低电压降的交叉场气体开关及操作方法与流程

本发明在能源部的能源先进研究项目局授予的合同号de-ar0000298的政府资助下完成。政府在本发明中有一定权利。

本公开内容的领域大体上涉及低电压降的交叉场气体开关，且更具体地涉及在其操作期间经历气体开关的阳极与阴极之间的低正向电压降的交叉场气体开关。

背景技术：

交叉场气体开关(诸如平面交叉场气体开关)是已知的。常规上，这些开关包括由气密室内包封的电极组件，诸如与阳极间隔开的阴极。气密室填充有可电离的气体，且电压被施加到设置在阳极与阴极之间的控制网栅以在它们之间引发等离子体路径。开关可在施加到阳极的输入电压的存在下操作，以在阳极与阴极之间传导大电流。可通过反向偏置控制网栅来终止等离子体路径，使得从阳极流至阴极的电流由控制网栅(和所附电路)引出。因此，在输入电压和导电的等离子体的存在下，装置作用为气体填充的开关，或“气体开关”。

与至少一些已知的开关相关联的缺陷包括导电期间在阳极与阴极之间的较大正向电压降。确切地说，许多常见的气体开关在阳极与阴极之间的间隙中经历几百伏的电压降。此电压降的大部分在阴极的导电表面处或附近经历，在大多数情况下导致阴极导电表面的热损失和烧蚀或“溅蚀”。在导电模式中，溅蚀往往会使气体开关的使用寿命，诸如，例如，缩短至大约数小时或数天。因此，常规气体开关对于在可靠性、成本和寿命周期是重要考虑因素的电力系统中的大规模、长期的实施往往是不可行的。

在操作期间经历气体开关的阳极与阴极之间的低正向电压降的交叉场气体开关因此是期望的，具体而言，其中在阳极与阴极之间的正向电压降足够低，以将装置的寿命延长到几年，而非如上文所述的几小时或几个月。不会生成大量多余的热且不需要较大的热沉设备的气体开关也是期望的。

技术实现要素：

一方面，提供了一种围绕开关轴线布置的气体开关。气体开关包括阳极和与阳极间隔开的阴极，其中阴极包括导电表面。气体开关还包括被布置来生成磁场的多个磁体，磁场的至少一部分在距离开关轴线一定径向距离处基本上平行于导电表面的一部分延伸，其中磁场在该径向距离处在导电表面的一部分上限定闭合环形路径。气体开关还包括定位在阴极与阳极之间的第一网栅，其中第一网栅限定包含可电离气体的网栅与阴极间的间隙。此外，气体开关包括定位在第一网栅与阳极之间的第二网栅，其中第二网栅限定网栅与阳极间的间隙。在操作中，第二网栅布置成接收偏压来形成阳极与阴极之间的导电的等离子体，其中在导电的等离子体的存在下，阳极与阴极之间的电压降小于150伏，且其中导电的等离子体形成环绕环形路径的阴极斑点。

另一方面，提供了一种围绕开关轴线布置的气体开关。气体开关包括阳极和与阳极间隔开的阴极，其中阴极包括导电表面。气体开关还包括被布置来生成磁场的多个磁体以及定位在阳极与阴极之间的控制网栅，磁场在距离开关轴线一定径向距离处在导电表面的部分上限定环形路径。在操作中，控制网栅布置成在阳极与阴极之间形成导电的等离子体，其中在导电的等离子体存在时，阳极与阴极之间的电压降小于150伏，且其中导电等离子体形成在大于0.1千赫兹的频率下环绕环形路径的阴极斑点。

又一方面，提供了一种用于操作气体开关的方法。该方法包括在阳极与阳极间隔开的阴极之间形成导电的等离子体，以及形成磁场，磁场的至少一份基本上平行于阴极的导电表面的一部分延伸，其中磁场在导电表面的一部分上限定环形路径。该方法还包括将脉冲输入电压施加至设置在阳极与阴极之间的控制网栅，其中响应于脉冲输入电压的施加，在阳极与阴极之间的电压降小于150伏，且其中导电的等离子体形成环绕环形路径的阴极斑点。

技术方案1.一种围绕开关轴线布置的气体开关，所述气体开关包括：

阳极；

与所述阳极间隔开的阴极，所述阴极包括导电表面；

多个磁体，其被布置以生成磁场，其中所述磁场的一部分在距离所述开关轴线的一定径向距离处基本上平行于所述导电表面的一部分延伸，并且其中所述磁场在所述径向距离处在所述导电表面的一部分上限定封闭的环形路径；

