一种同轴型一体化快放电单元

1.本发明属于快放电脉冲驱动源技术领域，具体涉及一种同轴型一体化快放电单元。


背景技术：

2.脉冲功率驱动源是脉冲功率装置的基础和核心，脉冲功率驱动源技术的提升可以极大的推动脉冲功率技术的发展。目前，驱动源技术应用最为广泛的是marx发生器与快脉冲直线型变压器驱动源(linear transformer driver，简称ltd)。为了回路整体电感的减小，开关自身体积不能太大，且与电容连接的rlc放电回路应足够紧凑。气体开关在脉冲功率中起着至关重要的作用，每一级输出能量应尽可能地大，因此在每一级中使用的气体开关需要尽可能地稳定工作，各级输出脉冲叠加得到快前沿、高幅值的脉冲输出。
3.为减小放电回路电感，目前的研究主要针对开关体积的小型化设计和放电回路的绝缘设计达到缩小放电单元体积的目的，然而单个优化设计方向总是存在瓶颈。同时目前已有实验研究发现，较小的开关抖动在ltd装置中使用时，各回路间的放电抖动会明显增大。针对开关抖动的问题，目前往往采用提高开关工作系数和增加紫外预电离结构的方法，但是在开关抖动减小的同时，开关自放电的概率提高，不利于快前沿、高幅值的脉冲输出，增加紫外与电离结构使开关的小型化设计存在困难。
4.通过改变放电回路的空间结构，优化开关结构设计，同时减小开关工作系数和抖动，缩小开关的绝缘尺寸，对装置的小型化设计和提高稳定性具有十分重要的应用价值。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种同轴型一体化快放电单元，用于解决气体开关在较低工作系数下输出抖动大的技术问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种同轴型一体化快放电单元，包括充电电容器组件，充电电容器组件以气体开关为中心环形连接设置构成同轴结构，气体开关的高压电极与充电电容器组件的高压引出电极连接。
8.具体的，充电电容器组件包括设置在绝缘封装体内的电容器，电容器的顶部设置有电容器上插片，底部对应设置有电容器下插片，高压引出电极设置在电容器上插片的上侧，电容器下插片的下侧设置有低压引出电极，高压引出电极上设置有充电电极，充电电极贯穿高压引出电极与电容器上插片连接。
9.具体的，气体开关包括高压电极，高压电极设置在绝缘筒内，高压电极的上端与高压引出电极连接，高压电极的中心处设置有触发电极，触发电极的下方设置有低压电极，触发电极的上方通过触发引入电极与触发电极绝缘支撑连接。
10.进一步的，高压电极为环形结构，底部为环形圆筒状结构，绝缘筒为环形凹槽结构，分别与高压电极和低压外电极的端面固定连接。
11.进一步的，绝缘筒的底部连接有低压外电极，低压电极设置在低压外电极的中心处，低压电极的边缘位置为倒圆角结构。
12.进一步的，触发引入电极的前段为导体结构，中段为触发针埋于绝缘填料中心的结构，后段连接触发隔离内置电阻，触发引入电极的外侧填充一层导体结构作为触发电极，触发隔离内置电阻的末端引出等离子体微射流电极，等离子体微射流电极连接陶瓷管，从高压电极的中心引出；触发隔离内置电阻的两端分别与触发引入电极的针状结构和等离子体微射流电极电气连接。
13.更进一步的，触发电极为喇叭型结构，与触发引入电极，触发隔离内置电阻以及等离子体微射流电极均通过绝缘填料保持电气绝缘，触发电极底部侧面存在环形圆筒状凹槽，并与高压电极圆心重合。
14.更进一步的，触发电极的底面与低压电极保持平行，触发电极的边缘倒圆角处理。
15.更进一步的，等离子体微射流电极的直径大于陶瓷管的内径。
16.进一步的，触发电极绝缘支撑为套筒型结构，触发引入电极设置在触发电极绝缘支撑的中心处，与高压电极、低压外电极以及绝缘筒构成气体开关密封腔室。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
