一种用于触发两间隙等离子体喷射装置的电路

摘要

本发明公开了一种用于触发两间隙等离子体喷射装置的电路，包括预电离电路和主放电电路，预电离电路对两间隙等离子体喷射装置的短间隙通道进行预电离，随后主放电电路对短间隙通道放电，形成等离子体的喷射，使两间隙等离子体喷射装置的长间隙通道相继闪络击穿，产生贯穿间隙等离子体喷射装置的闪络通道的长电弧。预电离电路在放电前期对短间隙通道预电离，从而大大地降低了主放电电容器充电电压，可低至1～3kV，增加了整个放电电路的安全性与可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种用于触发两间隙等离子体喷射 装置的电路。

背景技术

以毛细管放电为理论基础的等离子体喷射装置早在40年代就已经开始 了研究，与其他等离子体喷射装置相比，其结构简单，在大气条件下即可产 生等离子体，具有广泛的应用前景。

传统的等离子体喷射装置采用的是金属起爆丝的触发方式，放电时，金 属起爆丝因通过大电流而消融、离解发生电爆炸，从而在毛细管内形成电弧。 采用这种触发方式，虽然可以在较低电压下形成毛细管放电，但是这种触发 方式不能满足重复触发的要求，即每一次触发都需要重新更换金属起爆丝。 同时，传统放电电路中，多使用三电极气体开关控制放电电容器进行放电。 由于气体开关存在误动作的可能，或是多次触发后，气体开关工作性能会发 生改变，从而使得整个系统的工作可靠性与安全性降低。

传统触发方式与触发电路的不足在一定程度上限制了等离子体喷射装置 的应用。因此，需要一种可以在较低放电电压下重复触发形成毛细管放电， 并且避免使用三电极气体开关作为控制开关的新型电路使等离子体喷射装置 满足更广泛的需求。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种用于触发两间隙等离子体喷射装置的电 路，该电路可以在较低放电电压、可靠重复触发两间隙等离子体喷射装置。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于触发两间隙等离子体喷射装置的电路，包括预电离电路和主放 电电路，预电离电路对两间隙等离子体喷射装置的短间隙通道进行预电离， 随后主放电电路对短间隙通道放电，形成等离子体的喷射，使两间隙等离子 体喷射装置的长间隙通道相继闪络击穿，产生贯穿间隙等离子体喷射装置放 电通道的长电弧。

所述预电离电路包括一个脉冲变压器及向其放电的脉冲电容器，该脉冲 变压器的高压输出端与两间隙等离子体喷射装置的高压电极相连接，低压输 出端与两间隙等离子体喷射装置的中压电极相连接；

主放电电路包括一个放电电容，该电容的一端通过磁开关与两间隙等离 子体喷射装置高压电极相连接，另一端与两间隙等离子体喷射装置的低压电 极相连接。

所述的预电离电路中，脉冲电容器向脉冲变压器放电的电路上还设有半 导体开关；脉冲变压器的高压输出端经高压二极管与两间隙等离子体喷射装 置的高压电极相连接，低压输出端与两间隙等离子体喷射装置的中压电极相 连接；

所述的主放电电路还包括放电电阻，放电电阻与两间隙等离子体喷射装 置的长间隙通道并联且一端接地。

所述当预电离电路中的半导体开关导通后，脉冲电容器对脉冲变压器原 边放电，使得脉冲变压器副边产生脉冲高压，施加于两间隙等离子体喷射装 置的短间隙通道，形成短间隙通道的闪络击穿；

预电离电路放电后，待主放电电路的磁开关饱和，放电电容器经饱和磁 开关、短间隙通道、放电电阻进行放电，形成对短间隙通道电弧的续流；此 时，短间隙通道流过大的电流，形成等离子体的喷射，从而使得长间隙通道 相继闪络击穿，形成贯穿整个间隙通道的长电弧。

所述磁开关在饱和前的电感值远大于饱和后的电感值。

所述磁开关在饱和前的电感值为10～50mH，饱和之后的电感值为200～ 800nH。

所述的放电电阻在放电起始阶段作为分压电阻使用；在短间隙通道闪络 击穿后，放电电阻作为限流电阻使用。

所述预电离电路在放电前期对短间隙通道预电离，使得放电电容器充电 电压极大地得到了降低，充电电压为1～3kV。。

所述的预电离回路中，脉冲放电电容器的容量为5～50μF，充电电压为 300~1000V，脉冲变压器的输出电压为10～50kV。

所述的主放电电路中，放电电容器的容量为100～500uF，充电电压为1～ 3kV；放电电阻的阻值为2~10Ω。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的用于触发两间隙等离子体喷射装置的电路，由于预电离电 路在放电前期对短间隙通道预电离，使得放电电容器充电电压极大地得到了 降低，可低至1～3kV，从而增加了整个放电电路的安全性与可靠性。