定位在所述阴极与所述阳极之间的第一网栅，所述第一网栅限定容纳可电离的气体的网栅与阴极间的间隙；以及

定位在所述第一网栅与所述阳极之间的第二网栅，所述第二网栅限定网栅与阳极间的间隙，所述第二网栅布置成接收偏压以形成在所述阳极与所述阴极之间的导电的等离子体，其中，在所述导电的等离子体的存在下，在所述阳极与所述阴极之间的电压降小于150伏，且其中所述导电的等离子体形成环绕所述环形路径的阴极斑点。

技术方案2.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述可电离的气体包括i)氢气和ii)氦气中的至少一者。

技术方案3.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述阴极包括以下中的至少一者：i)镓，ii)镓合金，iii)铟、iv)锡和v)铝。

技术方案4.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，在所述阳极与所述阴极之间的电压降为大约80伏。

技术方案5.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述第一网栅包括穿孔的导电性表面。

技术方案6.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述第二网栅包括穿孔的导电性表面。

技术方案7.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述多个磁体包括沿周向围绕所述阴极的下表面布置的至少一个环形磁体，以及沿所述开关轴线接近所述阴极的所述下表面设置的第二中心磁体。

技术方案8.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述多个磁体包括沿周向围绕所述阴极的所述下表面设置的多个同心布置的环形磁体，以及沿所述开关轴线接近所述阴极的所述下表面设置的中心磁体。

技术方案9.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，平行于所述环形路径的磁场强度处于50-2,000高斯的范围中。

技术方案10.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述阴极被磁化成100-1,000高斯的范围中的场强度。

技术方案11.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述阴极斑点在0.1-100千赫兹的范围中的频率下环绕所述环形路径。

技术方案12.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述导电的等离子体进一步响应于从电源接收到的外部施加的电流脉冲而形成在所述阳极与所述阴极之间。

技术方案13.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述阴极是以下中的一者：i)平面阴极和ii)圆柱形阴极，并且其中所述阳极是以下中的一者：i)平面阳极和ii)圆柱形阳极。

技术方案14.根据技术方案12所述的气体开关，其特征在于，所述电源布置成生成以下中的至少一者i)振荡正弦波和ii)振荡方波，并且其中i)所述振荡正弦波和ii)所述振荡方波中的至少一者在小于20微秒的时间段内在峰值电压下被施加至所述第二网栅。

技术方案15.根据技术方案12所述的气体开关，其特征在于，所述电源布置成生成快速增大的输出电压。

技术方案16.根据技术方案15所述的气体开关，其特征在于，所述电源的电压增大的速率大于0.5兆伏/秒。

技术方案17.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述导电表面包括平滑的无特征表面，并且其中在所述气体开关中，所述阴极未接近能够截断所述阳极与所述阴极之间流动的电流的任何导电表面而设置。

技术方案18.根据技术方案1所述的气体开关，其特征在于，所述平面阴极是以下中的一者：i)液体冷却的和ii)热电冷却的。

技术方案19.一种围绕开关轴线布置的气体开关，所述气体开关包括：

阳极；

与所述阳极间隔开的阴极，所述阴极包括导电表面；

多个磁体，其被布置以生成磁场，所述磁场在距离所述开关轴线一定径向距离处在所述导电表面的一部分上限定环形路径；以及

定位在所述阳极与所述阴极之间的控制网栅，所述控制网栅布置成形成所述阳极与所述阴极之间的导电的等离子体，其中在所述导电的等离子体形成时，所述阳极与所述阴极之间的电压降小于150伏，并且其中所述导电的等离子体形成阴极斑点，所述阴极斑点在大于0.1千赫兹的频率下环绕所述环形路径。

技术方案20.一种用于操作气体开关的方法，所述方法包括：

形成磁场，所述磁场的至少一部分基本上平行于阴极的导电表面的一部分延伸，所述磁场在所述导电表面的一部分上限定环形路径；以及

在所述阴极和与所述阴极间隔开的阳极之间形成导电的等离子体；

将脉冲输入电压施加至设置在所述阳极与所述阴极之间的控制网栅，其中，响应于所述脉冲输入电压的施加，在所述阳极与所述阴极之间的电压降小于150伏，且其中所述导电的等离子体形成环绕所述环形路径的阴极斑点。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，遍及附图，相似的标号代表相似的部分，其中：

