雙間隙偽火花開(kāi)關(guān)沿面放電觸發(fā)材料的測試與研究
本文介紹了一種新型大電流脈沖調制器件———雙間隙偽火花開(kāi)關(guān)，它利用介電材料沿面放電進(jìn)行觸發(fā)，雙間隙導通脈沖大電流，可以用來(lái)調制不低于50kV、50kA的脈沖，并能直接用于替換氫閘流管以及高氣壓火花隙。本文就雙間隙偽火花開(kāi)關(guān)沿面放電的三種觸發(fā)材料進(jìn)行了相關(guān)研究，確定了氮化鋁-碳化硅材料具有優(yōu)良的觸發(fā)性能與機械性能，解決了觸發(fā)單元成品率較低的問(wèn)題，實(shí)現了雙間隙偽火花開(kāi)關(guān)的產(chǎn)品化。
偽火花開(kāi)關(guān)(Pseudospark Switches，簡(jiǎn)稱(chēng)PSS管)，是一種處于帕邢曲線(xiàn)左支的低氣壓、冷陰極氣體放電開(kāi)關(guān)器件，具有預熱時(shí)間短、電極結構與使用電路簡(jiǎn)單、工作壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。PSS管極間氣體擊穿時(shí)間短(<10ns)、脈沖電流大(>100kA)、可承受100%的陽(yáng)極反向電流，適用于單次大電流放電(>10C/次)、大電容(數百微法)脈沖放電、短路脈沖放電等大功率脈沖調制應用中，可直接用于替換閘流管、觸發(fā)管與引燃管(汞弧管)。圖1所示為雙間隙偽火花開(kāi)關(guān)典型電極結構圖。
圖1 雙間隙偽火花開(kāi)關(guān)典型電極結構圖
1、偽火花開(kāi)關(guān)觸發(fā)單元的工作機理
偽火花開(kāi)關(guān)的觸發(fā)單元主要用于控制空心陰極效應的產(chǎn)生，從而完成對開(kāi)關(guān)的點(diǎn)火。當在觸發(fā)單元上施加脈沖電壓時(shí)，可將空心陰極內部的氣體電離到一定程度，并形成初始的等離子體分布，在陽(yáng)極滲透到空心陰極內的驅動(dòng)電場(chǎng)作用下，這些等離子體作為電離源在空心陰極內部產(chǎn)生大量的高能二次電子，空心陰極效應得以產(chǎn)生，并為開(kāi)關(guān)導通脈沖大電流提供足夠的載流子。產(chǎn)品化的偽火花開(kāi)關(guān)，其觸發(fā)單元通�？煞譃閮煞N工作類(lèi)型：介電材料沿面放電與電極輔助輝光放電。從實(shí)用性角度出發(fā)，介電材料沿面放電觸發(fā)的偽火花開(kāi)關(guān)具有開(kāi)關(guān)結構簡(jiǎn)單、使用電路通用、可適性強等特點(diǎn)，并且在開(kāi)關(guān)小型化、集成化上具有優(yōu)勢，尤其適用于單次大電流放電(單次電荷轉移量大于10C)的應用。
在具有一定表面電阻的介電材料上施加觸發(fā)脈沖電壓Ut，將會(huì )沿其表面產(chǎn)生小的電流，并在材料表面形成空間電荷聚集效應。當Ut超過(guò)一定閾值(通常為1kV左右)時(shí)，就會(huì )把材料附近的氣體(氫氣)擊穿，并產(chǎn)生具有一定濃度的等離子體，以供應偽火花開(kāi)關(guān)形成空心陰極效應。由于沿面放電的閾值電壓遠小于氣體的帕邢擊穿電壓，因此該方式具有觸發(fā)電壓低、放電延遲時(shí)間短、觸發(fā)脈沖電流大等優(yōu)點(diǎn)。
根據相關(guān)研究，觸發(fā)空心陰極效應所需的初始等離子體濃度應不小于109/cm3，而對作者所設計的偽火花開(kāi)關(guān)結構進(jìn)行測試后發(fā)現，當觸發(fā)脈沖電流峰值不小于90A時(shí)，開(kāi)關(guān)才能正常進(jìn)行陽(yáng)極著(zhù)火。
