一种可实现多次开关动作的金属丝阵开关

摘要

本发明公开了一种可实现多次开关动作的金属丝阵开关，包括第一连接端、填充气体、外壳、第二连接端、N个金属丝阵和N+1个接丝金属片。N个金属丝阵和N+1个接丝金属片均置在外壳内，N+1个接丝金属片间隔设置，相邻的两个接丝金属片之间设有金属丝阵，外壳两端中心开有通孔，第一连接端一端伸入外壳一端的通孔与位于端部的接丝金属片连接，另一端与外电路连接；第二连接端一端伸入外壳另一端的通孔与位于端部的接丝金属片连接，另一端与外电路连接；在外壳内填充有填充气体。本发明结构紧凑、重量轻、尺寸小，可在数微秒时间内实现多次开关动作，且开关动作时间可控，并具有陡化电流电压脉冲前沿的作用，可应用于脉冲发生系统中产生多脉冲输出。

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域中的开关技术，具体涉及一种可实现多次开关动作的金属丝阵开关。

背景技术

脉冲功率技术是研究高电压、大电流、高功率、短脉冲的产生与应用的一门新兴科学技术，在近50年中全世界范围内得到了迅猛发展。脉冲功率技术是电工技术领域里的一个分支，因其本身所拥有的应用潜力，脉冲功率技术在粒子加速器、雷达发射、等离子体物理、大功率激光器、高功率微波、电磁驱动、强电磁脉冲辐射、金属电磁成型、X射线照相、食品消毒、除尘防垢等军事、工业、医疗、科研领域的应用十分广泛。开关技术是脉冲功率技术的主要瓶颈之一。在现代化军事、工业和医疗领域应用中的脉冲功率系统对开关性能要求越来越高，传统的气体火花隙开关很难适用。大多数高重复频率脉冲功率发生器的工作参数由开关决定，任何开关技术的进展都可能带来脉冲功率输出水平的提高。

脉冲功率系统应用于X射线照相、食品消毒和非接触探测等民用领域，需要产生多次脉冲完成连续拍照、多次消毒和多次探测工作任务。可产生多个脉冲输出的脉冲功率系统要求开关在极短时间内进行多次开关动作。同时为降低对应用场地的要求和方便系统装卸与运输，对开关提出了小型化、轻量化设计要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现多次开关动作的金属丝阵开关，结构紧凑、重量轻，可在数微秒时间内实现多次开关动作，且开关动作时间可控，并可对电流电压的脉冲前沿进行陡化。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种可实现多次开关动作的金属丝阵开关，包括第一连接端、填充气体、外壳、第二连接端、N个金属丝阵和N+1个接丝金属片，N≥1。

其中N个金属丝阵和N+1个接丝金属片均置在外壳内，N+1个接丝金属片间隔设置，相邻的两个接丝金属片之间设有金属丝阵，并连接，外壳两端中心开有通孔，第一连接端一端伸入外壳一端的通孔与位于端部的接丝金属片连接，另一端与外电路连接；第二连接端一端伸入外壳另一端的通孔与位于端部的接丝金属片连接，另一端与外电路连接；在外壳内填充有填充气体。

所述金属丝阵包括若干条并联的金属丝，若干金属丝以外壳的中心轴线为中心、平行于外壳的中心轴线呈环形均匀分布，同一个金属丝阵内的金属丝长度相同，不同金属丝阵内的金属丝数量和长度各不相同，通过设计金属丝的数量和长度有效控制各次开关动作时间。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)结构紧凑、重量轻、尺寸小，有利于系统的小型化、轻量化设计。

(2)可在数微秒时间内实现多次开关动作。

(3)开关动作时间可控。

(4)具有陡化电流电压脉冲前沿的作用。

附图说明

图1为本发明一种可实现多次开关动作的金属丝阵开关的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明利用多根金属丝并联组成金属丝阵，用多个串联的金属丝阵2作为开关，可在数微秒时间内实现多次开关动作，可通过设计每个金属丝阵中金属丝的数量和长度有效控制各次开关动作时间，结构紧凑、重量轻、尺寸小，并具有陡化脉冲前沿的作用，适合应用于需要微秒级别多次开关动作的电路系统中，也可配合电感储能元器件应用于脉冲发生系统中用以产生多脉冲输出。

结合图1，一种可实现多次开关动作的金属丝阵开关，包括第一连接端1、填充气体3、外壳5、第二连接端6、N个金属丝阵2和N+1个接丝金属片4，N≥1；

其中N个金属丝阵2和N+1个接丝金属片4均置在外壳5内，N+1个接丝金属片4间隔设置，相邻的两个接丝金属片4之间设有金属丝阵2，并连接，外壳5两端中心开有通孔，第一连接端1一端伸入外壳5一端的通孔与位于端部的接丝金属片4连接，另一端与外电路连接；第二连接端6一端伸入外壳5另一端的通孔与位于端部的接丝金属片4连接，另一端与外电路连接；在外壳5内填充有填充气体3。所述第一连接端1一端伸入外壳5后，两者连接处做密封处理；所述第二连接端6一端伸入外壳5后，两者连接处做密封处理。