图1为示例性低电压降的平面交叉场气体开关的横截面视图。

图2为可与图1处所示的气体开关一起使用的磁体的示例性系统的横截面视图。

图3为图2处所示的气体开关的示例性阴极的俯视图，其中示出了阴极斑点可在其上行进的多个环形路径。

图4为示出操作图1处所示的气体开关的示例性过程的流程图。

图5为示例性低电压降的圆柱形交叉场气体开关的横截面视图。

除非另外指示，否则本文提供的附图意在示出本公开内容的实施例的特征。这些特征被认为可适用于广泛的多种系统，所述系统包括本公开内容的一个或多个实施例。因此，附图不意在包括对于实践本文公开的实施例所需的本领域普通技术人员已知的所有常规特征。

部件列表

100气体开关

102气密性壳体

104开关轴线

106阳极

107导电表面

108阴极

109下表面

110ka网栅

112网栅与阴极间的间隙

114控制网栅

116网栅与阳极间的间隙

118引线

120导电环

122磁体系统

150偏压源

170上圆柱形部分

172下圆柱形部分

174上金属环

176下金属环

178上安装环

180下安装环

202中心磁体

204第一环形磁体

206第二环形磁体

208第三环形磁体

210磁场线

212磁场线

214磁场线

302阴极斑点

500气体开关

502阳极

504阴极

505导电表面

506控制网栅

508ka网栅

510网栅与阳极间的间隙

512网栅与阴极间的间隙

514磁体系统

516第一环形磁体

518第二环形磁体

520第三环形磁体。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求中，将参照多个用语，它们将被限定为具有以下意义。

单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用，除非上下文清楚地另外指出。

“可选”或“可选地”意味着随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况，以及其不发生的情况。

如本文遍及说明书和权利要求使用的近似语言可被应用来修饰在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下可允许改变的任何定量表示。因此，由一个或多个用语诸如“大约”和“大致”修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。这里和遍及说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换，此范围被识别且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。

如本文所用的，空间上的相对用语，诸如“下方”、“以下”、“下面”、“下部”、“更高”、“以上”、“上方”等，可用于描述一种元件或特征与一种或多种其它元件或特征的关系，如在图中所示的。将理解，这种空间上的相对用语旨在包括在操作中以及除了图中所描绘的定向之外的本文所述的元件和特征的不同定向。例如，如果图中的元件或特征被翻转，则被描述为在一个或多个其它元件或特征“以下”的元件可被视为在这些元件或特征“以上”。因此，诸如“以下”、“下面”或“下方”的示例性用语可包括以上和以下的定向，这取决于例如此类元件或特征与一个或多个其它元件或特征之间的相对定向。

如本文使用的，用语“阴极斑点”是指阴极的导电表面处的明亮旋转斑点的视觉外观。阴极斑点在导电期间出现在如本文所述的气体开关内。此外，可使用高速相机诸如高速数字相机和/或高速电荷耦合装置相机(或“ccd”相机)来观察阴极斑点。更具体而言，且如下文所述，导电等离子体的视觉外观包括阳极附近的导电等离子体的漫射辉光、阴极的导电表面处的明亮的旋转阴极斑点，以及阴极斑点与阳极之间的导电等离子体的过渡区域。

本公开内容的实施例涉及在低正向电压降模式中操作的气体开关。在该模式中，阴极的导电表面上的溅蚀大大减小，且由气体开关操作生成的废热也减少。确切地说，气体开关在50到150伏范围中的低正向电压降下操作。为了保持低正向电压降，导电等离子体形成在阳极与阴极之间，且部分地约束于集中电流的区域(或“阴极斑点”)。阴极斑点在导电表面的表面上的环形路径上被诱导成圆形运动，使得不会有导电表面的单个区域被较强地加热而导致烧蚀或蒸发，从而大大延长了气体开关的寿命。此外，导电等离子体的离子能量在正向电压降较低时减小，导致阴极的导电表面处的溅蚀减小。

图1为示例性低电压降交叉场的气体开关100(或“气体开关”)的横截面视图。气体开关100大体上是圆柱形，且包括圆柱形的气密性壳体102，壳体102包围且密封本文所述的各种开关构件。开关轴线104延伸穿过气密性壳体102且相对于气密性壳体102而被限定。在示例性实施例中，气密性壳体102包括绝缘材料，诸如陶瓷绝缘体。此外，如下文所述的，导电环120可插在和/或密封在气密性壳体102的上部与下部之间，而不会影响气密性壳体102的气密性和/或绝缘性质。

