本文介紹了一種新型大電流脈沖調(diào)制器件———雙間隙偽火花開關(guān)，它利用介電材料沿面放電進(jìn)行觸發(fā)，雙間隙導(dǎo)通脈沖大電流，可以用來調(diào)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(jī)械性能，解決了觸發(fā)單元成品率較低的問題，實(shí)現(xiàn)了雙間隙偽火花開關(guān)的產(chǎn)品化。

　　偽火花開關(guān)(Pseudospark　Switches，簡稱PSS管)，是一種處于帕邢曲線左支的低氣壓、冷陰極氣體放電開關(guān)器件，具有預(yù)熱時間短、電極結(jié)構(gòu)與使用電路簡單、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)。PSS管極間氣體擊穿時間短(<10ns)、脈沖電流大(>100kA)、可承受100%的陽極反向電流，適用于單次大電流放電(>10C/次)、大電容(數(shù)百微法)脈沖放電、短路脈沖放電等大功率脈沖調(diào)制應(yīng)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關(guān)典型電極結(jié)構(gòu)圖。

圖1　雙間隙偽火花開關(guān)典型電極結(jié)構(gòu)圖

1、偽火花開關(guān)觸發(fā)單元的工作機(jī)理

　　偽火花開關(guān)的觸發(fā)單元主要用于控制空心陰極效應(yīng)的產(chǎn)生，從而完成對開關(guān)的點(diǎn)火。當(dāng)在觸發(fā)單元上施加脈沖電壓時，可將空心陰極內(nèi)部的氣體電離到一定程度，并形成初始的等離子體分布，在陽極滲透到空心陰極內(nèi)的驅(qū)動電場作用下，這些等離子體作為電離源在空心陰極內(nèi)部產(chǎn)生大量的高能二次電子，空心陰極效應(yīng)得以產(chǎn)生，并為開關(guān)導(dǎo)通脈沖大電流提供足夠的載流子。產(chǎn)品化的偽火花開關(guān)，其觸發(fā)單元通�？煞譃閮煞N工作類型：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)的偽火花開關(guān)具有開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、使用電路通用、可適性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且在開關(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(zhuǎn)移量大于10C)的應(yīng)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(yīng)。當(dāng)Ut超過一定閾值(通常為1kV左右)時，就會把材料附近的氣體(氫氣)擊穿，并產(chǎn)生具有一定濃度的等離子體，以供應(yīng)偽火花開關(guān)形成空心陰極效應(yīng)。由于沿面放電的閾值電壓遠(yuǎn)小于氣體的帕邢擊穿電壓，因此該方式具有觸發(fā)電壓低、放電延遲時間短、觸發(fā)脈沖電流大等優(yōu)點(diǎn)。

　　根據(jù)相關(guān)研究，觸發(fā)空心陰極效應(yīng)所需的初始等離子體濃度應(yīng)不小于10⁹/cm³，而對作者所設(shè)計的偽火花開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觸發(fā)脈沖電流峰值不小于90A時，開關(guān)才能正常進(jìn)行陽極著火。

　　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)才能完成開關(guān)的陽極著火，這將限制偽火花開關(guān)的應(yīng)用范圍(通常的閘流管觸發(fā)電壓小于2kV 即可實(shí)現(xiàn)陽極著火)。

　　開關(guān)中用于沿面放電的介電材料其尺寸都較小，若通過減小沿面長度來降低表面電阻，將會大大降低觸發(fā)單元的壽命，還影響到開關(guān)的工作穩(wěn)定性。在介電材料中摻入導(dǎo)電相進(jìn)行混合燒結(jié)，可以有效的降低介電材料的表面電阻，同時還不會改變其耐高溫、耐轟擊、機(jī)械強(qiáng)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關(guān)陽極著火性能，因此對其介電材料的研究是目前的一個重點(diǎn)。國內(nèi)曾就半導(dǎo)體氧化鋅以及陶瓷材料的沿面放電觸發(fā)偽火花開關(guān)進(jìn)行過相關(guān)研究，但是未見在產(chǎn)品化的偽火花開關(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(yīng)用于其TP系列偽火花開關(guān)中。

　　作者在前期工作中就氮化鋁-石墨混合燒結(jié)而成的介電材料進(jìn)行過相關(guān)研究，并將其應(yīng)用于偽火花開關(guān)中進(jìn)行放電測試，證明了此材料具有優(yōu)異的觸發(fā)著火性能，適用于產(chǎn)品化的偽火花開關(guān)。當(dāng)混合介電材料沿面放電觸發(fā)開關(guān)時，氮化鋁作為絕緣基底，可以控制電流不在材料內(nèi)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(dǎo)電相，使得材料表面得以通過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。宏觀上表征為一定比例的導(dǎo)電相與絕緣基底混合后，可以顯著地調(diào)節(jié)材料的表面電阻值，從而降低沿面放電觸發(fā)偽火花開關(guān)時所需的電壓與能量。但是，由于氮化鋁與石墨的高溫結(jié)合性能較差，在氮化鋁-石墨混合燒結(jié)材料的制作過程中，要使電阻值與機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定要求，其成品率將維持在較低水平。作者期望通過改變絕緣基底與導(dǎo)電相材料，在不影響觸發(fā)性能的同時對上述問題進(jìn)行改進(jìn)，因此提出了兩種具有良好機(jī)械強(qiáng)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關(guān)結(jié)構(gòu)中分別進(jìn)行了觸發(fā)著火測試分析。

3、結(jié)論

　　(1)本文所設(shè)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(dǎo)通脈沖大電流，可以用來調(diào)制不低于50kV、50kA的脈沖，其陽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(jī)械性能的AlN-SiC材料具有與AlN-C材料相當(dāng)?shù)挠|發(fā)性能，解決了產(chǎn)品化偽火花開關(guān)的觸發(fā)單元成品率低的問題。