伪火花开关管放电过程的测试分析

伪火花开关管是一种新型的冷阴极脉冲功率开关,具有放电电流大、工作电路简单的特点,由于其无需预热,因而使用寿命长。本文给出了伪火花开关管工作的完整放电波形,研究了伪火花开关管放电理论的相关阶段;并通过实验、测试对其触发性能和放电性能的相关参数进行了测试分析。

正负极性伪火花开关初步研究

介绍一种正负极性工作、无需热丝供电配套的伪火花开关,其触发方式可以采用电触发、空间激光触发以及光纤传输激光能量触发。在电触发模式下开关技术指标达到工作电压±60 kV、脉冲电流16.2 kA以及抖动7 ns;空间光触发模式下,开关抖动3 ns(1 mJ/532 nm),最低触发激光能量0.15 mJ;光纤传输激光能量触发工况下(光纤入射端能量7 mJ/出射端5 mJ/532 nm),开关抖动技术指标达到3 ns。

266 nm紫外弱聚焦激光触发伪火花开关研究

当前对于光触发伪火花开关的研究主要集中在使用紫外激光触发,触发物理机制普遍认为是光电发射。然而,当紫外弱聚焦激光在低电场环境中照射光电材料(靶材)时,由光电发射产生的种子电子非常有限。为了进一步揭示紫外弱聚焦激光触发物理机制,利用266 nm紫外弱聚焦激光,搭建了开关测试实验平台和种子电子测试实验平台,研究了激光能量、开关电压、气压、靶材料、触发位置对开关触发特性的影响,分析了种子电子的来源和对触发开关的贡献。研究结果表明,在阴极背面孔边缘触发时,光电发射产生的瞬发电子不是种子电子的主要来源,与烧蚀等离子有关的超快电子才是。因此,当在阴极背面孔边缘触发时,密度和熔沸点低,易烧蚀的材料更适合作为紫外弱聚焦激光触发伪火花开关的靶材。经测试,当在阴极背面孔边缘触发,工作电压为−15 kV,气压为80 Pa(氦气)时,以镁为靶材的开关能实现稳定触发导通的最低激光能量为2 mJ,远低于铜(6 mJ)和钼(8 mJ)。此外,在上述相同条件下,激光在开关阴极孔内壁触发时,触发时延和抖动分别为36.9 ns和1.41 ns,远低于在阴极背面孔边缘触发时的时延和抖动(116.4 ns和5.39 ns)。

低抖动激光触发伪火花开关的研究

伪火花开关已经成功地应用于各种脉冲功率应用,包括欧洲大型强子对撞机、反导雷达系统、航空发动机点火等。对于这样的应用,降低开关的延迟和抖动来提升稳定性是非常重要的。设计了一种激光触发伪火花开关,使用波长532 nm的激光,在不同气压、工作电压和触发能量下,测试激光触发伪火花开关的阳极着火延迟时间和抖动两项参数。测试结果表明,增加激光能量可以降低开关的延迟和抖动,实现开关稳定性的激光能量阈值在1.5 mJ,可以使得开关的抖动小于1 ns,继续增大触发能量,开关的延迟和抖动不再明显变化;此外,增大管内的氢气压强可降低开关的延迟和抖动;当触发能量足够大时,改变阳极电压,开关的延迟和抖动不随开关电压而改变。

辉光放电触发重频伪火花开关研究

伪火花开关是工作在帕邢曲线左支的低气压开关,具有纳秒级击穿时间、百千安级脉冲电流、工作寿命长等特点。具有高重频性能的伪火花开关民用领域以及军事领域均有广泛的应用需求。基于双脉冲辉光放电触发结构,设计出一种具有重频能力的伪火花开关;在10 kV阳极电压下进行了整管测试,观察不同气压,预、主触发电压对重频性能以及触发性能的影响;结合仿真软件计算不同气压与触发电压下,触发电流的变化,最终总结了两个脉冲对触发过程的影响。测试结果表明,最低仅100 V触发电压,开关重复频率即可从沿面放电触发的100 Hz提升至400 Hz。

基于LaB_(6)阴极的伪火花开关仿真与实验研究

伪火花开关是一种具有高电压大电流的脉冲功率技术开关,高重频伪火花开关在对潜通讯、水下对抗、高能激光武器、污水处理、食品加工等领域中都得到广泛的应用。阴极材料的选择影响开关的触发导通过程,因此对重频性能具有重要影响。对触发单元进行仿真分析,将具有高发射性能的六硼化镧(LaB_(6))阴极与铜(Cu)阴极进行对比,得到电极材料对阴极发射电流以及触发单元电子密度的影响。测试了LaB_(6)、Cu两种阴极的伪火花开关,结果表明LaB_(6)阴极在重频工作状态下具有较宽工作气压范围,触发电压最低仅需100 V,具有良好的工作稳定性。

