一种具有黄金分割型面的触发电极的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种具有黄金分割型面的触发电极，其电极型面为由母线旋转得到的对称面，所述母线采用水平线段和椭圆弧段相切得到，其中母线直线段长度l＝0.618R，母线椭圆弧段的长半轴AL＝0.382R，母线椭圆弧段的短半轴BL＝0.382AL，R为母线半径。实验对比表明采用本发明的黄金分割型面构成的放电电极比Rogowski电极和Borda电极获得的直达波脉冲峰值压力有较大的提高，获得的直达波脉冲宽度窄，脉冲较尖锐；脉冲宽度方差和抖动也较小，表明本发明设计的放电电极等效阻抗和插入损耗小，能有效提高放电效率，获得的脉冲宽度一致性好，放电均匀，能有效提高放电稳定性。
【专利说明】一种具有黄金分割型面的触发电极
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种脉冲功率系统中的触发电极，尤其是一种基于黄金分割法进行型面设计的触发电极。
【背景技术】
[0002]脉冲功率技术(Pulsed Power Technology)是指将“慢”存储起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩、转换或直接以很短的时间释放能量给负载的物理技术。脉冲功率技术及其应用研究从本世纪70年代末开始以来，发展十分迅速，已在地质勘探、石油解堵、力口速器、粒子束、电子束、准分子激光器、体外冲击波碎石、目标探测等领域取得了不少成果，并引起很多学科领域特别是一些高【技术领域】的重视。其主要研究和发展方向是:提高电容的储能密度、研制大功率转换开关以及产生高重复频率的大功率脉冲。
[0003]触发开关在脉冲功率系统中占有特殊的地位，这是因为触发开关的结构、型面、参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等性能参数产生最直接、最敏感的影响。同时，触发开关电极材料在击穿时的烧蚀情况将会直接影响到开关的性能和使用寿命。因此，具有耐受高电压强电流、击穿时延短而分散性小、电感和电阻小、电极烧蚀少且能高重复频率工作的各种触发开关的研制，是当前脉冲功率技术中十分重要的研究课题。
[0004]在脉冲功率系统中，附图1所示的双极板(专利号92649149.7)和附图2所示的三极板(专利号CN200520118429.7)触发开关由于其加工简单、成本低、导通时间短、触发电压要求低、工作稳定等优点而被广泛的应用。但由于触发开关导通时产生的电流大(峰值电流IOOkA量级)，引起电极烧蚀严重，并导致开关性能变坏、寿命缩短。设计相对优化的电极型面，可以使电极表面放电均匀，防止电弧集中在电极表面的某些地方，从而减小高重复频率工作或传输大库仑电荷时电极严重烧损，提高开关的触发特性和使用寿命。
[0005]常用的触发开关电极型面主要有球形电极、倒圆角平板电极、等电场面电极等。触发开关电极型面的极间电场可以简化为二维旋转对称电场来求解，通过有限元法模拟各种型面的高低压电极间的电场强度分布情况。《高电压技术》期刊中的“场畸变火花开关电极优化设计及其触发特性”(Vol.25，N0.1，pp.71-74)等文献研究表明:等电场面电极较其它各种型面电极具有较好的触发特性和较长的使用寿命。所谓等电场面电极，是其型面设计为适当的形状，使得高低压电极型面的中央部分电场均匀分布，且分布范围最大；而在电极边沿两侧的电场强度迅速减小，低于电极中央的电场强度。
[0006]前已有多种等电场面的电极型面构型，如Rogowski电极和Borda电极。一般的Rogowski电极型面是由两条曲线段和一条直线段衔接而成，由于这三段曲线组成的电极并不光滑，容易造成在曲线与直线衔接处发生电弧放电，且直线段长度的选取具有一定的随意性。《激光与光电子学》期刊中的“新型Rogowski电极的设计及分析”(Vol.45, N0.10, pp.46-50)和《光学与光电技术》期刊中的“若干放电电极的改进设计与分析”(Vol.5, N0.5, pp.35-39)等文章中基于均勻场理论改进了 Rogowski电极,但该改进电极的边缘电场低，不放电，且边缘尺寸占全电极面积比例较大，电极材料未得到充分的利用，故不是触发开关的最优电极型面。《高电压技术》期刊中“环形开关电极优化设计的实验研究”(Vol.25, N0.1, pp.71-74) 一文中的Borda电极采用旋转椭圆近似母线(如附图3所示)，计算时但该电极型面在电极半径R较小、高低压电极间距d较大时，直线段I很小，电极的形状近似球形电极，容易造成烧蚀，影响电极性能及实验寿命；且极间电场受电极间距的影响较大，因此电极型面设计加工之后，只有在某一特定的电极间距下才能保持等电场分布，当实验电极间距变化时，需要对电极型面经行二次优化和二次加工，计算费时，加工成本高。
