球隙火花开关的实验研究

摘要

球隙火花开关作为一种高压大电流的开关装置广泛地应用到各种高能量脉冲器件中，这种高能脉冲系统要求开关必须能工作在高电压、高重复频率、低抖动、低时延的状态。本文主要研究了影响三电极球隙火花开关放电特性的因素及其规律。
　　 论文首先以汤森德放电和流注机制为理论基础，对三电极球隙火花开关放电机理做了初步的理论分析，认为主间隙的击穿是导致开关闭合的主要原因，而触发间隙的击穿并不起主要作用，但是主间隙和触发间隙击穿的先后会影响球隙开关闭合的快慢，即对建立时间造成很大影响。由此出发，推导出了球隙开关建立时间的数学模型，并模拟了不同主间隙条件下，建立时间随工作电压的变化关系。结果表明开关的建立时间随工作电压的变化呈现两个明显区域，当工作电压较小时，建立时间随工作电压的升高下降很快；当工作电压较大时，随着工作电压的继续增大，建立时间下降幅度放缓。随主间隙的增大，该临界电压增大。将计算结果与随后的实验结果进行对比，结果表明该模型计算得到的建立时间和工作电压范围与实际情况虽略有出入，但趋势一致，说明该数学模型是正确的，对设计球隙火花开关具有较大的参考价值。
　　 其次，为了研究各种因素对开关放电特性的影响，设计了一套开关主间隙距离可调、可耐一至四个大气压、气流速度可调的三电极球隙开关及其实验装置。
　　 最后，研究主间隙距离、气压、气流速度以及工作电压对球隙开关放电特性的影响。发现球隙开关随工作电压的不同具有不同的放电模式，慢模式下的放电时间参数随工作电压升高而下降很快，而快模式下的放电时间参数对工作电压并不敏感；随着主间隙距离的增大，开关的建立时间和工作电压范围增大；工作气体压强的增大能大大扩展球隙开关的工作电压范围，虽然其建立时间有所增加，但工作电压接近最大工作电压时，开关的建立时间也能降低至20ns以内，其抖动时间略有增加，因此，增大工作气体压强是小间隙开关承受大电压的有效途径。吹气能有效抑制连击，提高最大工作电压，但抖动时间略有增加。