專利名稱：基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空crowbar開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖功率技術(shù)、核聚變技術(shù)以及高能激光等技術(shù)領(lǐng)域的CROWBAR開關(guān)，特別涉及一種基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)。
背景技術(shù)：
高能脈沖放電開關(guān)是脈沖功率技術(shù)、核聚變及高能激光技術(shù)中常用的關(guān)鍵器件之一，國內(nèi)用于脈沖功率技術(shù)的放電開關(guān)，其電荷轉(zhuǎn)移量一般為0.2庫侖左右，國外脈沖功率技術(shù)研究中，放電開關(guān)的單次電荷轉(zhuǎn)移量已達1庫侖。隨著脈沖功率技術(shù)等強電磁脈沖技術(shù)的發(fā)展，高能脈沖發(fā)生裝置將發(fā)揮愈來愈大的作用，單次通過放電開關(guān)的電荷量轉(zhuǎn)移量及脈沖能量也在逐漸增加。如脈沖功率技術(shù)中，單次通過放電開關(guān)的電荷轉(zhuǎn)移量達1庫侖以上；而用于核爆炸效應(yīng)模擬研究的放電開關(guān)，單次電荷轉(zhuǎn)移量高達上百庫侖。
高能CROWBAR脈沖放電開關(guān)在脈沖功率技術(shù)、核聚變及高能激光技術(shù)中，一般應(yīng)用在電容儲能且放電回路中又有電感元件存在的場合，CROWBAR脈沖放電開關(guān)起著延長回路中儲能元件向負載釋放電荷的時間。CROWBAR放電開關(guān)的這種作用決定其必備的工作特性(1)工作電壓高，工作電流大，即要求CROWBAR放電開關(guān)具有很高的耐壓和通流能力。(2)寬的工作范圍，理想情況下工作范圍為0～100％，即要求開關(guān)在具有很高的耐壓和非常低的工作電壓；(3)工作壽命長。而目前使用的CROWBAR放電開關(guān)很難同時滿足以上工作要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種可工作在真空環(huán)境中，具有高的耐受電壓、較大的通流容量、較長的使用壽命、寬的工作電壓范圍及較小放電時延和抖動的基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括絕緣殼體和設(shè)置在絕緣外殼內(nèi)的上電極、下電極，上電極和下電極之間構(gòu)成主放電間隙，上電極和下電極通過端法蘭和端法蘭設(shè)置在絕緣外殼內(nèi)，其特點是，由絕緣外殼及設(shè)置在絕緣外殼兩端的端法蘭構(gòu)成的密閉殼體內(nèi)的壓力為10-2～10-5Pa，所說的上電極和下電極至少有一個為活動電極，在固定電極或活動電極內(nèi)或在固定電極的一側(cè)開設(shè)有鑲嵌觸發(fā)電極的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料，觸發(fā)電極與沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料之間構(gòu)成了沿面放電間隙，當(dāng)觸發(fā)電極鑲嵌在固定電極一側(cè)時，觸發(fā)電極和端法蘭通過絕緣材料隔離。
本發(fā)明的上電極通過波紋管與端法蘭相連接，波紋管與上電極之間還設(shè)置有波紋管屏蔽罩；上電極、下電極和觸發(fā)電極的周圍的絕緣殼體內(nèi)壁上設(shè)置有金屬屏蔽罩；沿面閃絡(luò)介質(zhì)材料的上表面和下電極的表面在同一水平面或低于下電極的表面1mm～5mm；沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料為“T”型結(jié)構(gòu)，其中心軸開有安裝柱狀觸發(fā)電極的圓孔，圓孔上端的內(nèi)側(cè)表面鍍有金屬層，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料的上表面為平面，其上端外側(cè)面與下主電極緊密配合，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料和觸發(fā)電極之間構(gòu)成沿面放電間隙；沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料為“V”型結(jié)構(gòu)，其中心軸開有安裝柱狀觸發(fā)電極的圓孔，圓孔上端的內(nèi)側(cè)表面鍍有金屬層，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料的上表面為“V”型斜面，其上端外側(cè)面與主電極緊密配合，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料和觸發(fā)電極之間構(gòu)成沿面放電間隙；沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料的表面開設(shè)有圓環(huán)形槽，圓環(huán)形槽的寬度為幾十至幾百μm，槽的深度為幾十微米至幾個毫米；沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料的表面開設(shè)有螺旋槽，螺旋槽的寬度為幾十至幾百μm，槽的深度為幾十微米至幾個毫米；沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料為介電常數(shù)較高的絕緣材料鈦酸鍶、鈦酸鋇系的復(fù)合介質(zhì)或半導(dǎo)體材料。