新型小体积伪火花开关研制

伪火花开关是脉冲功率领域关键器件之一,具有脉冲电流大、电压范围宽、寿命长及可靠性高等优点。针对整机系统小型化发展的需要,开展新型小体积伪火花开关研制,创新性地将触发针引入空心阴极内部,实现辉光放电电子源注入,该设计减小伪火花开关的体积,并通过制管及实验验证设计合理性。测试结果表明,该产品的阳极工作电压范围为0.5~10 kV,最大阳极脉冲电流40 kA;在36 kA脉冲电流情况下,工作2万余次并未发现性能下降;该样品已通过高温、低温、温循、振动等可靠性试验考核。

多通道伪火花开关及其触发技术

总结了多通道伪火花开关的优点 ,对直线、同轴和径向型多通道伪火花开关的结构和特点作了综述。采用多通道结构后 ,伪火花开关的触发问题较单通道时更为复杂 ,分析了多通道开关对其触发电路的特别要求 ,并介绍了国外的研究成果。

伪火花放电开关的实验研究

设计了典型参数下的伪火花放电开关,进行了空气介质下的放电实验研究.测量了伪火花开关耐受电压与气压关系曲线,确定了产生伪火花放电的气压范围.研究表明,当间隙距离和孔径均为3mm时,开关的伪火花放电气压范围为4～29Pa.实验发现,在伪火花放电和普通辉光放电之间存在一气压阈值,在本文实验条件下,该点的气压为29Pa,此时开关放电电压为2kV.测得了单间隙伪火花开关耐受电压的上限值(40kV),并对此现象进行了理论分析.计算了开关的放电电流密度和电流上升陡度,当导通电流为93kA时,其电流密度大于1 7×104A/cm2,电流上升陡度大于7 8×1010A/s,反峰系数为90%.最后,分析了伪火花开关的设计要点与性能影响因素.

环槽电极结构的伪火花开关耐压特性

设计了一种具有环槽电极结构的新型伪火花开关，进行了空气介质下的耐压特性实验，并与传统的同轴多通道结构的伪火花开关耐压特性进行了对比。给出了伪火花开关工作的气压范围（1～100Pa）和两种伪火花开关的最大耐压。实验结果显示，新型环槽结构伪火花开关最大耐压达到41V，而传统同轴多通道开关的最大高耐压只有28．4kV，新设计开关的最大耐压和耐压稳定性都明显高于同轴多通道开关。

大功率伪火花放电开关触发电路的设计

伪火花放电开关的触发技术是伪火花开关研究中的一项重要内容。因为触发方案的选择不仅关系到开关放电室的设计,而且对开关的工作电压范围,工作频率和使用寿命有很大影响。伪火花开关及其触发设计的最主要特征在于它的空心阴极结构,空心阴极的存在既是伪火花间隙放电的先决条件,又为开关的触发单元提供必要的空间和可靠的保护屏障,使得触发部件不受主放电等离子体电流的冲击和烧蚀。笔者提出了伪火花开关触发设计的技术要求,总结了现有伪火花放电开关的触发方法,并对它们的触发效果进行了比较,重点介绍了脉冲辉光放电(脉冲空心阴极)触发和表面放电触发及其发展。

半导体碳化硅在伪火花放电高能开关中的应用

伪火花放电开关 (PSS)的寿命主要由大电流下的电极烧损决定 ,其机理为金属电极产生的蒸汽电弧改变了原有均匀辉光放电所致。半导体碳化硅 (Si C)可以维持伪火花开关电极表面的均匀辉光放电 ,抑制电弧产生 ,使电极烧损大大减小 ,还解决了开关在小电流下奇异放电问题 (电流猝灭和暂态阻抗降低 )。简述了金属钼电极与 Si C电极的放电过程和特点后简要分析了 Si C电极抑制电弧的原理 。

伪火花放电开关的半导体氧化锌表面放电触发装置研究

准确可靠的触发技术是伪火花开关研究中的一项重要内容。因为触发方案的选择不仅关系到开关电极的结构设计 ,而且对开关的工作电压范围 ,频率和寿命有很大影响。本文首次采用半导体氧化锌 (ZnO)为材料 ,设计了伪火花开关的表面放电触发器 ,该触发器体积小 ,结构简单 ,可焙烧 ,大量实验 (>1 0 5次 )表明 ,其可靠性高 ,寿命长 ,用它触发的伪火花开关 (放电电压 30～ 2kV)具有稳定的放电时延 (80～ 4 0 0ns)和时延抖动 (2 0～ 5 0ns) ,由于触发电流大 ,因而可以在极低的开关电压下触发开关 ,对着火电压 30kV的伪火花开关 ,其最低可触发开关电压可至 4 40V。