提高沿面放電的觸發(fā)脈沖電流有兩種方式：①提高施加在介電材料兩端的觸發(fā)電壓；②降低介電材料的表面電阻。對大部分介電材料，由于其絕緣性能較高，往往需要很高的觸發(fā)電壓(大于6kV)才能完成開(kāi)關(guān)的陽(yáng)極著(zhù)火，這將限制偽火花開(kāi)關(guān)的應用范圍(通常的閘流管觸發(fā)電壓小于2kV 即可實(shí)現陽(yáng)極著(zhù)火)。
開(kāi)關(guān)中用于沿面放電的介電材料其尺寸都較小，若通過(guò)減小沿面長(cháng)度來(lái)降低表面電阻，將會(huì )大大降低觸發(fā)單元的壽命，還影響到開(kāi)關(guān)的工作穩定性。在介電材料中摻入導電相進(jìn)行混合燒結，可以有效的降低介電材料的表面電阻，同時(shí)還不會(huì )改變其耐高溫、耐轟擊、機械強度高的優(yōu)點(diǎn)。
2、觸發(fā)單元材料的選取
如前所述，觸發(fā)單元沿面放電直接決定了偽火花開(kāi)關(guān)陽(yáng)極著(zhù)火性能，因此對其介電材料的研究是目前的一個(gè)重點(diǎn)。國內曾就半導體氧化鋅以及陶瓷材料的沿面放電觸發(fā)偽火花開(kāi)關(guān)進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，但是未見(jiàn)在產(chǎn)品化的偽火花開(kāi)關(guān)器件中予以使用；有報道介紹俄羅斯采用氮化硼材料制作觸發(fā)單元，廣泛應用于其TP系列偽火花開(kāi)關(guān)中。
作者在前期工作中就氮化鋁-石墨混合燒結而成的介電材料進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，并將其應用于偽火花開(kāi)關(guān)中進(jìn)行放電測試，證明了此材料具有優(yōu)異的觸發(fā)著(zhù)火性能，適用于產(chǎn)品化的偽火花開(kāi)關(guān)。當混合介電材料沿面放電觸發(fā)開(kāi)關(guān)時(shí)，氮化鋁作為絕緣基底，可以控制電流不在材料內部形成，而是使能量集中在材料表面以及工作氣體中；而石墨作為導電相，使得材料表面得以通過(guò)電流并形成空間電荷，從而大大的降低材料附近氣體的擊穿閾值電壓。宏觀(guān)上表征為一定比例的導電相與絕緣基底混合后，可以顯著(zhù)地調節材料的表面電阻值，從而降低沿面放電觸發(fā)偽火花開(kāi)關(guān)時(shí)所需的電壓與能量。但是，由于氮化鋁與石墨的高溫結合性能較差，在氮化鋁-石墨混合燒結材料的制作過(guò)程中，要使電阻值與機械強度達到預定要求，其成品率將維持在較低水平。作者期望通過(guò)改變絕緣基底與導電相材料，在不影響觸發(fā)性能的同時(shí)對上述問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，因此提出了兩種具有良好機械強度的混合材料：氮化硼-石墨與氮化鋁-碳化硅，并放置于相同的偽火花開(kāi)關(guān)結構中分別進(jìn)行了觸發(fā)著(zhù)火測試分析。
3、結論
(1)本文所設計的雙間隙PSS管利用介電材料沿面放電進(jìn)行觸發(fā)，雙間隙導通脈沖大電流，可以用來(lái)調制不低于50kV、50kA的脈沖，其陽(yáng)極正常工作電壓范圍為3～50kV，可直接用于替換氫閘流管以及高氣壓火花隙。
(2)對比三種混合介電材料：AlN-C、BN-C以及AlN-SiC，確定了具有高機械性能的AlN-SiC材料具有與AlN-C材料相當的觸發(fā)性能，解決了產(chǎn)品化偽火花開(kāi)關(guān)的觸發(fā)單元成品率低的問(wèn)題。
