[發明專利]一種具有黃金分割型面的觸發電極

有效

• 申請號: 201410136250.8
• 申請日: 2014-04-04
• 公開（公告）號: CN103928843A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 雷開卓;黃建國;黃海;陳建峰;史文濤;何孟兵;張蔚;劉小龍;樊志博
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H01T2/02
• 分類號: H01T2/02;H01H33/664
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

技術領域

本發明涉及一種脈沖功率系統中的觸發電極，尤其是一種基于黃金分割法進行型面設計的觸發電極。

背景技術

脈沖功率技術（Pulsed?Power?Technology）是指將“慢”存儲起來的具有較高密度的能量，進行快速壓縮、轉換或直接以很短的時間釋放能量給負載的物理技術。脈沖功率技術及其應用研究從本世紀70年代末開始以來，發展十分迅速，已在地質勘探、石油解堵、加速器、粒子束、電子束、準分子激光器、體外沖擊波碎石、目標探測等領域取得了不少成果，并引起很多學科領域特別是一些高技術領域的重視。其主要研究和發展方向是：提高電容的儲能密度、研制大功率轉換開關以及產生高重復頻率的大功率脈沖。

觸發開關在脈沖功率系統中占有特殊的地位，這是因為觸發開關的結構、型面、參數和特性對脈沖的上升時間、幅值等性能參數產生最直接、最敏感的影響。同時，觸發開關電極材料在擊穿時的燒蝕情況將會直接影響到開關的性能和使用壽命。因此，具有耐受高電壓強電流、擊穿時延短而分散性小、電感和電阻小、電極燒蝕少且能高重復頻率工作的各種觸發開關的研制，是當前脈沖功率技術中十分重要的研究課題。

在脈沖功率系統中，附圖1所示的雙極板（專利號92649149.7）和附圖2所示的三極板（專利號CN200520118429.7）觸發開關由于其加工簡單、成本低、導通時間短、觸發電壓要求低、工作穩定等優點而被廣泛的應用。但由于觸發開關導通時產生的電流大(峰值電流100kA量級)，引起電極燒蝕嚴重，并導致開關性能變壞、壽命縮短。設計相對優化的電極型面，可以使電極表面放電均勻，防止電弧集中在電極表面的某些地方，從而減小高重復頻率工作或傳輸大庫侖電荷時電極嚴重燒損，提高開關的觸發特性和使用壽命。

常用的觸發開關電極型面主要有球形電極、倒圓角平板電極、等電場面電極等。觸發開關電極型面的極間電場可以簡化為二維旋轉對稱電場來求解，通過有限元法模擬各種型面的高低壓電極間的電場強度分布情況。《高電壓技術》期刊中的“場畸變火花開關電極優化設計及其觸發特性”（Vol.25,No.1,pp.71-74）等文獻研究表明：等電場面電極較其它各種型面電極具有較好的觸發特性和較長的使用壽命。所謂等電場面電極，是其型面設計為適當的形狀，使得高低壓電極型面的中央部分電場均勻分布，且分布范圍最大；而在電極邊沿兩側的電場強度迅速減小，低于電極中央的電場強度。

前已有多種等電場面的電極型面構型，如Rogowski電極和Borda電極。一般的Rogowski電極型面是由兩條曲線段和一條直線段銜接而成，由于這三段曲線組成的電極并不光滑，容易造成在曲線與直線銜接處發生電弧放電，且直線段長度的選取具有一定的隨意性。《激光與光電子學》期刊中的“新型Rogowski電極的設計及分析”（Vol.45,No.10,pp.46-50）和《光學與光電技術》期刊中的“若干放電電極的改進設計與分析”（Vol.5,No.5,pp.35-39）等文章中基于均勻場理論改進了Rogowski電極，但該改進電極的邊緣電場低，不放電，且邊緣尺寸占全電極面積比例較大，電極材料未得到充分的利用，故不是觸發開關的最優電極型面。《高電壓技術》期刊中“環形開關電極優化設計的實驗研究”（Vol.25,No.1,pp.71-74）一文中的Borda電極采用旋轉橢圓近似母線（如附圖3所示），計算時但該電極型面在電極半徑R較小、高低壓電極間距d較大時，直線段l很小，電極的形狀近似球形電極，容易造成燒蝕，影響電極性能及實驗壽命；且極間電場受電極間距的影響較大，因此電極型面設計加工之后，只有在某一特定的電極間距下才能保持等電場分布，當實驗電極間距變化時，需要對電極型面經行二次優化和二次加工，計算費時，加工成本高。

《強激光與粒子束》期刊中“環形開關電極的自動優化設計方法”一文（Vol.18,No.2,pp.333-336）利用電荷模擬法對常用的環形電極電場分布進行了模擬計算，用旋轉橢圓近似法優化電極輪廓外形，用微粒群(PSO)算法對輪廓外形的幾何參數進行了優化選擇，但還是必須反復按照“電場計算→形狀修正→電場計算→形狀修正→…”的過程進行計算來求出最優形狀。并且上述數值計算、優化方法的計算量巨大，必須專業人士采用專業軟件方能完成。

發明內容

要解決的技術問題

針對現有的脈沖功率系統中雙極板和三極板觸發開關電極型面缺點，本發明提出了一種性能優異的具有旋轉電極型面，即黃金分割型面的觸發電極，大幅提高了觸發開關的工作性能和設計效率。

技術方案

本發明的技術方案為：