触发管型气体火花开关触发电极结构研究

来源：小侦探旅游网

　第17卷　第8期　2005年8月

强激光与粒子束

HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS

Vol.17,No.8　

Aug.,2005　

文章编号:　100124322(2005)0821213203

触发管型气体火花开关触发电极结构研究

陈维青,　曾正中,　来定国,　邹丽丽,　黄建军,　任书庆

(西北核技术研究所,陕西西安710024)

　　摘　要:　通过对触发管型气体火花开关触发机理和电极结构的分析,提出了圆盘型、齿轮型及多针型等新的触发电极。实验表明,这三种触发电极除多针型外都具有稳定工作性能,触发范围与常规针状电极结构相当,在纳秒前沿的触发脉冲作用下抖动可低于10ns。其中,采用齿轮状触发电极结构,在幅值22kV(约为主间隙静态击穿电压的20%)、前沿10ns的触发脉冲下,触发最小时延为77ns,抖动为2.5ns。　　关键词:　触发管;　触发结构;　寿命

　　中图分类号:　TN242　　　　文献标识码:　A

　　触发管(Trigatron)型气体火花开关于1946年由Craggs等人首先提出[1],最初是作为雷达高功率调制器的开关,至今在脉冲功率技术中有着广泛的应用。作为一种气体火花开关,它具有很多突出的优点,如电压工作范围很

宽,可以从几千伏到几兆伏,具有良好的触发特性,很宽的触发范围以及相对简单的结构。典型触发管型火花开关如图1所示。但是由于触

Fig.1　Schematicdrawingofatypicaltrigatronsparkgap发管型火花开关的触发电极位于相邻电极中,

图1　典型的常规触发管型气体火花开关

放电过程中特别是在大电流放电条件下,触发

电极不可避免地会被烧蚀。烧蚀不但影响触发电极与相邻电极之间的绝缘性能,而且影响开关的触发特性,最终会影响开关整体的工作特性及寿命[2]。

1　触发机制及触发结构设计

　　研究表明触发管型气体火花开关有两种触发机制[3],一种机制是触发电极和相对电极首先发生放电,然后触发电极和相邻电极在过电压的作用下击穿。一般情况下这种触发方式的击穿延时和抖动相对较小,但这种触发方式的缺点在于需要在触发电极和相对电极之间产生很高的场增强,一般需要将触发电极做成细针状,而且放电的主电流要通过触发电极,这对触发电极的烧蚀非常严重,所以开关的寿命相对较短;另一种触发机制是触发电极和相邻电极首先发生放电,开关主间隙在触发放电等离子体的紫外辐射下引燃,这有点类似于自击穿式火花间隙。一般情况下这种触发方式的击穿延时和抖动相对较大,但其优点在于可以尽可能避免放电的主电流通过触发电极,从而降低触发电极的烧蚀,有效延长开关的寿命。　　从上述分析可知,影响触发管型气体火花开关性能和寿命的主要因素之一在于开关触发电极的烧蚀,传统设计中,触发管型气体火花开关的触发电极一般为针状,由于针的可用烧蚀周长较小,最终制约了开关的性能和使用寿命,由此可见增大触发电极的烧蚀周长可以有效延长开关的使用寿命。基于上述分析,本文提出了如图2所示的圆盘型、齿轮型及多针型三种新的具有较长寿命的触发电极结构。在安装上,三种触发电极的表面均略低于地电极表面(约1mm),以尽可能避免主电流对触发电极的烧蚀。

2　实验电路及参数

　　实验中,开关高压端加负高压,触发脉冲为正脉冲,主电容为22nF。触发脉冲的幅值为22kV,前沿约为

3收稿日期:2005201228;　　修订日期:2005205224

基金项目:国家863计划项目资助课题

),男,助理研究员,主要从事脉冲功率技术方面的研究;西安69信箱10分箱。作者简介:陈维青(1973—

1214强激光与粒子束第17卷

Fig.2　Threenewstructuresoftriggerelectrode

图2　三种新型长寿命触发结构

10ns。触发电压的测量采用电阻分压器,主回路和触发

回路放电电流的测量采用同轴式分流器。实验回路典型

放电波形如图3所示,图中CH1为触发脉冲波形,CH2为放电回路电流的微分波形,CH3为放电回路电流波形。由于放电电流波形前沿较缓,很难定义一个较为准确的放电起始点,而微分波形前沿比较快,但微分信号比较容易受到干扰,所以在实验中采用微分和积分波形相对照的方法,这样可以获得较为准确的击穿点。