考虑电流在金属丝表面存在趋肤效应，会使得金属丝的电爆炸过程不稳定，因此使用多根直径小于0.2毫米的金属丝并联组成金属丝阵2，并在金属丝阵2两端连接金属片，作为金属丝阵基本单元。

金属丝阵2电爆炸开关过程经历时间小于1微秒，N个金属丝阵2可在数微秒时间内实现多次开关动作。因电爆炸过程十分迅速，电路中的电压和电流经历突变，可陡化电流电压脉冲的前沿。

两个相邻金属丝阵2中间公用一个接丝金属片4，可减小金属丝阵开关体积和重量，使其结构紧凑。在外壳5中填充氮气或六氟化硫等绝缘气体，有利于提高开关断开时的断路阻抗，进一步陡化脉冲前沿。

所述金属丝阵2包括若干条并联的金属丝，若干金属丝以外壳5的中心轴线为中心、平行于外壳5的中心轴线呈环形均匀分布，同一个金属丝阵2内的金属丝长度相同，不同金属丝阵2内的金属丝数量和长度各不相同，通过设计金属丝的数量和长度有效控制各次开关动作时间。

根据金属丝电爆炸的电阻率—比作用量模型和能量守恒定律，可推导得到以下方程组：

式中g为比作用量，j为电流密度，I为电流大小，n为金属丝根数，L为金属丝长度，d为金属丝直径，ρ为电阻率，ρ₀为金属丝固态初始电阻率，ρ₁为金属丝熔化点电阻率，ρ₂为金属丝液态初始电阻率，ρ₃为金属丝汽化点电阻率，g₁为金属丝熔化点比作用量，g₂为金属丝汽化点比作用量。当金属丝阵开关的金属丝材料选定时，金属丝的ρ₀、ρ₁、ρ₂、ρ₃、g₁和g₂参数均可查询材料参数得到；当已知金属丝阵开关的工作电路时，电路中的电流大小I可根据电路特性分析得到；考虑电流在金属丝表面存在趋肤效应，选取金属丝直径小于0.2毫米。根据所需金属丝阵开关时间t，利用方程组(1)确定设计所需的金属丝根数n和长度L，即可实现对各次开关动作时间的有效控制。

所述第一连接端1、第二连接端6为导电材料(如铜、铁和铝等)，可直接导线连接或焊接连接应用电路。

所述填充气体3为绝缘气体(如氮气和六氟化硫等)，利于提高开关断开时的断路阻抗，进一步陡化脉冲前沿。

所述外壳5为具有良好闭气性能和绝缘性能的材料(橡胶和玻璃等)。

工作过程：当第一连接端1和第二连接端6连接的外电路开始工作后，高密度电流流过金属丝阵开关时，能量在金属丝阵2上以热能形式迅速积累，金属丝阵2中的金属丝随之升温；第一级金属丝阵升温最快，同时最早经过固态加热、熔化、液态加热、汽化为气态的物理变化过程，电阻率不断增大，之后金属丝部分汽化材料和临近空气气体分子电离成分共同形成了等离子体并迅速膨胀，金属丝电阻率陡然增大，形成电爆炸切断现象，使得电路第一次断开；随着金属丝阵上的能量继续累积，汽化的第一级金属丝阵被继续加热，金属汽体发生电离，在电弧和金属等离子体的作用下，后级金属丝阵仍未被加热到汽化爆炸阶段，整个金属丝阵开关呈低电阻状态，电路第一次闭合，电路重新导通；随着第二级金属丝阵上的能量继续累积，第二级金属丝阵同样经过固态加热、熔化、液态加热、汽化并发生电爆炸现象，电路第二次断开；随着金属丝阵上的能量继续累积，汽化的第二级金属丝阵被继续加热，金属汽体发生电离，电弧和金属等离子体的作用下，后级金属丝阵仍未被加热到汽化爆炸阶段，整个金属丝阵开关呈低电阻状态，电路第二次闭合；以此类推，一种可实现多次开关动作的金属丝阵开关中串联N个金属丝阵2，即可产生N次完整开关动作。填充气体3保证金属丝间绝缘隔离，提高金属丝阵开关断开时的断路阻抗，进一步陡化脉冲前沿。接丝金属片4保证同一个金属丝阵2中的多根并联金属丝的两端处于同一电势位，提高金属丝阵开关多次开关动作的稳定性。