例如，在一些实施例中，气密性壳体102包括上圆柱形部分170和下圆柱形部分172，其中上圆柱形部分170和下圆柱形部分172由导电环120分开且通过导电环120机械地耦合。因此，在至少一些实施例中，气密性壳体102由上圆柱形部分170和下圆柱形部分172组成，其中导电环120夹在它们之间。此外，在一些实施例中，气密性壳体102可包括焊接或以其它方式电气和机械地耦合至阳极(如下文所述)的上金属环174，以及焊接或以其它方式电气和机械地耦合至阴极(如下文所述)的下金属环176。此外，在一些实施例中，上金属环174可由上安装环178包绕，且下金属环176可由下安装环180包绕，其各个都可便于气密性壳体102上的气密性密封。

在示例性实施例中，气体开关100还包括平面的阳极106和基本上平面的阴极108。阴极108与阳极106沿轴向分开(或间隔开)，且以与阳极106成基本上平行的关系设置。阴极108包括上表面(诸如导电表面107)以及下表面109。如本文所述的，阴极108不必在所有实施例中都是完全平面的。例如，在一些实施例中，阴极108包括起伏或波状的导电表面107。然而，在其它实施例中，导电表面107是平滑的平表面。气体开关100的另一实施例用同心布置的阳极-阴极对来代替图1处所示的平面阳极和阴极。此实施例在图5处被示出且在下文更详细地被描述。

现在继续参照图1，保活网栅110(“ka网栅”或“第一网栅”)定位在阴极108和阳极106之间并且限定网栅与阴极间的间隙112，其可填充有具有低原子质量的可电离的气体，诸如氦气、氢气，或氢气和氦气的混合物，诸如达在0.01-1.0托范围内的气压。例如，网栅与阴极间的间隙112可从气体储罐(未示出)填充。在各种实施例中，在气密性壳体102内仅存在一个内部气体容积，使得网栅与阴极间的间隙112中的气体与网栅与阳极间的间隙116(下文所述)中的气体完全连通。在示例性实施例中，ka网栅110是基本上平面的导电性穿孔结构。确切地说，ka网栅110包括多个穿孔、孔口或孔，其尺寸设置成允许电离气体(例如，等离子体)和电子流过其间。

控制网栅114(或“第二网栅”)也包括在气体开关100中。确切地说，控制网栅114定位在ka网栅110与阳极106之间，且限定网栅与阳极间的间隙116(或“高电压间隙”)。如ka网栅110一样，控制网栅114基本上是平面的导电性穿孔结构。确切地说，控制网栅114包括多个穿孔、孔口或孔，其尺寸设置成允许电离气体(例如，等离子体)和电子流过其间。如本文所述的，阴极108不必在所有实施例中都是完全平面的。然而，在至少一些实施例中，阳极106包括与控制网栅114相反的平表面。在一些实施例中，控制网栅114可从气体开关100中排除，在此情况下，气体开关100可作为由施加至阴极106的快速升高的电压和/或电流脉冲正向偏置的二极管起作用。

引线118延伸穿过气密性壳体102，并弹性且机械地连接在ka网栅110与布置成将偏压提供至ka网栅110的偏压源150(或“电源”)之间。类似地，导电环120安装在气密性壳体102(例如，如上文所述的)内，并电气且机械地连接在控制网栅114与偏压源150之间，使得导电环120布置成将偏压提供至控制网栅114。更具体而言，且如本文所述的，导电环120可将反向偏压提供至控制网栅114，以“断开”气体开关100，以及将正向偏压诸如快速升高的正向偏压提供至控制网栅114以“闭合”气体开关100。

磁体系统122也在气体开关100中被实施。确切地说，在示例性实施例中，磁体系统设置成紧邻阴极108，诸如，例如在阴极108下方或以下。在一些实施例中，磁体系统122设置成与阴极108的下表面109直接物理接触。在其它实施例中，磁体系统122不与下表面109直接物理接触，而是设置成接近阴极108，使得由磁体系统122生成的磁场延伸穿过阴极108、围绕阴极108延伸，和/或在阴极108上方延伸。

