采用光源120来生成种子电子。具体地，本方法依赖于光电效应来生成种子电子。基于此效应，当来自光源120的具有足够能量的光子122撞击电极中的一个电极(例如，阴极104)的表面上时，生成充当种子电子的电子。如果光子122的通量和能量高于最小阈值，则在间隙中生成足够的种子电子以引起一致的击穿电压，从而提供紧密的击穿电压分布(即，具有大约0.05kv宽的带)，所述击穿电压分布与气体混合物106中存在⁸⁵kr的情况下获得的相当，尽管⁸⁵kr不存在。

注意，本方法并不旨在降低击穿电压，这在其他情境下可能是一个问题。相反，本方法旨在提供击穿电压的紧密分布，特别是在不存在⁸⁵kr的情况下，而不是降低击穿电压。考虑到这一点，本方法涉及将合适范围的光子的能量和通量(如下面更详细讨论的)应用于火花隙100

在一种实施方式中，可以采用可调光源120。在这样的示例中，可调光源120可以用于评估波长(光子能量)和光子通量对不同间隙击穿电压的影响，并且由此识别用于不同间隙类型和/或距离的合适范围的光子能量和/或通量。

在一个实施例中，光源120可以是发光二极管(led)光源，但也可以采用其他类型的光源以获得相当的结果。考虑到这一点，图5图解地展示了具有与不同光子能量相对应的不同发射光谱(例如，红色频率、白色频率和蓝色频率)的led光源的击穿电压的结果。在本示例中，红色led光源是无效的，原因可以从光电效应的性质中来理解。当光子的波长大于600纳米(对应于低于2电子伏的能量)时，人眼会感知到红色，并且它们的能量太低而不能从逸出功通常为3电子伏至5电子伏的典型材料中引起光电发射。相反，白色led和蓝色led表现良好，其结果与气体混合物106中存在⁸⁵kr时观察到的结果相当。当光子波长约为450纳米(对应于2.75电子伏)时，人眼会感知到蓝色，因此蓝色光子比红色光子更有可能具有足够的能量进行光电发射。白光是包括蓝色的多种颜色的混合，因此白光包含对光电发射有效的蓝色电子。

考虑到这些结果，测试了蓝色led光源120，以研究在不存在⁸⁵kr的情况下通过改变led的工作电流来实施其光子通量对火花隙行为的影响。在本实验中，led具有如图6中所示的发射光谱，其中，标称波长为462nm(例如，大约465nm或更小)。如图7中所示的，当工作电流超过最小阈值(例如，1ma与2ma之间)时，间隙100处的火花行为与⁸⁵kr存在时相当。如图8(描绘了在305nm下的击穿电压分布)和图9(描绘了图8中示出的数据集的威布尔参数)中所示的，利用在305nm下工作的led(即，紫外(uv)led)获得了类似的结果。

如可以理解的，其中可以采用本方法的温度环境可以变化。举例来说，在喷气发动机的点火系统中，火花隙100所在的激发器部件的环境温度约为150℃。火花隙的操作并不强烈依赖于温度，但是发光二极管的光生成效率通常会在某个特征温度以上显著降低。考虑到这一点，还测试了温度对种子电子生成的影响。在一个这样的实验中，使用305nmuvled测试了温度的影响，其中，结果在图10中示出。如这些结果中所示的，与室温下的结果相比，光通量在150℃时减少了大约90％。

考虑到这一点，进行了一项研究以判定在这些低输出水平下操作led是否仍足以达成预期的火花隙操作。在此研究中，使用中性密度滤光器来衰减使用合适的滤光器的led输出，以允许led递送生成合适量的种子电子所需的最小光子通量，从而提供与在存在⁸⁵kr的情况下相当的击穿电压分布。图11和图12中图解地展示了这种方法的结果，其示出温度对led光通量减少的模拟影响以及其对火花隙性能的影响。具体地，图11描绘了透过各种中性密度(nd)滤光器的模拟led光通量减少，并且图12描绘了光通量(滤光器水平)对火花隙性能(击穿电压分布)的影响。结果示出，对于大于最大输出通量的7.5％(nd3)的水平，实现了预期的火花隙性能。

考虑到前面的内容，图13描绘了发动机150的示例，这里是喷气发动机，其中，使用光源生成自由电子的火花隙100可以用作发动机150的燃料点火系统152的一部分，燃料流或蒸气通过所述燃料点火系统燃烧。在本示例中，可以为一个或多个点火器158提供火花隙100。例如，每个火花隙100可以作为激发器部件156的一部分提供，所述激发器部件经由相应的引线160与对应的点火器158连通。以这种方式，在给定火花隙100处引起的火花事件可以与火花隙100的电极之间的导电流相对应，从而在相应的点火器158处引起点火事件并且在发动机150的操作期间引起点火事件。尽管诸如图13中所示的发动机150是本文所讨论的火花隙100的一种可能用途(例如，作为点火系统的一部分)，但是目前公开的火花隙100也可以用于其他点火和非点火情境。

本发明的技术效果包括在火花隙处生成种子电子的替代方法，允许从通常存在于火花隙处的气体混合物中消除⁸⁵kr，同时维持设备的相同性能和功能。本方法利用光电效应，使用具有特定标称波长(或波长范围)的光源在特定发射通量水平下生成种子电子。光源(例如，以最小阈值电流工作的led)被引导在火花隙的电极中的一个电极(例如，阴极)上，并且入射到电极的表面上的发射光子着陆使所述电极发射引发气体放电或击穿事件所需的电子。本方法可以在现有封装中进行改型，使得火花隙100或点火系统的其余部分的制造不会有重大改变。

本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，同时也使得本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何设备或系统以及执行所并入的任何方法。本发明可获得专利保护的范围由权利要求来限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言并非不同的结构要素，或如果它们包括具有与权利要求的字面语言非实质性差异的等同结构要素，则它们意图处于权利要求的范围内。