气体火花开关电极烧蚀研究-论文.pdf

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1、第26卷第1期强激光与粒子束Vol_26，N0．12014年1月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJan．，2014气体火花开关电极烧蚀研究谢昌明，谈效华，杜涛，唐兵华，尚绍环，李蓉，李正林(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621900)摘要：采用Mo，WCu和w分别作为三种气体火花开关的主电极材料，进行放电条件下电极烧蚀实验，研究开关电极烧蚀率和烧蚀形貌，分析电极烧蚀特征。结果表明，Mo，WCu和w开关的主电极烧蚀率分别为3．32×10C_1·m，2．63×10C·m和1．74×10C_。·m，W开关主电极烧蚀率最小。实

2、验后开关的主电极中心烧蚀严重，呈现明显裂纹和烧蚀坑。Mo主电极表面呈现明显熔融态，阴极表面形成大量裂纹(宽度达10m)和孔隙(孔径达10m)；WCu和w主电极表面形成少量圆球状w突起(粒径达20m及以上)。开关外壳内壁沉积了喷溅颗粒。WCu开关外壳沉积颗粒较大(粒径达10m)，Mo开关外壳沉积颗粒居中(粒径为2m)，w开关外壳沉积颗粒最小(近1m)。因此可优先选用具有优异抗烧蚀性能的w作为气体火花开关电极材料。关键词：气体火花开关；电极材料；电极烧蚀；烧蚀率；微观形貌；能谱元素分析中图分类号：TN78文献标志码：Adoi：10．3788／HPLPB20142

3、6．0I5003气体火花开关(GSG)因具有结构坚固、开关电流大、工作电压高、可靠性高、寿命长和环境适应性强等优点，可作为高压脉冲开关广泛应用于多个领域，如高压脉冲发生器、航空引擎点火及高压设备、激光器和元器件防护等]。在工作过程中，气体火花开关导通时发生电极烧蚀，开关重复工作致使电极状态不断劣化，影响开关的电性能，甚至使开关失效，限制开关的工作寿命_2]。为了提升开关性能和延长开关寿命，研究开关电极烧蚀特性，从而摸索减少电极烧蚀的方法，是当前脉冲功率开关技术中重要的研究课题l3】。从影响电极烧蚀程度的因素出发，国内外专家学者着手于放电条件和电极材料(石墨、

4、钨铜合金、黄铜、不锈钢、铝和钼等)等方面，开展了大量开关电极烧蚀研究。。但鲜有开关性能随电极烧蚀变化规律研究以及电极烧蚀特征与开关性能变化相结合研究的报道。在前期气体火花开关电性能随放电次数变化研究的基础上，为了从微观机制分析开关电极烧蚀特征，本文开展了气体火花开关在放电条件下的电极质量变化和电极烧蚀形貌研究，分析钼、钨铜合金和钨三种电极材料的烧蚀特征，探索抗烧蚀性能优异的电极材料，找寻减弱电极烧蚀的方法。1实验方法1．1实验装置C气体火花开关电极烧蚀实验装置如图1所示，由测试电源、电容、示波器、高压探头、Ro—gowski线圈和气体火花开关组成。气体火花开

5、关由阳极、阴极、触发极及外壳组成，通过将开关置于真空腔体中来保证气氛和气压。电极接线通过腔体引出与其它设备相连，测试电源为开关提供工作电压及触发脉冲。开关主电极包括阳极和阴极，并且阳、阴极使用同种材料制成。分别采用Mo，WCu和w作为三组开关主电极材料，其中Fig．1Experimentalset—upusedforGSGelectrodeerosiontest钨铜合金中的钨与铜质量比为90：10，触发极均网1气体火花开关电极烧蚀实验装置示意图由纯钼制成，进行开关电极烧蚀实验。1．2实验条件实验腔体中保持常压氮气环境。开关阳极直径为10mm，阴极直径为15m

6、m，阳、阴极之间的主间距为*收稿日期：201309—04；修订日期：20131015基金项目：国防预研基金项目作者简介：谢昌明(1986)，男，硕士，主要从事高电压电真空技术及材料等方面的研究；changmingxie@126．corn。O15OO3—1强激光与粒子束4mm。于开关阳极加电压4kV，触发脉冲值为4．5kV，储能电容值为1．0F。当每给一次触发脉冲，触发极与阴极间的触发间隙导通，引起阳、阴极间的主间隙导通，完成一次电极放电烧蚀过程，放电电流峰值达3．2kA，放电过程达3Os，计算可得每次放电于阴阳极之间传递的电荷量为0．025C；继续进行，于阳

7、极持续加电压，以每次5S的速度再给触发脉冲，循环进行电极烧蚀实验。1．3开关电极质量变化表征通过电极的质量变化率和烧蚀率来表征电极烧蚀程度。于电极烧蚀实验前后，采用电子天平(MettlerToledoAE240)测试质量。放电实验前后电极质量变化和质量变化率分别可用△和尺来表示，电极烧蚀率为传递单位电荷量条件下在单位面积所引起的电极质量损失率，用E表示。计算公式如下Am—ml—m0(1)R一—×100(2)m0E一(3)m0g式中：m。，m分别为放电实验前后的质量(g)；q为传递电荷量(C)；S为电极正面的表面积(m)；E为电极烧蚀率(C·m)。1．4开关电

8、极和外壳的状态表征通过开关电极的烧蚀形貌来进一步表征