图2为磁体系统122(图1中所示)的横截面视图。如所示的，磁体系统122包括多个磁体，诸如中心磁体202、第一环状磁体204、第二环状磁体206和/或第三环状磁体208。尽管示出了四个磁体202-208，但在其它实施例中，任何适合数量的磁体可结合到气体开关100中，诸如，例如，以改变阴极108的导电表面107上形成的多个封闭环形导电路径或“轨道”(如下文所述)和/或改变一个或多个此轨道的尺寸。

在示例性实施例中，中心磁体202是极磁体，诸如，例如伸长的圆柱形磁体，其具有单个北极和单个南极。环状磁体204-208为环状形状的或环面的，且围绕中心磁体202同心地布置。尽管本文描述了环状磁体，但在各种实施例中，可实施任何封闭的磁体，诸如封闭的正方形形状的磁体、封闭的矩形磁体、封闭的卵形或椭圆形形状的磁体等。此外，各个环状磁体204-208的北极和南极与开关轴线104沿轴向对准。此外，极和环状磁体204-208交替地布置，诸如，例如，以实现北-南-北布置或南-北-南布置。图2处示出了北-南-北布置。

在操作中，磁体系统122生成磁场，诸如，例如，在磁体202-208的交替布置的北极与南极之间延伸的磁场。更具体而言，且如所示的，第一组磁场线210可在中心磁体202与第一环状磁体204之间延伸。类似地，第二组磁场线212可在第一环状磁体204与第二环状磁体206之间延伸，且第三组磁场线214可在第二环状磁体206与第三环状磁体208之间延伸。

此外，各组磁场线210-214可在阴极108下方、上方经过，和/或穿过阴极108。此外，在一些区域中，由磁体202-208生成的磁场线可基本上平行于阴极108的导电表面107(或与之相切)延伸。例如，且如所示的，第一组磁场线210在第一区域“a”上基本上平行于导电表面107延伸。类似地，第二组磁场线212在第二区域“b”上基本上平行于导电表面107延伸，且第三组磁场线214在第三区域“c”上基本上平行于导电表面107延伸。

下文更详细地描述气体开关100中的区域a,b和c的功能。然而，接下来描述气体开关100的操作，以便于更好理解气体开关100内由这些区域起到的作用。

因此且返回参照图1，为了引发气体开关100的操作，偏压诸如经由引线118被提供至ka网栅110，且反向偏压诸如经由导电环120被施加至控制网栅114。施加到ka网栅110的该偏压激励ka网栅110，诸如达到足以较弱地电离网栅与阴极间的间隙112中维持的气体的电压，而施加至控制网栅114的反向偏压防止电离气体在控制网栅114之上和/或穿过控制网栅114而通过。因此，ka网栅110被正向偏置，且控制网栅114被反向偏置以产生(且维持或“保活”)网栅与阴极间的间隙112中的相对较弱的等离子体。在此情况下，等离子体限于网栅与阴极间的间隙112，且气体开关100“断开”，因为电流不能从阳极106流至阴极108。

在一些实施例中，ka网栅110从气体开关100中排除。在此情况下，没有相对较弱的“保活”等离子体保持在网栅与阴极间的间隙112中。相反，初始等离子体可在宇宙射线撞击气体开关100内的可电离气体时产生，从而产生可电离气体中的初始或“种子”电离。如下文所述，种子电离随后由气体开关100内形成的相对较高电场中的电子雪崩来放大，从而导致了导电等离子体的产生。然而，为了减少与依赖入射宇宙射线相关联的统计的不确定性，ka网栅110可在气体开关100中实施，以便于气体开关100的操作(例如，接通)。

为了“闭合”气体开关100，正向偏压诸如经由导电环120被施加到控制网栅114，且恒定的输入电压施加在阳极106处。确切地说，0到3千伏(相对于阴极108)的范围中的正向偏压被施加至控制网栅114，且阳极106被充电至10到1000千伏的范围中的电压。当激励控制网栅114至该电压时，网栅与阴极间的间隙112中限定的相对较弱的“保活”等离子体变得更高度电离(且更有导电性)，且朝控制网栅114被电吸引穿过ka网栅110，且导电等离子体(或“等离子体路径”形成在控制网栅114与阴极108之间。此外，被施加到阳极106上的电压将(经由控制网栅114)吸入导电等离子体而与阳极106电接触，延伸等离子体路径，且接通阳极106与阴极108之间的电路。