[0007]《强激光与粒子束》期刊中“环形开关电极的自动优化设计方法”一文(Vol.18，N0.2，pp.333-336)利用电荷模拟法对常用的环形电极电场分布进行了模拟计算，用旋转椭圆近似法优化电极轮廓外形，用微粒群(PSO)算法对轮廓外形的几何参数进行了优化选择，但还是必须反复按照“电场计算一形状修正一电场计算一形状修正一…”的过程进行计算来求出最优形状。并且上述数值计算、优化方法的计算量巨大，必须专业人士采用专业软件方能完成。
【发明内容】
[0008]要解决的技术问题
[0009]针对现有的脉冲功率系统中双极板和三极板触发开关电极型面缺点，本发明提出了一种性能优异的具有旋转电极型面，即黄金分割型面的触发电极，大幅提高了触发开关的工作性能和设计效率。
[0010]技术方案
[0011]本发明的技术方案为:
[0012]所述一种具有黄金分割型面的触发电极，其电极型面为由母线旋转得到的对称面，其特征在于:所述母线采用水平线段和椭圆弧段相切得到，其中母线直线段长度I =0.618R，母线椭圆弧段的长半轴= 0.382R，母线椭圆弧段的短半轴= 0.382AL, R为母线半径。
[0013]有益效果
[0014]本发明具有以下有益效果:
[0015]①本发明的黄金分割型面具有最小的电场变化率，电场强度的相对偏差ΔΕ/Emax ( 0.5%的区域范围最大，电场均匀性能优于Rogowski电极和传统Borda电极,能有效延长电极型面的使用寿命。
[0016]②采用本发明的黄金分割型面构成的放电电极比Rogowski电极和Borda电极获得的直达波脉冲峰值压力有较大的提高，表明本发明设计的放电电极等效阻抗和插入损耗小，能有效提闻放电效率。
[0017]③采用本发明的黄金分割型面构成的放电电极比Rogowski电极和Borda电极获得的直达波脉冲宽度窄，脉冲较尖锐；脉冲宽度方差和抖动也较小，表明由本发明获得的脉冲宽度一致性 好，放电均匀，能有效提高的放电稳定性。
[0018]④本发明直接提出采用黄金分割法得到的电极型面母线参数，其型面设计不再通过不断修正电极表面的全曲率来进行优化，从而设计方法简单，计算工作量小，易于实施。【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明涉及的双极板触发开关及其在实验系统中的连接方式。
[0020]图中，电极1，2-高低压电极，电极3-触发电极，C-脉冲储能电容，S-放电电极。
[0021]图2是本发明涉及的三极板触发开关及在实验系统中的连接方式。
[0022]图中，电极1，2-高低压电极，电极3-触发电极，C-脉冲储能电容，S-放电电极。
[0023]图3是本发明的黄金分割型面的结构及母线参数。
[0024]图中，d-高低压电极的间距，R-电极型面的母线半径，1-母线的直线段长度，Al-母线的椭圆长半轴，Bl-母线的椭圆短半轴，即型面厚度。
[0025]图4是本发明实施例涉及的脉冲功率实验系统。
[0026]图中，T1-调压变压器，T2-升压变压器，D-高压整流器，R1-充电回路等效阻抗，C-脉冲储能电容，G-本发明所涉及的触发开关，S-放电电极，L-放电回路等效感抗，R2-放电回路等效感抗，F-声压传感器。
[0027]图5是本发明实施例涉及的黄金分割型面与其他电极型面的电场强度相对偏差比较。
[0028]图6是本发明实施例涉及的黄金分割电极与Borda电极放电产生的直达波峰值压力、方差和抖动比较。
[0029]图7是本发明实施例涉及的黄金分割电极与Borda电极放电产生的直达波脉冲宽度、方差和抖动比较。
【具体实施方式】
[0030]下面结合具体实施例描述本发明:
[0031]如图3所示，本实施例中的具有黄金分割型面的触发电极，将三维的电场型面设计转化为二维，其电极型面为由母线旋转得到的对称面，母线用水平线段和椭圆弧段相切来逼近标准的等电场强度母线，母线参数的设计采用黄金分割法得到，具体为母线直线段长度I = 0.618R，母线椭圆弧段的长半轴\ = 0.382R，母线椭圆弧段的短半轴4 =
0.382\，R为母线半径。利用上述设计公式很容易完成电极型面的设计问题，而且只需要设定电极型面的半径R，型面母线参数即可确定，与高低压电极的间距d无关。
[0032]将母线水平对称旋转就得到的具有等电场强度特性的电极型面，称为黄金分割型面，由该型面构成的放电电极则称为黄金分割电极。以该方法设计的电极型面，当给定触发开关电极半径的条件下，母线的直线段1、椭圆长半轴Al和椭圆短半轴等参数的典型实例数据如表1所示。工程上，一般根据触发开关的通流能力要求来选择触发开关电极半径的尺寸。
[0033]表1黄金分割法设计的电极型面母线参数(单位:_)
[0034]
【权利要求】
1.一种具有黄金分割型面的触发电极，其电极型面为由母线旋转得到的对称面，其特征在于:所述母线采用水平线段和椭圆弧段相切得到，其中母线直线段长度I = 0.618R，母线椭圆弧段的长半轴K = 0.382R，母线椭圆弧段的短半轴= 0.382Al, R为母线半径。
【文档编号】H01H33/664GK103928843SQ201410136250
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】雷开卓, 黄建国, 黄海, 陈建峰, 史文涛, 何孟兵, 张蔚, 刘小龙, 樊志博 申请人:西北工业大学