伪火花开关自放电电压特性与电压跌落过程实验研究

设计了典型参数下的伪火花放电开关,进行了空气介质下的电压特性实验,详细研究了气体压力,电极间隙距离,电极孔径和电极材料对伪火花开关耐受电压的影响;给出了伪火花开关放电电压与气压变化的关系曲线;测量了产生伪火花放电的气压范围和单间隙伪火花开关耐受电压的最大值,测得了伪火花放电与辉光放电的转折点气压,并对实验结果进行了理论分析。研究了伪火花开关电压跌落时间与放电电压的关系,首次将开关电压跌落过程分为暂态阶段和稳态阶段,讨论了放电电路参数,气体压力,开关结构和放电电压对电压跌落时间的影响。实验表明,在气压和开关结构不变的条件下,暂态过程时间由放电电压决定,电压越高,则所需时间就越短;稳态过程时间由放电电路参数决定,而与放电电压无关。最后讨论了真空洁净程度和开关加工与装配工艺对伪火花开关耐受电压的影响。

伪火花开关的发展与应用

伪火花开关是八十年代初才研制成功的用于脉冲功率技术的高重复频率闭合开关，其性能既优于氢气闸流管，又优于高气压的火花开关。本文对伪火花放电的特点、伪火花开关的基本结构与触发方式以及进一步的研究工作进行了评述。

伪火花放电开关的陶瓷表面放电触发研究

设计了伪火花开关的陶瓷材料表面放电触发器 ,该触发器体积小 ,结构简单 ,可焙烧。经大量实验 (>10 5次 )表明 ,较传统的表面放电触发器可靠性提高 ,寿命延长 ,用它触发的伪火花开关 (放电电压 30～ 2kV)具有稳定的放电时延 (5 0～ 340ns)和时延抖动 (15～ 4 0ns)。由于触发电流大 ,因此可在极低的开关电压下触发开关 ,对耐受电压 30kV的伪火花开关 ,其最低可触发开关电压可至 6 0 0V。

伪火花放电开关的表面放电触发装置研究

设计了以半导体氧化锌和陶瓷为材料的伪火花开关的两种表面放电触发器 ,这两种触发器体积小 ,结构简单 ,可焙烧 ,大量实验 (>10 5次 )表明 ,其可靠性高 ,寿命长 .用它们触发的伪火花开关在放电电压 3 0～ 2kV的范围内具有稳定的放电时延 (陶瓷触发为 5 0～ 3 4 0ns,氧化锌触发为 10 0～ 5 0 0ns)和时延抖动 (陶瓷触发为 15～ 4 0ns,氧化锌触发为 3 0～ 5 0ns) .由于触发电流大 ,因此可在极低的开关电压下触发开关 ,对耐受电压 3 0kV的伪火花开关 ,其最低可触发开关电压可小于 1kV(陶瓷触发为 60 0V ,氧化锌触发为 4 4 0V) .

一种新型大电流脉冲调制器件——伪火花开关

介绍了一种新型大电流脉冲调制器件——伪火花开关,它利用介电材料沿面放电进行触发,单间隙导通脉冲大电流。目前这种开关已完成产品化,可以用来调制不低于30kV、50kA的脉冲,电流上升速率高达5×1010 A/s,在负触发电压脉冲作用下,开关的时间跳动小于7ns,寿命高达5×104 C,可直接用于替换氢闸流管以及高气压火花隙。

伪火花放电开关电压跌落过程实验研究

设计了典型参数下的伪火花放电开关,进行了空气介质下的电压特性实验,给出了伪火花开关放电电压与气压变化的关系曲线;测量了产生伪火花放电的气压范围(1～29Pa)和单间隙伪火花放电开关耐受电压的最大值(40kV),测得了伪火花放电与辉光放电的转折点气压(29Pa),并对实验结果进行了理论分析。研究了伪火花放电开关电压跌落时间与放电电压的关系,首次将开关电压跌落过程分为暂态阶段和稳态阶段,讨论了放电电路参数,气体压力,开关结构和放电电压对电压跌落时间的影响。实验表明,在气压和开关结构不变的条件下,暂态过程时间由放电电压决定,电压越高,则所需时间就越短;稳态过程时间由放电电路参数决定,不受放电电压影响。

伪火花开关的设计与实验研究

阐述了伪火花放电的基本原理,设计了一种具有典型参数的伪火花开关,并通过实验研究了该开关的特性。实验表明,该开关的耐受电压高(37kV),导通电流大(93kA),电流上升陡度达7.8×10^(10)A/s。