在导电期间，观察阳极106与阴极108之间的电压降(或“正向电压降”)。然而，电压在阳极106与阴极108之间的空间中不是均匀下降的。相反，几乎全部电压在小于几毫米的阴极108内(且对于气体开关100内的情况，通常小于1毫米)下降，使得如果正向电压降太高(例如，在几百伏或更高的范围中)，通过用对应于正向电压降的能量撞击离子，导电表面107的大部分被快速“溅蚀”掉。如果导电表面107以此方式被溅蚀，则如关于许多现有系统的情况那样，气体开关100的寿命可缩短到大约几小时或几天的导电阶段的操作。

因此，为了减小正向电压降(且延长气体开关100的寿命)，可实施气体开关100，使得“阴极斑点”(如上文限定的)产生，且在导电表面107上的环形路径上维持在恒定的行进方向(例如，顺时针或逆时针)上。环形路径可如下文所述由磁体系统122生成的磁场形成。此外，如本文使用的，且为了简单起见，阴极斑点在其上行进的环形路径可被称为“轨道”。

在示例性实施例中，此阴极斑点的旋转方向沿–e×b方向，其中b为由磁体系统122在“轨道”上施加的磁场(矢量)(且取决于磁体系统122的定向，沿径向向外或向内指向)，且其中e是由阴极108的导电表面107处的导电等离子体形成且总是指向导电表面107的电场(矢量)。–e×b因此在方位上围绕特定轨道而指向。因此，本文使用表述“交叉场”(例如，e×b)来指定导电的等离子体在由正交排列的e和b场的相互作用所形成的方向上受到影响，并且旋转或“漂移”。此外，如果存在多个轨道(如本文所述的)，则阴极斑点将沿各个相继的轨道在相反方向上移动。

因此，组合地参照图2和3，一个或多个轨道可由磁体系统122的操作形成在导电表面107上。例如，第一区域a实际上可对应于导电表面107上的第一轨道a'。同样，第二区域b可对应于第二轨道b'，且第三区域c可对应于第三轨道c'。换言之，轨道对应于导电表面107上的区域，在导电表面上由磁体系统122产生的磁场线形成封闭路径且平行或基本上平行于导电表面107延伸。此外，在各种实施例中，特定轨道的宽度可小于限定轨道的磁体之间的物理间隔。

如上文所述，阴极斑点，诸如阴极斑点302，可限制于这些轨道a'、b'或c'中的一个，使得阴极斑点302以足以限制由轨道包围的表面上的烧蚀的速率在轨道上以圆形或周向路径行进。确切地说，由磁体系统122产生的磁场连同由阳极106与阴极108之间的导电形成的电场，可足以保持阴极斑点302在限制轨道的局部加热(且随后烧蚀)的速率下移动。在一些实施例中，旋转速率大于大约0.1千赫兹且小于大约100千赫兹。此外，在至少一个实施例中，行进速率在2-5千赫兹的范围中，意味着例如阴极斑点302可围绕(例如，“圆”或“罗盘”)轨道每秒行进2,000到5,000次之间。在示例性实施例中，阴极斑点302可将以大约3千赫兹(或3,000转每秒)的速率保持在围绕轨道a',b'或c'的行进速率。

此外，如上文简要所述，阴极斑点302的产生对应于由气体开关100经历的正向电压降的较大降低。例如，在一些实施例中，可实现小于150伏的正向电压降。在其它实施例中，且在下文所述的情况下，实现且可靠地保持了80伏的正向电压降。在此正向电压降下，阴极溅蚀减小到将气体开关100的寿命延长到至少几年的水平。此外，极大减小了在此低正向电压降下的气体开关100产生的废热。这继而又便于减小在工作的电力系统内操作期间必须置于气体开关100周围的热沉设备(未示出)。

为了产生阴极斑点302，且为了减小正向电压降，可应用多种因素组合。确切地说，且除已经描述的结构和实施方式之外，快速升高地输入电压和/或电流(例如，电压和/或电流脉冲)可施加至控制网栅114。在示例性实施例中，在小于20微秒的时间段内经由控制网栅114放出的0-3千伏范围中的电压可验证地导致阴极斑点302的生成。类似地，在相同时间段内经由控制网栅114放出的4-12安培范围中的电流脉冲同样是足够的。更宽泛地说，电压上升速率在0.1-250兆伏/秒的范围中。例如，在一些实施例中，电压升高的速率是大约1兆伏/秒。