18.一种同轴型一体化快放电单元，由小型化三电极气体开关和以其为圆心的圆周均布的充电电容器组组成，同轴结构设计减小放电回路电感，开关两间隙电极均平行设计，保证两电场的均匀性，同时在触发引入结构中设计触发隔离内置电阻和等离子体微射流管，在保证开关小型化设计的同时降低开关工作系数和抖动，从而提高脉冲输出的前沿；峰值和稳定性。
19.进一步的，高低压引出电极分别与电容器的上下插片紧密连接，进而与开关电极连接；充电电极与电容器上插片连接，用于装置的高压充电。
20.进一步的，开关由高低压电极与触发极三电极组成，电极间由气体绝缘，构成三电极开关的两个气体放电间隙，高压电极与触发极位于绝缘结构内，组成气体开关的固体外绝缘。
21.进一步的，高压电极设计成对称的环形结构，底端的环形圆筒状结构用于与触发电极构成其中一个放电间隙；绝缘筒的环形凹槽结构用于增大高低压电极之间的爬电距离，增强开关的绝缘能力，上截面与高压电极固定连接。
22.进一步的，低压电极位于中心位置，与低压外电极和绝缘筒连接固定，与触发电极构成另一放电间隙，在边缘处导圆角提高电场的均匀程度，降低放电中的抖动。
23.进一步的，触发引入结构由三段组成，其中前段用于直接与外部触发信号连接；由于开关等离子体微射流结构的引入使得触发脉冲的引入结构与触发电极间保持电气绝缘，因此在中后段中通过引入结构与触发电极之间的绝缘填料实现，；为了减小开关放电对触发脉冲电源的影响以及满足整体结构的小型化设计要求，将隔离电阻内置与引入结构的绝缘填料中，为了减小开关的放电抖动，在后段加入等离子体微射流结构，实现在触发脉冲到达等离子体微射流电极时，在陶瓷管中产生等离子体并膨胀到触发电极与低压电极构成的气体间隙中，使得引入结构与触发电极电气连接，同时产生的等离子体为触发电极与低压电极构成的气体间隙放电提供有效初始电子，显著降低放电发展过程中统计时延部分的抖动。
24.进一步的，触发电极侧面与高压电极组成气体放电间隙，由于高压电极底端的环形圆筒状结构，为了保证电场的均匀性，将触发电极的侧面设计成环形圆筒状凹槽结构，且凹槽的圆心与高压电极底部环形圆筒状结构的圆心重合；由于触发引入结构与触发电极的电气绝缘要求，在触发引入结构的后段中将触发隔离内置电阻和等离子体微射流电极通过绝缘填料与触发电极绝缘。
25.进一步的，为了保证触发电极与低压电极组成放电间隙的电场均匀性，在低压电极边缘处倒圆角的同时，在与其相对的触发电极底部的边缘位置同样做倒圆角处理，所导圆角的圆心位置与低压电极所导圆角的圆心位置重合。
26.进一步的，等离子微射流电极与陶瓷管相接，为了保证在陶瓷管内部等离子体往触发电极与低压电极组成间隙的单方向膨胀，电极半径稍大于陶瓷管内径，且两者之间密封处理。
27.进一步的，触发电极绝缘支撑用于固定触发电极引入结构和确定触发电极的位置，与气体开关的高低压电极和绝缘筒组成密闭腔室。
28.综上所述，本发明结构简单，操作方便，能够实现轴承套圈磨削圆度在线测量。
29.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
30.图1为本发明剖视图；
31.图2为本发明快放电单元中触发引入结构剖视图；
32.图3为本发明快放电单元中开关与圆周均布电容器组位置示意图；
33.图4为本发明快放电单元中开关电极结构图。
34.其中：1.电容器上插片；2.高压引出电极；3.低压引出电极；4.电容器下插片；5.充电电极；6.电容器；7.内侧绝缘封装体；8.外侧绝缘封装体；9.高压电极；10.低压电极；11.低压外电极；12.绝缘筒；13.触发引入电极；14.绝缘填料；15.触发隔离内置电阻；16.等离子体微射流电极；17.陶瓷管；18.触发电极；19.触发电极绝缘支撑。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
