真空触发开关(TVS)的触发和实验系统
真空触发开关(TVS)的触发针的主要材料为钨,它具有沸点高、耐烧蚀、阴极斑点电流大的特点。从宏观上看,触发针和阴极间留有约0.5mm 的真空小间隙(从表1 结构参数计算可得(6-5)/2 =0.5) ,正是触发脉冲的放电通道。从微观上看,触发针表面是凹凸不平的,并且有许多微小尖峰存在。因此,当触发针引入高压脉冲时,电场将集中于某些尖峰的端部,在端部形成极高的电场,引起电子发射。尽管电子电流很小,由于尖峰的截面积极小,约为10-8mm2,所以电流密度可达105A·mm-2～106A·mm-2 。当发射电流流过这些尖峰时,会使它们发热、熔化和蒸发出大量金属蒸气。当电子穿过金属蒸气云时,使金属原子电离而引起击穿。
触发脉冲产生电路如图2 所示,采用了高压击穿和能量续流的办法。T2 是脉冲变压器,产生一个负的高压脉冲,脉冲前沿在35μs 左右。C1 是脉冲成形电容,C2 是脉冲续流电容,SCR 是可控硅。试验时将D1D2 并联构成全波整流,变压器T1 接自耦调压器,可以连续调节C1C2 的充电电压,改变输出脉冲峰值和续流能量。当C1 = 1000μF 且充电150V时,回路输出空载脉冲电压峰值在-20kV 左右。
图2 触发脉冲电路
触发极击穿的过程产生大量的初始等离子体。而影响真空击穿的因素很多,譬如触发针几何形状和大小、间隙的大小、材料、老炼作用、操作条件和真空度等。这里主要考虑两个因素,即材料和间隙。主电极材料主要是铜,已知铜在真空中与绝缘强度(间隙为1mm) 的关系为42kV/ mm, 触发间隙0.5mm ,所以为有效触发TVS ,可以估计触发脉冲电压峰值应达到21kV 左右。
实验系统采用的是LC振荡电路,如图3 所示。
C 为组合脉冲电容器,23614mF ;L 为电感,4614μH ,故主回路震荡周期T = 2π根号下LC = 20ms。TVS 按照正极性接线方式,即带触发极的主电极接地,做主阴极,而另外的主电极接回路中电容的正极。触发极接触发系统的输出。实验时从不加续流到高能量的续流连续可调,改变触发电流,观察TVS 在不同的脉冲下的开通特性。
图3 实验系统
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