3　实验结果与分析

3.1　不同触发结构对开关自击穿电压的影响

　　开关的自击穿电压曲线反映了开关结构的耐压水

Fig.3　Dischargewaveformofexperimentcircuit

平,开关触发结构的改变不应对开关的耐压水平造成显

著的影响。由于三种触发结构开关的自击穿电压曲线类似,说明虽然触发电极结构不一样,但由于触发电极都位于地电极平面以下,对主电极间隙的电场影响很小[4],因而三种结构开关的耐压水平相当。而其中多针触发结构开关的耐压水平相对较高,这可能是由于多针结构的安装方式与其它两种不同,开关间隙偏大造成的。3.2　欠压比对开关击穿延时和抖动的影响　　实验中将三种不同触发结构开关的自击穿电压均设定在100kV,改变欠压比,测试开关的击穿延时和抖动。触发电压均为22kV。从实验结果可以看出,三种触发管型气体火花开关的击穿延时和抖动都强烈地依赖于其工作电压。除多针触发结构外,当圆盘触发结构的欠压比达到60%,齿轮状触发结构的欠压比达到50%以后,其击穿延时和抖动都已经降到可以接受的水平。如图4,图5所示,随着工作电压的提高,三种触发结构的击穿延时和抖动都随之降低。圆盘触发结构的最小平均延时为87.2ns,抖动为3.2ns;齿轮触发结构的最小平均时延为77.2ns,抖动为2.5ns;多针触发结构的最小平均时延为1.13μs,抖动为0.56μs。可见在

图3　实验电路的放电波形

Fig.4　DelaytimeofswitchwithdifferenttriggerelectrodeFig.5　Jitterofswitchwithdifferenttriggerelectrode

图4　三种不同触发结构开关击穿延时图5　三种不同触发结构开关击穿抖动

第8期陈维青等:触发管型气体火花开关触发电极结构研究1215

三种触发结构中,以齿轮触发结构的性能最佳,这可能是因为齿轮触发结构的触发场畸变比较大的缘故;而多针结构性能较差的原因可能在于多针结构不是一种完全同轴结构,不能很好地保证触发间隙的一致性。

4　结　论

　　从上述实验结果可以看出,三种新的触发电极结构中除多针结构外都具有稳定的工作性能,触发工作范围与常规针状电极结构相当,在幅值较低的纳秒前沿触发脉冲作用下抖动可低于10ns,其中,齿轮状触发电极结构具有较好的触发特性。相对于常规的针状触发电极结构,上述设计的触发电极具有相对更长的烧蚀周长,因此可以获得相对较长的使用寿命。参考文献:

[1]　SchaeferG.Gasdischargeclosingswitches[M].NewYork:PlenumPress,1990.

[2]　McPheeAJ,SomervilleIC,MacGregorSJ.Thedesignandtestingofanextendedlifetime,highvoltage,lowjittertrigatronforrepetitive

operation[A].Procof10thIEEEInternationalPulsedPowerConference[C].Albuquerque,NewMexico,1995.

[3]　McpheeAJ.Aninvestigationoftrigatronbreakdownbytwodifferentmechanisms[A].Procof10thIEEEInternationalPulsedPowerCon2

ference[C].Albuquerque,NewMexico,1995.

[4]　McpheeAJ.Electrostaticmodelingofatrigatronsparkgap[A].Procof10thIEEEInternationalPulsedPowerConference[C].Albuquer2

que,NewMexico,1995.

Experimentalresearchofextendedlifetimetrigatronwithnewtriggerelectrode

CHENWei2qing,　ZENGZheng2zhong,　LAIDing2guo,　ZOULi2li,　HUANGJian2jun,　RENShu2qing

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,P.O.Box69210,Xi’an710024,China)

　　Abstract:　Thelifetimeofconventionaltrigatronislimitedbytheerosionofthetriggerelectrode.Anextendedlifetimetriga2

tronwasdesignedwiththreenewtypesoftriggerelectrodebasedontheanalysisoftriggermechanism.Theexperimentalresultsindicatethattheperformancesofthenewtrigatronareashighastheconventionaltrigatron.Theminimumdelaytimeofthenewtrigatronis77nsandthejitteris2.5ns.

　　Keywords:　Trigatron;　Triggerstructure;　Lifetime

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