39.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
40.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
41.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
42.本发明提供了一种同轴型一体化快放电单元，开关与位于其圆周的充电电容器组件构成同轴结构，气体开关的高压电极由电容器的高压电极引出，电容器以气体开关为中心环形密接均布一周，降低放电回路电感；气体开关包括开关高低压电极；绝缘支撑结构和触发引入结构，开关高压电极与电容器引出高压电极直接连接；高低压电极包括环形和平板结构；触发脉冲引入结构包括触发引入电极；绝缘填料；触发隔离内置电阻和等离子体微射流结构，从高压电极中心位置引出。采用高稳定性同轴型一体化快放电单元在同等储能的条件下可以明显减小模块的设计尺寸和回路电感，同时解决开关在较低工作系数下输出抖动大的问题，增大气体开关工作系数范围，提高装置的使用寿命，在脉冲功率初级储能marx发生器和直线变压器驱动源(ltd)中具有良好的应用前景。
43.请参阅图1和图3，本发明一种同轴型一体化快放电单元，包括气体开关和充电电容器组件，充电电容器组件沿气体开关的圆周均布在气体开关的外侧；气体开关与位于均布其圆周的充电电容器组件构成同轴结构，气体开关的高压电极9由充电电容器组件的高压引出电极2引出，充电电容器组件以气体开关为中心环形均布一周，降低放电回路电感。
44.充电电容器组件包括电容器6，电容器6的顶部设置有电容器上插片1，底部对应设置有电容器下插片4，充电电容器组件6的内侧设置有内侧绝缘封装体7，外侧对应设置有外侧绝缘封装体8，电容器上插片1的上侧设置有z型结构的高压引出电极2，高压引出电极2上设置有充电电极5，电容器下插片4的下侧设置有低压引出电极3。
45.气体开关包括高压电极9、低压电极10、绝缘筒12、触发电极绝缘支撑19、触发引入电极13、绝缘填料14、触发隔离内置电阻15、等离子体微射流电极16、陶瓷管17及触发电极18。
46.高压引出电极2的一端分别连接高压电极9和触发电极绝缘支撑19，高压电极9的
下端经绝缘筒12连接低压外电极11，低压外电极11的中心处设置有低压电极10，低压电极10的上方设置有触发电极18，触发电极18的上端通过触发引入电极13与触发电极绝缘支撑19连接，触发电极18内设置有陶瓷管17，陶瓷管17内设置有等离子体微射流电极16，等离子体微射流电极16上设置有触发隔离内置电阻15。
47.高压电极9为环形结构，底部类似环形圆筒状结构；低压电极10由2个绝缘紧固螺钉固定在低压外电极11的中心，并在边缘位置处倒圆角。
48.绝缘筒12为环形凹槽结构，由上下各4个绝缘紧固螺钉与高低压电极的端面固定。
49.触发电极绝缘支撑19为套筒型结构，中心插入触发引入电极13，两者由触发引入电极端面与绝缘支撑接触位置的绝缘紧固螺钉固定，结构与气体开关高压电极9、气体开关低压外电极11以及环形凹槽结构12构成气体开关密封腔室；触发引入电极13前段为导体结构，中段为触发针埋于绝缘填料14中心的结构，后段接触发隔离内置电阻15，外侧填充一层导体结构，作为触发电极18，电阻末端引出等离子体微射流电极16，等离子体微射流电极16接陶瓷管17。
50.请参阅图2和图4，触发电极18为喇叭型结构，与触发引入电极13；触发隔离内置电阻15以及针状电极16均通过中间的绝缘填料14保持电气绝缘，触发电极18底部侧面存在环形圆筒状凹槽，截面圆弧的圆心与高压电极9底部截面圆弧的圆心重合，触发电极18底面与低压电极10保持平行，在低压电极10边缘倒角位置为圆弧结构；
