[發明專利]低電壓降的交叉場氣體開關及操作方法

在審

• 申請號: 201811301165.7
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109994361A
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: T.J.索默雷爾;D.J.史密斯;J.D.邁克爾;S.C.阿塞托;K.E.馬夸;J.F.特羅特;J.E.勞勒;W.N.G.希徹恩
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司;威斯康星舊生研究基金會
• 主分類號: H01J37/32
• 分類號: H01J37/32
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 蔡宗鑫;譚祐祥

一種氣體開關包括陽極和與陽極間隔開的陰極，其中陰極包括導電表面。氣體開關還包括布置成生成磁場的多個磁體以及定位在陽極與陰極之間的控制網柵，所述磁場在距離開關軸線一定徑向距離處在導電表面的部分上限定環形路徑。在操作中，控制網柵布置成形成陽極與陰極之間的導電的等離子體，其中在導電的等離子體的存在下，陽極與陰極之間的電壓降小于150伏，且其中導電的等離子體形成環繞環形路徑的陰極斑點。

關于聯邦政府資助研發的聲明

本發明在能源部的能源先進研究項目局授予的合同號DE-AR0000298的政府資助下完成。政府在本發明中有一定權利。

技術領域

本公開內容的領域大體上涉及低電壓降的交叉場氣體開關，且更具體地涉及在其操作期間經歷氣體開關的陽極與陰極之間的低正向電壓降的交叉場氣體開關。

背景技術

交叉場氣體開關(諸如平面交叉場氣體開關)是已知的。常規上，這些開關包括由氣密室內包封的電極組件，諸如與陽極間隔開的陰極。氣密室填充有可電離的氣體，且電壓被施加到設置在陽極與陰極之間的控制網柵以在它們之間引發等離子體路徑。開關可在施加到陽極的輸入電壓的存在下操作，以在陽極與陰極之間傳導大電流。可通過反向偏置控制網柵來終止等離子體路徑，使得從陽極流至陰極的電流由控制網柵(和所附電路)引出。因此，在輸入電壓和導電的等離子體的存在下，裝置作用為氣體填充的開關，或“氣體開關”。

與至少一些已知的開關相關聯的缺陷包括導電期間在陽極與陰極之間的較大正向電壓降。確切地說，許多常見的氣體開關在陽極與陰極之間的間隙中經歷幾百伏的電壓降。此電壓降的大部分在陰極的導電表面處或附近經歷，在大多數情況下導致陰極導電表面的熱損失和燒蝕或“濺蝕”。在導電模式中，濺蝕往往會使氣體開關的使用壽命，諸如，例如，縮短至大約數小時或數天。因此，常規氣體開關對于在可靠性、成本和壽命周期是重要考慮因素的電力系統中的大規模、長期的實施往往是不可行的。

在操作期間經歷氣體開關的陽極與陰極之間的低正向電壓降的交叉場氣體開關因此是期望的，具體而言，其中在陽極與陰極之間的正向電壓降足夠低，以將裝置的壽命延長到幾年，而非如上文所述的幾小時或幾個月。不會生成大量多余的熱且不需要較大的熱沉設備的氣體開關也是期望的。

發明內容

一方面，提供了一種圍繞開關軸線布置的氣體開關。氣體開關包括陽極和與陽極間隔開的陰極，其中陰極包括導電表面。氣體開關還包括被布置來生成磁場的多個磁體，磁場的至少一部分在距離開關軸線一定徑向距離處基本上平行于導電表面的一部分延伸，其中磁場在該徑向距離處在導電表面的一部分上限定閉合環形路徑。氣體開關還包括定位在陰極與陽極之間的第一網柵，其中第一網柵限定包含可電離氣體的網柵與陰極間的間隙。此外，氣體開關包括定位在第一網柵與陽極之間的第二網柵，其中第二網柵限定網柵與陽極間的間隙。在操作中，第二網柵布置成接收偏壓來形成陽極與陰極之間的導電的等離子體，其中在導電的等離子體的存在下，陽極與陰極之間的電壓降小于150伏，且其中導電的等離子體形成環繞環形路徑的陰極斑點。

另一方面，提供了一種圍繞開關軸線布置的氣體開關。氣體開關包括陽極和與陽極間隔開的陰極，其中陰極包括導電表面。氣體開關還包括被布置來生成磁場的多個磁體以及定位在陽極與陰極之間的控制網柵，磁場在距離開關軸線一定徑向距離處在導電表面的部分上限定環形路徑。在操作中，控制網柵布置成在陽極與陰極之間形成導電的等離子體，其中在導電的等離子體存在時，陽極與陰極之間的電壓降小于150伏，且其中導電等離子體形成在大于0.1千赫茲的頻率下環繞環形路徑的陰極斑點。