由于本發(fā)明的上電極或下電極與觸發(fā)極之間設(shè)置有沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料，在真空環(huán)境中，這些沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料具有極強的沿面閃絡(luò)特性，在觸發(fā)脈沖作用下具有很強的電荷釋放能力，因而使真空CROWBAR開關(guān)具有非常寬(接近100％)的電壓工作范圍、很高的耐壓、極小的工作電壓及較大的通流容量，且具有非常小的放電時延和抖動；因而CROWBAR開關(guān)工作時，高能脈沖電弧對觸發(fā)裝置的燒蝕減少，使得開關(guān)具有較長的使用壽命，工作穩(wěn)定性大大增強，可作為脈沖功率技術(shù)、核聚變技術(shù)以及高能激光等技術(shù)領(lǐng)域的CROWBAR開關(guān)。


圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4的第一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4的第二種結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4的第一種表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4的第二種表面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進一步詳細說明。
參見圖1，實施例1，本實施例包括絕緣外殼11和設(shè)置在絕緣外殼11內(nèi)的上電極1、下電極2，上電極1和下電極2之間構(gòu)成主放電間隙5，上電極1和下電極2通過端法蘭9和端法蘭10設(shè)置在絕緣外殼11內(nèi)，且由絕緣外殼11及設(shè)置在絕緣外殼11兩端的端法蘭9、10構(gòu)成的密閉殼體內(nèi)的壓力為10-2～10-5Pa，上電極1為活動電極，下電極2為固定電極，在下電極2內(nèi)開設(shè)有鑲嵌柱狀觸發(fā)電極3的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4，柱狀觸發(fā)電極3與沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4之間構(gòu)成了沿面放電間隙12。沿面閃絡(luò)介質(zhì)材料4的上表面和下電極2的表面在同一水平面或低于下電極2的表面1mm～5mm。上電極2通過波紋管6與端法蘭9相連接，波紋管6的上端還設(shè)置有波紋管屏蔽罩8，波紋管屏蔽罩8可防止金屬蒸汽沉積在波紋管6上，影響波紋管6的特性和壽命，在上電極1、下電極2和觸發(fā)電極3的周圍的絕緣外殼11的內(nèi)壁上設(shè)置有屏蔽罩7，屏蔽罩7可防止金屬蒸汽沉積在絕緣密閉外殼11上，造成上電極1和下電極2短路，屏蔽罩7可以用金屬材料，如無氧銅制作。
參見圖2，實施例2，本實施例的下電極2的一側(cè)開設(shè)有鑲嵌柱狀觸發(fā)電極3的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4，柱狀觸發(fā)電極3和端法蘭10之間通過絕緣材料15隔離。其它連接關(guān)系同實施例1。
參見圖3，本發(fā)明的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4為“T”型結(jié)構(gòu)，其中心軸開有安裝觸發(fā)電極3的圓孔16，圓孔16上端的內(nèi)側(cè)表面鍍有金屬層17，如銀層，以便于觸發(fā)電極3上端釬焊在一起，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4的上表面為平面，其上端外側(cè)面18與下電極2緊密配合在一起，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4與和觸發(fā)電極3之間構(gòu)成了沿面放電間隙12。
參見圖4，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)為“V”型，其中心軸開有圓孔16，用于安裝CROWBAR開關(guān)的觸發(fā)電極3，孔的上內(nèi)側(cè)表面鍍有金屬化層17，如銀層，以便于觸發(fā)電極3上端釬焊在一起，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4的上表面為“V”型斜面，其上端外側(cè)面18與主電極2緊密配合在一起，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料和觸發(fā)電極3之間構(gòu)成沿面放電間隙19。
參見圖5，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4的表面開設(shè)有圓環(huán)形槽20，圓環(huán)形槽20的寬度為幾十至幾百μm，槽的深度為幾十微米至幾個毫米。
參見圖6，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料4的表面開設(shè)有螺旋槽21，螺旋槽21的寬度為幾十至幾百μm，槽的深度為幾十微米至幾個毫米。
本發(fā)明不同于現(xiàn)有CROWBAR開關(guān)的最顯著的特點是采用高真空作為CROWBAR開關(guān)，并在CROWBAR開關(guān)的觸發(fā)結(jié)構(gòu)中采用了高介電常數(shù)的介質(zhì)材料作為沿面閃絡(luò)觸發(fā)材料，該觸發(fā)材料可以包含各種鈦酸鍶、鈦酸鋇系的復(fù)合介質(zhì)以及氧化鋅半導(dǎo)體復(fù)合材料等，它們在觸發(fā)脈沖的作用下具有很強的電荷發(fā)射能力，所需的觸發(fā)脈沖能量小，減少了CROWBAR開關(guān)的放電時延和抖動；在觸發(fā)結(jié)構(gòu)的沿面觸發(fā)面上開有一定寬度和深度的環(huán)形槽或螺旋槽，且觸發(fā)面低于主電極一定高度，減少了強脈沖電弧對觸發(fā)結(jié)構(gòu)的燒蝕，使其具有較長的使用壽命?？傊?，本發(fā)明的高介沿面閃絡(luò)真空CROWBAR開關(guān)具有很高的耐受電壓、較大的通流容量、較長的使用壽命和非常寬的工作電壓范圍等等優(yōu)點，可以作為脈沖功率技術(shù)、核聚變技術(shù)等場合的CROWBAR開關(guān)。