51.触发隔离内置电阻15的两端分别与触发引入电极13的针状结构和等离子体微射流电极16电气连接；等离子体微射流电极16直径与所述陶瓷管17内径相同；陶瓷管底端与触发电极18端面保持平齐；
52.触发电极18侧面存在环形圆筒状凹槽，圆筒圆心与高压电极9重合。
53.触发电极18底面与低压电极10保持平行，边缘倒圆角处理。
54.触发隔离内置电阻15选用无感高频高压电阻。
55.等离子体微射流电极16粗于陶瓷管17内径，在电极与陶瓷管接触处做密封处理。
56.陶瓷管17由不同外径圆筒结构组成，在触发引入结构的底部陶瓷管半径较小。
57.开关高压电极9与电容器引出高压电极2直接连接。
58.在本发明的一个优选实施例中，由高压电极9、低压电极10和触发电极18构成的两间隙中电场均匀分布，触发电极18与高压电极9的距离为6mm，触发电极18与低压电极10的距离为3mm。
59.触发引入电极13的末端为直径1mm的圆柱形结构。
60.触发隔离内置电阻15的阻值为1kω。
61.等离子体微射流电极16的直径为1mm，长为7mm。
62.陶瓷管17的内径为400μm，长度为1mm，与触发电极18平齐处的外径为1mm。
63.本发明一种同轴型一体化快放电单元的工作原理如下：
64.快放点支路的工作过程为：开关通过气嘴连接气瓶充气，直流源接充电电极5给电容器高压电极1充电，同时外高压电极2与开关高压电极9相连，气体开关的高压电极9也带上相同的高压电位；充电完成之后，触发引入电极13将外部触发信号接入，经触发隔离内置电阻15将触发信号引入等离子体微射流电极16，随后陶瓷管内壁产生电弧通道，加热作用下气体膨胀，将电弧表面等离子体团喷出。喷出的等离子体和陶瓷管内电弧通道连接等离
子体微射流电极16和气体开关的触发电极18，在触发脉冲的作用下触发电极18和开关高压电极9的间隙击穿。随后触发电极18和高压电极9等电位，触发电极18和低压电极10间隙过压击穿。通过电容器高压引出电极2和电容器低压引出电极3引出，作为marx发生器和ltd的基本放电单元。
65.实施例
66.采用本发明的结构设计试制了一个气体开关。
67.触发极与高低压电极间的气体间隙距离分别为6mm和3mm，触发引入结构位于高压电极中心位置，触发引入电极的末端为直径1mm的圆柱形结构，触发隔离电阻阻值1kω，等离子体微射流电极直径1mm，长3mm，陶瓷管内径400μm，在与触发电极平齐处外径1mm。
68.通过开关击穿特性实验，测得开关最低工作系数30％，触发电极与低压电极间隙的击穿抖动小于2ns，能够很好地满足目前脉冲功率装置的要求。
69.综上所述，本发明一种同轴型一体化快放电单元具有以下优点：
70.1、同轴型紧凑结构，放电回路电感小：小型化气体开关和以其为中心的圆周均匀分布充电电容组件构成同轴结构，将触发隔离电阻内置到触发引入结构中，解决元器件外置；可靠性低的同时缩小结构尺寸，在同等储能的条件下可以明显减小模块尺寸和回路电感；
71.2、降低开关击穿抖动，提高放电回路的稳定性：通过优化高低压电极和触发电极的结构，改善两空气间隙电场分布为均匀电场，提高放电发展中形成时延的稳定性；引入等离子体微射流结构，在过压间隙的击穿中，等离子体微射流；射流头部对间隙空间光电离以及电场畸变作用稳定产生有效初始电子，显著降低放电发展中统计时延的抖动；
72.3、能够在较大工作系数范围应用：通过开关电极结构的设计和等离子体微射流结构的引入，使得气体开关能够在较低工作系数下有较稳定的击穿特性，从而在较低工作系数下即能满足应用要求，能够有效提高开关的使用寿命。