本发明提供的用于触发两间隙等离子体喷射装置的电路，区别于以往传 统的等离子体喷射装置触发电路，实现了可靠重复触发两间隙等离子体喷射 装置的目的；传统的等离子体触发电路弧道能量沉积率只有30%左右，本发 明大大地提高了弧道的能量沉积，沉积率达到60%以上，使得能量得到了更 好地应用。

附图说明

图1是两间隙等离子体喷射装置结构示意图；

图2是两间隙等离子体喷射装置触发电路示意图；

图3是等离子体喷射装置放电电流波形图；

图4是使用高速摄影仪拍摄得到的等离子体喷射装置喷射效果图。

图中1是产气材料；2是等离子体喷口；3、8是低压电极；4、5是绝缘 套管；6是中压电极；7是高压电极。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。

本发明提供用于触发两间隙等离子体喷射装置的电路，所述的两间隙等 离子体喷射装置具有以图1所示的来进行说明，等离子体喷射装置包含高压 电极、中压电极和低压电极，中压电极将闪络通道分为短间隙通道和长间隙 通道两部分。图中3、8是低压电极；4、5是绝缘套管；6是中压电极；7是 高压电极。

用于触发两间隙等离子体喷射装置的电路，包括预电离电路和主放电电 路，预电离电路对两间隙等离子体喷射装置的短间隙通道进行预电离，随后 主放电电路对短间隙通道放电，形成等离子体的喷射，使两间隙等离子体喷 射装置的长间隙通道相继闪络击穿，产生贯穿间隙等离子体喷射装置的闪络 通道的长电弧。

具体的，预电离电路包括一脉冲个变压器及向其放电的脉冲电容器，该 变压器的高压输出端与两间隙等离子体喷射装置的高压电极相连接，低压输 出端与两间隙等离子体喷射装置的中压电极相连接；

主放电电路包括一个放电电容器，该放电电容器的一端通过磁开关与两 间隙等离子体喷射装置高压电极相连接，另一端与两间隙等离子体喷射装置 的低压电极相连接。

进一步，参见图2，预电离电路包括脉冲电容器、半导体开关、脉冲变 压器和高压二极管。脉冲电容器向脉冲变压器放电，在脉冲电容器向脉冲变 压器放电的电路上还设有半导体开关；脉冲变压器高压输出端经高压二极管 与等离子体喷射装置高压电极相连，低压输出端与等离子体喷射装置中压电 极相连；

主放电电路包括放电电容器、磁开关和放电电阻。放电电容器磁开关与 等离子体喷射装置高压电极相连，放电电阻与长间隙间隙通道并联且一段接 地。其中放电电阻在放电起始阶段作为分压电阻使用；在短间隙通道闪络击 穿后，放电电阻作为限流电阻使用。

图2中，C2为脉冲电容器，容量为5~50μF，充电电压为300~1000V； SCR1为半导体开关；T为脉冲变压器，输出电压为10~50kV；D1为高压二 极管，用于保护脉冲变压器，如上所述构成了预电离回路。

C1为放电电容器，容量为100~500uF，充电电压为1~3kV；L为磁开关， 饱和前电感为10~50mH，饱和后电感为200~800nH；R为放电电阻，阻值为 2~10Ω如上所述构成了主放电回路。

触发电路工作时，预电离电路半导体开关先行导通，脉冲电容器对脉冲 变压器原边放电，从而使得脉冲变压器副边产生一脉冲高压，施加于等离子 体喷射装置短间隙通道，形成短间隙通道的闪络击穿；预电离电路放电后， 待主放电电路磁开关饱和，主放电电容器经饱和磁开关、短间隙通道、放电 电阻进行放电，形成对短间隙通道电弧的续流；此时，短间隙通道将流过较 大的电流，形成等离子体的喷射，从而使得长间隙通道相继闪络击穿，形成 贯穿整个间隙通道的长电弧。

图3为等离子体喷射装置放电电流波形，曲线1为回路全电流放电波形， 曲线2为长间隙通道电路波形，曲线3为流过放电电阻R电流波形。在a区 域，预电离电路半导体开关SCR1导通，脉冲电容器C2对脉冲变压器原边 放电，从而在副边产生一脉冲高压，由于磁开关L在此时还未饱和，因而脉 冲高压将全部施加于等离子体喷射装置短间隙通道，短间隙通道随之发生击 穿，使得短间隙通道空气被电离；在b区域，由于短间隙通道空气已被预电 离，因而待磁开关L饱和时，主放电电容器经由饱和磁开关L、短间隙通道、 放电电阻R放电，形成对短间隙通道电弧的续流。此时，短间隙通道流过较 大的电流，形成等离子体的喷射；在c区域，由于短间隙通道形成电弧，形 成了产气材料地消融和等离子体的喷射，待等离子体贯穿整个长间隙通道后， 长间隙通道相继闪络击穿，形成贯穿整个间隙通道的长电弧。

图4为使用高速摄影仪拍摄得到的等离子体喷射装置喷射效果图，每幅 间隔50μs。