可实施生成电压和/或电流脉冲的任何适合的手段。例如，在一些实施例中，快速升高的方波可诸如由偏压源150提供至控制网栅114。尽管发明人不期望由特定物理阐释界定，但可能的是，快速生成的电流脉冲(在足够高的电压和/或电流下)导致气体开关100内的“收缩效应”(确切地说，“z收缩”)。换言之，当电流在阳极106与阴极108之间流动时，快速升高的电流导致快速增大的磁场，快速增大的磁场相对于电流是周向的，且足够强以“收缩”或限制等离子体的径向范围。此收缩的等离子体可对于肉眼看作是阴极108的导电表面107上的阴极斑点302。

附加的物理阐释是低电压模式在阴极斑点302中的气体仅为填充气体(例如，氦或氢)时发生。更具体而言，可能的是，在填充气体不包括金属蒸气(诸如，例如，由于阴极溅蚀引起的金属蒸气)时，阴极斑点302形成。换言之，可能重要的是，快速地引发高电流导电，诸如，例如，以避免溅蚀的金属原子初始爆发到填充气体中，如果其发生，则这可不可逆地导致较高电压模式的操作，或备选地，导致破坏性的热金属弧等离子体。该物理阐释至少部分地基于观察到氢和氦与任何重金属原子(典型地为5ev)相比，具有低原子质量和大的电离能(分别为15ev和25ev)。具有高电离势的离子更可能在它们撞击阴极108时释放电子并提供电流，而具有低电离势的金属离子不太可能释放电子，且相反很重并更可能溅蚀阴极108。

阴极斑点302的产生中的另一个重要因素是阴极材料的选择。在示例性实施例中，阴极108由镓、铟、锡、铝和/或这些的任何合金制成。在选择镓的情况下，阴极杯或储存器(未示出)可包括在气体开关100中，以容纳镓(例如，由于镓的熔点接近室温)。此外，在这些材料中的任何的情况下，强氧化膜可快速形成在导电表面107上，这可加强由阴极108(例如，由于malter效应)的电子排放，导致较低的正向电压降。

此外，在示例性实施例中，阴极108被磁化成诸如在导电表面107处测得的磁场强度，其在100-2,000高斯的范围中。阴极108还可作用为“冷阴极”，这在该用语的通常用法中，意味着阴极108的温度小于1500开尔文，但通常小于600开尔文。阴极108可冷却(例如，液体冷却和/或低温冷却)至此温度；然而，不需要此二次冷却来将阴极108保持在低于1500开尔文的温度下，且在一些实施例中，阴极108可在环境温度下。

此外，在示例性实施例中，可能重要的是，导电表面107基本上是平滑且/或无特征的。确切地说，诸如“意向性结构”(例如，紧固件、螺钉、螺栓、脊和其它表面变化)的放置的缺陷可干扰轨道上的阴极斑点302的连续行进。例如，如果阴极斑点302遇到导电表面107上的表面变化，则阴极斑点302的运动可能在表面变化处暂时和/或永久停止前进，这可导致表面变化处的非期望溅蚀。

此外，在至少一些实施例中，不应存在相邻的结构(例如，“意向性结构”，诸如相邻导电表面或导电壁)，其能够截流流至阴极108的电流。此外，且如上文简要所述的，在气体开关100内提供的可电离气体的选择可影响溅蚀(且因此影响寿命)。确切地说，在示例性实施例中，可供应具有低原子质量的可电离气体诸如氢和/或氦。低原子质量的气体具有不会将高动量传递至导电表面107的低原子质量的离子，且结果，减小了导电表面107处的溅蚀损失。此外，此低原子质量气体具有高电离电势，其可增加电子从阴极喷射的速率，导致在给定的正向电压降下有更高的电流。

图4为示出操作气体开关100(图1处所示)的示例性工艺400的流程图。在示例性实施例中且如上文更详细所述，磁场形成在导电表面107上，其至少一部分基本上平行于导电表面107的一部分延伸(步骤402)。如上文所述，磁场限定导电表面107的一部分上的环形路径(或“轨道”)。

一旦磁场形成在导电表面107处，控制网栅114被反向偏置，且ka网栅110被正向偏置(步骤404)(如上文所述)，以在网栅与阴极间的间隙112内形成相对较弱的“保活”等离子体(步骤406)。在该配置中，气体开关100是“断开的”或非导电的。为了“闭合”气体开关，大电压(诸如，10到1000千伏的范围中的电压)被提供在阴极106上(步骤408)，且快速升高或脉冲的输入电压(例如，0-3千伏)供应至控制网栅114(步骤410)。响应于脉冲输入电压的施加，阳极106与阴极108之间的电压降小于150伏(例如，80伏)。此外，如上文所述，阴极斑点302在0.1-100千赫兹的范围中的频率下在轨道上形成并受引导。