73.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种同轴型一体化快放电单元，其特征在于，包括充电电容器组件，充电电容器组件以气体开关为中心环形连接设置构成同轴结构，气体开关的高压电极(9)与充电电容器组件的高压引出电极(2)连接。2.根据权利要求1所述的同轴型一体化快放电单元，其特征在于，充电电容器组件包括设置在绝缘封装体内的电容器(6)，电容器(6)的顶部设置有电容器上插片(1)，底部对应设置有电容器下插片(4)，高压引出电极(2)设置在电容器上插片(1)的上侧，电容器下插片(4)的下侧设置有低压引出电极(3)，高压引出电极(2)上设置有充电电极(5)，充电电极(5)贯穿高压引出电极(2)与电容器上插片(1)连接。3.根据权利要求1所述的同轴型一体化快放电单元，其特征在于，气体开关包括高压电极(9)，高压电极(9)设置在绝缘筒(12)内，高压电极(9)的上端与高压引出电极(2)连接，高压电极(9)的中心处设置有触发电极(18)，触发电极(18)的下方设置有低压电极(10)，触发电极(18)的上方通过触发引入电极(13)与触发电极绝缘支撑(19)连接。4.根据权利要求3所述的同轴型一体化快放电单元，其特征在于，高压电极(9)为环形结构，底部为环形圆筒状结构，绝缘筒(12)为环形凹槽结构，分别与高压电极(9)和低压外电极(11)的端面固定连接。5.根据权利要求3所述的同轴型一体化快放电单元，其特征在于，绝缘筒(12)的底部连接有低压外电极(11)，低压电极(10)设置在低压外电极(11)的中心处，低压电极(10)的边缘位置为倒圆角结构。6.根据权利要求3所述的同轴型一体化快放电单元，其特征在于，触发引入电极(13)的前段为导体结构，中段为触发针埋于绝缘填料(14)中心的结构，后段连接触发隔离内置电阻(15)，触发引入电极(13)的外侧填充一层导体结构作为触发电极(18)，触发隔离内置电阻(15)的末端引出等离子体微射流电极(16)，等离子体微射流电极(16)连接陶瓷管(17)，从高压电极(9)的中心引出；触发隔离内置电阻(15)的两端分别与触发引入电极(13)的针状结构和等离子体微射流电极(16)电气连接。7.根据权利要求6所述的同轴型一体化快放电单元，其特征在于，触发电极(18)为喇叭型结构，与触发引入电极(13)，触发隔离内置电阻(15)以及等离子体微射流电极(16)均通过绝缘填料(14)保持电气绝缘，触发电极(18)底部侧面存在环形圆筒状凹槽，并与高压电极圆心重合。8.根据权利要求6所述的同轴型一体化快放电单元，其特征在于，触发电极(18)的底面与低压电极(10)保持平行，触发电极(18)的边缘倒圆角处理。9.根据权利要求6所述的同轴型一体化快放电单元，其特征在于，等离子体微射流电极(16)的直径大于陶瓷管(17)的内径。10.根据权利要求3所述的同轴型一体化快放电单元，其特征在于，触发电极绝缘支撑(19)为套筒型结构，触发引入电极(13)设置在触发电极绝缘支撑(19)的中心处，与高压电极(9)、低压外电极(11)以及绝缘筒(12)构成气体开关密封腔室。

技术总结
本发明公开了一种同轴型一体化快放电单元，开关与位于其圆周的电容器构成同轴结构，气体开关高压电极由电容器的高压电极引出，电容器以开关为中心环形密接均布一周，降低放电回路电感；气体开关包括开关高低压电极、绝缘支撑结构和触发引入结构，开关高压电极与电容器引出高压电极直接连接；高低压电极包括环形和平板结构；触发脉冲引入结构包括触发引入电极、绝缘填料、触发隔离内置电阻和等离子体微射流结构，从高压电极中心位置引出；本发明在同等储能的条件下减小模块的设计尺寸和回路电感，同时解决开关在较低工作系数下输出抖动大的问题，增大气体开关工作系数范围，提高使用寿命，在脉冲功率初级储能Marx发生器和直线变压器驱动源中具有良好的应用前景。变压器驱动源中具有良好的应用前景。变压器驱动源中具有良好的应用前景。


技术研发人员：陈立 刘彦博 张维森 张峰 魏艺卓 田思彤 张小倩 曹豪杰 袁琪 孙钰博
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/21