真空觸發開關(TVS)的觸發和實驗系統
真空觸發開關(TVS)的觸發針的主要材料為鎢,它具有沸點高、耐燒蝕、陰極斑點電流大的特點。從宏觀上看,觸發針和陰極間留有約0.5mm 的真空小間隙(從表1 結構參數計算可得(6-5)/2 =0.5) ,正是觸發脈沖的放電通道。從微觀上看,觸發針表面是凹凸不平的,并且有許多微小尖峰存在。因此,當觸發針引入高壓脈沖時,電場將集中于某些尖峰的端部,在端部形成極高的電場,引起電子發射。盡管電子電流很小,由于尖峰的截面積極小,約為10-8mm2,所以電流密度可達105A·mm-2～106A·mm-2 。當發射電流流過這些尖峰時,會使它們發熱、熔化和蒸發出大量金屬蒸氣。當電子穿過金屬蒸氣云時,使金屬原子電離而引起擊穿。
觸發脈沖產生電路如圖2 所示,采用了高壓擊穿和能量續流的辦法。T2 是脈沖變壓器,產生一個負的高壓脈沖,脈沖前沿在35μs 左右。C1 是脈沖成形電容,C2 是脈沖續流電容,SCR 是可控硅。試驗時將D1D2 并聯構成全波整流,變壓器T1 接自耦調壓器,可以連續調節C1C2 的充電電壓,改變輸出脈沖峰值和續流能量。當C1 = 1000μF 且充電150V時,回路輸出空載脈沖電壓峰值在-20kV 左右。
圖2 觸發脈沖電路
觸發極擊穿的過程產生大量的初始等離子體。而影響真空擊穿的因素很多,譬如觸發針幾何形狀和大小、間隙的大小、材料、老煉作用、操作條件和真空度等。這里主要考慮兩個因素,即材料和間隙。主電極材料主要是銅,已知銅在真空中與絕緣強度(間隙為1mm) 的關系為42kV/ mm, 觸發間隙0.5mm ,所以為有效觸發TVS ,可以估計觸發脈沖電壓峰值應達到21kV 左右。
實驗系統采用的是LC振蕩電路,如圖3 所示。
C 為組合脈沖電容器,23614mF ;L 為電感,4614μH ,故主回路震蕩周期T = 2π根號下LC = 20ms。TVS 按照正極性接線方式,即帶觸發極的主電極接地,做主陰極,而另外的主電極接回路中電容的正極。觸發極接觸發系統的輸出。實驗時從不加續流到高能量的續流連續可調,改變觸發電流,觀察TVS 在不同的脈沖下的開通特性。
圖3 實驗系統
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