權(quán)利要求
1.基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，包括絕緣殼體[11]和設(shè)置在絕緣外殼[11]內(nèi)的上電極[1]、下電極[2]，上電極[1]和下電極[2]之間構(gòu)成主放電間隙[5]，上電極1和下電極[2]通過端法蘭[9]和端法蘭[10]設(shè)置在絕緣外殼[11]內(nèi)，其特征在于由絕緣外殼[11]及設(shè)置在絕緣外殼[11]兩端的端法蘭[9]、[10]構(gòu)成的密閉殼體內(nèi)的壓力為10-2～10-5Pa，所說的上電極[1]和下電極[2]至少有一個為活動電極，在固定電極或活動電極內(nèi)或在固定電極的一側(cè)開設(shè)有鑲嵌觸發(fā)電極[3]的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]，觸發(fā)電極[3]與沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]之間構(gòu)成了沿面放電間隙[12]，當(dāng)觸發(fā)電極[3]鑲嵌在固定電極一側(cè)時，觸發(fā)電極[3]和端法蘭[10]通過絕緣材料[15]隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，其特征在于所說的上電極[1]通過波紋管[6]與端法蘭[9]相連接，波紋管[6]與上電極[1]之間還設(shè)置有波紋管屏蔽罩[8]。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，其特征在于所說的上電極[1]、下電極[2]和觸發(fā)電極[3]的周圍的絕緣殼體[11]內(nèi)壁上設(shè)置有金屬屏蔽罩[7]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，其特征在于所說的沿面閃絡(luò)介質(zhì)材料[4]的上表面和下電極[2]的表面在同一水平面或低于下電極[2]的表面1mm～5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，其特征在于所說的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]為“T”型結(jié)構(gòu)，其中心軸開有安裝柱狀觸發(fā)電極[3]的圓孔[16]，圓孔[16]上端的內(nèi)側(cè)表面鍍有金屬層[17]，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]的上表面為平面，其上端外側(cè)面[18]與下主電極[2]緊密配合，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]和觸發(fā)電極[3]之間構(gòu)成沿面放電間隙[12]。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，其特征在于所說的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]為“V”型結(jié)構(gòu)，其中心軸開有安裝柱狀觸發(fā)電極[3]的圓孔[16]，圓孔[16]上端的內(nèi)側(cè)表面鍍有金屬層[17]，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]的上表面為“V”型斜面，其上端外側(cè)面[18]與主電極[2]緊密配合，沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]和觸發(fā)電極[3]之間構(gòu)成沿面放電間隙[19]。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，其特征在于所說的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]的表面開設(shè)有圓環(huán)形槽[20]，圓環(huán)形槽[20]的寬度為幾十至幾百μm，槽的深度為幾十微米至幾個毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，其特征在于所說的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]的表面開設(shè)有螺旋槽[21]，螺旋槽[21]的寬度為幾十至幾百μm，槽的深度為幾十微米至幾個毫米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，其特征在于所說的沿面閃絡(luò)電介質(zhì)材料[4]為介電常數(shù)較高的絕緣材料鈦酸鍶、鈦酸鋇系的復(fù)合介質(zhì)或半導(dǎo)體材料。
全文摘要
基于高介沿面閃絡(luò)的高能真空CROWBAR開關(guān)，包括絕緣殼體和設(shè)置在絕緣外殼內(nèi)的上電極、下電極，上電極和下電極之間構(gòu)成主放電間隙，密閉殼體內(nèi)的壓力為10
文檔編號H01H83/00GK101051577SQ200710017400
公開日2007年10月10日 申請日期2007年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月12日
發(fā)明者姚學(xué)玲, 陳景亮, 孫偉 申請人:西安交通大學(xué)