现在参照图5，示出了包括同心地布置的阳极和阴极的气体开关500。确切地说，气体开关500包括圆柱形阳极502和与阳极502间隔开且围绕阳极502同心地布置的圆柱形阴极504。气体开关500还包括圆柱形控制网栅506和与控制网栅506间隔开且围绕控制网栅506同心布置的圆柱形ka网栅508。控制网栅506和ka网栅508为导电性的，且包括多个孔口或穿孔，如上文关于控制网栅114和ka网栅110所述的。此外，网栅与阳极间的间隙510限定在控制网栅506与阳极502之间，且网栅与阴极间的间隙512限定在ka网栅508与阴极504之间。如上文所述，网栅与阴极间的间隙512可填充有可电离的气体，且气体开关500可大体上如上文关于气体开关100所述的那样起作用，除了电流在气体开关500中从阳极502沿径向流至阴极504之外。此外，在各种实施例中，阳极502和控制网栅506可间隔开预定距离，而阴极504与ka网栅508之间的间隔可略微变化。例如，在一些实施例中，可使用非平面阴极504，诸如具有起伏或波状的导电表面的阴极。

磁体514的圆柱形系统也可在气体开关500中被实施，诸如，例如，同心地围绕阴极504。在图5中所示的实例中，磁体514的系统包括第一环形磁体516、第二环形磁体518和第三环形磁体520。然而，任何适合数量的环形磁体可施加至气体开关500，诸如，例如，且如上文所述的那样，以在阴极504的导电表面505上产生任何适合数量的轨道。如上文所述的，在导电表面505上沿周向方向存在用于e×b漂移的闭合路径的位置形成轨道。在所示实例中，两个轨道a'和b'产生在导电表面505上。此外，如上文关于气体开关100所述的那样，磁体516-520的定向可改变，诸如，例如，以实现北-南-北布置或南-北-南布置。因此，在至少一些实施例中，气体开关是圆柱形的交叉场气体开关，其包括同心的磁体系统。

气体开关100和/或气体开关500可在任何适合的配电和/或电力系统中(诸如，例如，在任何大功率配电系统中)被实施。例如，在一些实施例中，气体开关100和/或500可作为混合机电开关系统的部分与一个或多个其它开关(诸如一个或多个其它机械开关)并联实施。在其它实施例中，气体开关100和/或500可作为内联开关或内联电路断路器实施，诸如，例如，以排除机械开关。

因此，上文所述的气体开关的实施例便于低电压降(或低正向电压降)操作模式，其中阴极的导电表面上的溅蚀和/或烧蚀大大减小，且其中由气体开关的操作生成的废热也减小。确切地说，气体开关在小于150伏的低正向电压降下操作。为了维持低正向电压降，导电等离子体形成在阳极与阴极之间，且部分地约束于集中溅蚀的区域(或“阴极斑点”)。阴极斑点在导电表面的表面上的环形路径上被诱导成圆形运动，使得不会有导电表面的单个区域严重烧蚀或蒸发，从而大大延长了气体开关的寿命且减少了由气体开关生成的废热。此外，导电等离子体的离子能量在正向电压降较低时减少，导致阴极的导电表面处的溅蚀减小。

本文所述的气体开关的示例性技术效果包括，例如：(a)在气体开关内形成低正向电压降；(b)形成集中溅蚀的沿周向行进的区域；(c)减少由气体开关生成的废热；以及(d)延长气体开关的寿命。

上文详细描述了气体开关和相关构件的示例性实施例。系统不限于本文所述的特定实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立于本文所述的其它构件和/或步骤且与它们分开来使用。例如，本文所述的构件的配置还可与其它过程组合被使用，且不限于仅与如本文所述的系统和相关方法一起实践。相反，示例性实施例可结合需要气体开关的许多应用来被实施和使用。

尽管本公开内容的各种实施例的特定特征可在一些附图中被示出且在其它附图中未被示出，但这仅是为了方便起见。根据本公开内容的原理，可与任何其它附图的任何特征组合来参照和/或提出附图的任何特征。

本书面描述使用实例来公开本公开内容的实施例，包括最佳模式，且还使本领域任何技术人员能够实践本公开内容，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何合并的方法。本文所述的实施例的可专利性范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构要素，则此类其它实例意在处于权利要求的范围内。