[發明專利]一種金屬基石墨烯薄膜陰極氣體火花開關

有效

• 申請號: 201810503670.3
• 申請日: 2018-05-23
• 公開（公告）號: CN108539581B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 王剛;蘇建倉;張喜波;劉勝;王俊杰;潘亞峰;王利民;孫旭;樊旭亮
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: H01T2/02
• 分類號: H01T2/02;H01T1/22
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

本發明的一種金屬基石墨烯薄膜陰極氣體火花開關，屬于脈沖功率技術領域。開關包括金屬基石墨烯薄膜陰極、絕緣氣體、金屬陽極、開關腔體四個部分。開關整體為軸對稱形式，金屬基石墨烯薄膜陰極是在金屬陰極表面通過化學氣相沉積法生長石墨烯薄膜構成。金屬陰極和金屬陽極均為布魯斯形狀，金屬基石墨烯薄膜陰極和陽極的間隙距離可以調節，絕緣氣體種類和壓強可以改變，開關金屬基石墨烯薄膜陰極左側與脈沖功率裝置連接，開關金屬陽極右側與脈沖功率裝置連接。本發明應用于脈沖功率裝置中，氣體火花開關工作電壓為百千伏級，解決了氣體火花開關擊穿電壓分散性大的問題，兼顧開關結構簡單的同時，提高了開關的可靠性，保證了脈沖功率裝置的穩定運行。

技術領域

本發明屬于脈沖功率技術領域，涉及一種金屬基石墨烯薄膜陰極氣體火花開關。

背景技術

在脈沖功率技術領域，開關技術具有特殊重要的地位。它不僅決定了脈沖功率裝置的輸出特性，甚至是脈沖功率系統成敗的關鍵。其中，氣體開關具有耐壓高、通流大、結構簡單的特點，應用廣泛；但這種開關工作的穩定性較差，重復頻率較低，很難滿足高重頻、高穩定工作場合的要求。前人的研究成果總結了氣體開關電極材料、電場分布、表面形貌、氣體狀態、電壓種類等因素對擊穿特性的影響規律，對氣體開關工作機制的認識取得了突破性進展。

在電極材料方面，羅維熙等人研究認為石墨作為大電流開關電極，從靜態自擊穿電壓穩定性和絕緣子壽命均顯著優于金屬(不銹鋼、鎢銅合金、銅合金)電極；石墨電極在稍不均勻場下，開關間距5mm，干燥空氣壓力0.25MPa時，平均自擊穿電壓為43.6kV，相對標準偏差為1.28％。文獻調研發現，關于納米材料電極的氣體開關研究甚少。而碳納米材料在真空電子發射應用中，具有明顯的發射穩定性優勢。90年代發現的碳納米管在場發射領域表現出極大的應用價值，其場致發射電流是傳統場致發射材料(如金剛石)的千倍以上，單根CNT發射電流密度已經達到10⁷A/cm²。2004年發現的明星材料石墨烯，因其超級優異的光學、電學、力學、熱學特性，同時具有極高的長徑比和更多的發射邊緣，理論上應該有更好的場發射性能。而將石墨烯材料應用于強流電子發射陰極和氣體開關中的研究未見報道。

發明內容

本發明的目的是：為解決高壓氣體火花開關擊穿電壓分散性大的問題，提出了一種金屬基石墨烯薄膜陰極氣體火花開關。

本發明的技術方案是提供一種金屬基石墨烯薄膜陰極氣體火花開關，包括開關腔體、填充在開關腔體內部的絕緣氣體及位于開關腔體內部的開關陰極與開關陽極；

其特殊之處在于：

上述開關陰極與開關陽極均為Bruce截面電極(布魯斯電極)，分別固定在開關腔體的相對兩個壁上；

上述開關陰極為金屬基陰極，其表面沉積n層石墨烯薄膜，其中n≥1，具體通過化學氣相沉積法生長石墨烯薄膜。

石墨烯薄膜是一種由碳原子組成的六角形蜂窩狀二維結構，優選地，每層石墨烯薄膜的厚度小于1nm，1≤n≤5，且每層石墨烯薄膜覆蓋金屬基陰極表面的覆蓋率達50％以上。

優選地，上述開關腔體包括外筒及設置在外筒兩開口端的左側絕緣支撐板及右側絕緣支撐板；開關陰極與左側絕緣支撐板同軸配合，外側通過左側電極固定環固定；開關陽極與右側絕緣支撐板同軸配合，外側通過右側電極固定環固定，外筒的厚度選擇由開關內絕緣氣體的壓力大小決定。

優選地，左側絕緣支撐板及右側絕緣支撐板中心位置開有與開關陰極和開關陽極底座匹配的通孔；開關陰極和開關陽極的底座分別穿過通孔固定在左側絕緣支撐板及右側絕緣支撐板上。

優選地，外筒與左側絕緣支撐板及右側絕緣支撐板之間、左側絕緣支撐板及右側絕緣支撐板與開關陰極、開關陽極之間均設有絕緣密封圈，絕緣密封圈將開關腔體內側絕緣氣體與外界隔離。