双间隙伪火花开关沿面放电触发材料的测试与研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:栾小燕

  本文介绍了一种新型大电流脉冲调制器件———双间隙伪火花开关,它利用介电材料沿面放电进行触发,双间隙导通脉冲大电流,可以用来调制不低于50kV、50kA的脉冲,并能直接用于替换氢闸流管以及高气压火花隙。本文就双间隙伪火花开关沿面放电的三种触发材料进行了相关研究,确定了氮化铝-碳化硅材料具有优良的触发性能与机械性能,解决了触发单元成品率较低的问题,实现了双间隙伪火花开关的产品化。

  伪火花开关(Pseudospark Switches,简称PSS管),是一种处于帕邢曲线左支的低气压、冷阴极气体放电开关器件,具有预热时间短、电极结构与使用电路简单、工作寿命长等优点。PSS管极间气体击穿时间短(<10ns)、脉冲电流大(>100kA)、可承受100%的阳极反向电流,适用于单次大电流放电(>10C/次)、大电容(数百微法)脉冲放电、短路脉冲放电等大功率脉冲调制应用中,可直接用于替换闸流管、触发管与引燃管(汞弧管)。图1所示为双间隙伪火花开关典型电极结构图。

双间隙伪火花开关典型电极结构图

图1 双间隙伪火花开关典型电极结构图

1、伪火花开关触发单元的工作机理

  伪火花开关的触发单元主要用于控制空心阴极效应的产生,从而完成对开关的点火。当在触发单元上施加脉冲电压时,可将空心阴极内部的气体电离到一定程度,并形成初始的等离子体分布,在阳极渗透到空心阴极内的驱动电场作用下,这些等离子体作为电离源在空心阴极内部产生大量的高能二次电子,空心阴极效应得以产生,并为开关导通脉冲大电流提供足够的载流子。产品化的伪火花开关,其触发单元通常可分为两种工作类型:介电材料沿面放电与电极辅助辉光放电。从实用性角度出发,介电材料沿面放电触发的伪火花开关具有开关结构简单、使用电路通用、可适性强等特点,并且在开关小型化、集成化上具有优势,尤其适用于单次大电流放电(单次电荷转移量大于10C)的应用。

  在具有一定表面电阻的介电材料上施加触发脉冲电压Ut,将会沿其表面产生小的电流,并在材料表面形成空间电荷聚集效应。当Ut超过一定阈值(通常为1kV左右)时,就会把材料附近的气体(氢气)击穿,并产生具有一定浓度的等离子体,以供应伪火花开关形成空心阴极效应。由于沿面放电的阈值电压远小于气体的帕邢击穿电压,因此该方式具有触发电压低、放电延迟时间短、触发脉冲电流大等优点。

  根据相关研究,触发空心阴极效应所需的初始等离子体浓度应不小于109/cm3,而对作者所设计的伪火花开关结构进行测试后发现,当触发脉冲电流峰值不小于90A时,开关才能正常进行阳极着火。

  提高沿面放电的触发脉冲电流有两种方式:①提高施加在介电材料两端的触发电压;②降低介电材料的表面电阻。对大部分介电材料,由于其绝缘性能较高,往往需要很高的触发电压(大于6kV)才能完成开关的阳极着火,这将限制伪火花开关的应用范围(通常的闸流管触发电压小于2kV 即可实现阳极着火)。

  开关中用于沿面放电的介电材料其尺寸都较小,若通过减小沿面长度来降低表面电阻,将会大大降低触发单元的寿命,还影响到开关的工作稳定性。在介电材料中掺入导电相进行混合烧结,可以有效的降低介电材料的表面电阻,同时还不会改变其耐高温、耐轰击、机械强度高的优点。

2、触发单元材料的选取

  如前所述,触发单元沿面放电直接决定了伪火花开关阳极着火性能,因此对其介电材料的研究是目前的一个重点。国内曾就半导体氧化锌以及陶瓷材料的沿面放电触发伪火花开关进行过相关研究,但是未见在产品化的伪火花开关器件中予以使用;有报道介绍俄罗斯采用氮化硼材料制作触发单元,广泛应用于其TP系列伪火花开关中。

  作者在前期工作中就氮化铝-石墨混合烧结而成的介电材料进行过相关研究,并将其应用于伪火花开关中进行放电测试,证明了此材料具有优异的触发着火性能,适用于产品化的伪火花开关。当混合介电材料沿面放电触发开关时,氮化铝作为绝缘基底,可以控制电流不在材料内部形成,而是使能量集中在材料表面以及工作气体中;而石墨作为导电相,使得材料表面得以通过电流并形成空间电荷,从而大大的降低材料附近气体的击穿阈值电压。宏观上表征为一定比例的导电相与绝缘基底混合后,可以显著地调节材料的表面电阻值,从而降低沿面放电触发伪火花开关时所需的电压与能量。但是,由于氮化铝与石墨的高温结合性能较差,在氮化铝-石墨混合烧结材料的制作过程中,要使电阻值与机械强度达到预定要求,其成品率将维持在较低水平。作者期望通过改变绝缘基底与导电相材料,在不影响触发性能的同时对上述问题进行改进,因此提出了两种具有良好机械强度的混合材料:氮化硼-石墨与氮化铝-碳化硅,并放置于相同的伪火花开关结构中分别进行了触发着火测试分析。

3、结论

  (1)本文所设计的双间隙PSS管利用介电材料沿面放电进行触发,双间隙导通脉冲大电流,可以用来调制不低于50kV、50kA的脉冲,其阳极正常工作电压范围为3~50kV,可直接用于替换氢闸流管以及高气压火花隙。

  (2)对比三种混合介电材料:AlN-C、BN-C以及AlN-SiC,确定了具有高机械性能的AlN-SiC材料具有与AlN-C材料相当的触发性能,解决了产品化伪火花开关的触发单元成品率低的问题。

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