雷射觸發真空開關的製作方法

2023-07-05 14:17:16 1

專利名稱：雷射觸發真空開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子開關器件，尤其涉及一種雷射觸發真空開關。
背景技術：
隨著脈衝功率技術的發展，對大功率開關器件的需求大大增加。大功率開關器件 是脈衝功率電源最重要的組成部分，它必須可以在高電壓、大電流的條件下工作，並且還要 求其反應速度快、可靠性高、觸發穩定、壽命長。雷射觸發真空開關是將雷射技術與高功率 脈衝技術結合而成的一種新型開關器件，其通過將雷射照射在靶電極上面，從而產生等離 子蒸汽，最後在主電極電壓作用下使得開關導通。雷射觸發真空開關相對於其它類型的開 關，具有較寬的工作電壓範圍和較高的庫侖電量導通特性，並且其觸發系統相對獨立，抗幹 擾能力好，觸發穩定，因此受到了越來越多的關注。專利號為US4978893的美國專利公開了一種雷射觸發真空開關，如圖1所示，其包 括一個密閉的殼體30，該殼體一端設有一通道50與真空泵相連以保持殼體30內的氣壓，與 其相對的一端設有一雷射窗口 34。殼體30內設有一對以一定間隙8相對設置的電極，即陽 極20和陰極10。陽極20固定在電極柱44 一端，而陰極10固定在電極柱40—端。電極 柱44和40從殼體30側壁上的通孔伸出殼體30外以連接到電路的正負端。陽極20上對 應所述雷射窗口 34開設有一通孔22以形成雷射照射通道，如虛線所示，靶電極18設於所 述陰極10上且 位於該雷射照射通道上。這樣，在該雷射觸發真空開關工作時，雷射照射在 靶電極18上，產生等離子蒸汽，最後在電極柱44和40之間的電壓作用下使得開關導通。然而，這種雷射觸發真空開關存在以下幾個問題第一，由於陽極20和陰極10分 別安裝在電極柱44和40 —端，不易對齊通孔22、靶電極18和雷射窗口 34，製造加工困難， 且降低了生產效率。第二，在開關導通時，會產生較大的電動力，而陽極20和陰極10均為 片狀，很容易發生形變，導致陽極20和陰極10之間的間隙8發生變化，進而引起工作電壓 變化，影響工作性能。第三，由於電極柱44和40距離很近，因此不能承受太高的工作電壓， 否則會有擊穿的可能。因此，亟待提供一種改進的雷射觸發真空開關以克服上述缺陷。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於提供一種結構簡單、觸發性能穩定、使用方便、使用 壽命長且加工方便的雷射觸發真空開關。為了解決上述技術問題，本發明提供了一種雷射觸發真空開關，包括密閉殼體、設 於所述密閉殼體上的第一電極和第二電極、以及雷射照射窗。所述第一電極和第二電極分 別固定在所述密閉殼體的兩端。所述第二電極內軸向開設有通孔。所述第一電極的一端面 上設有與所述通孔相對的靶電極，所述雷射照射窗位於所述第二電極外端，且所述雷射照 射窗、所述通孔和所述靶電極位於同一軸線上。與現有技術相比，本發明的雷射觸發真空開關的第一電極和第二電極固定在密閉殼體的兩端，保證了該雷射觸發真空開關可以在高電壓的條件下工作，減少了誤動作的可 能。靶電極設於第一電極一端面，當開關導通時不易發生形變，從而可以延長開關的使用壽 命。此外，所述靶電極、通孔以及雷射照射窗位於同一軸線上，可以保證在各種外界條件下 雷射穩定照射到靶電極，使開關在重複頻率條件下可長期工作，並且便於製造，加工和光路 校準都十分方便，從而可以提高生產效率。優選地，所述雷射照射窗外側設有光纖接口，所述光纖接口與所述通孔位於同一 軸線上，以進一步提高光路校準的簡便性與可靠性。較佳地，所述密閉殼體內還設有屏蔽罩，所述屏蔽罩包括上屏蔽罩、中部屏蔽罩和 下屏蔽罩，所述中部屏蔽罩連接在所述密閉殼體的側壁上，所述上屏蔽罩設於所述密閉殼 體的一端且位於所述第一電極外圍，所述下屏蔽罩設於所述密閉殼體的另一端且位於所述 第二電極外圍。該屏蔽罩用於限制電弧燃燒區域，防止燃弧時金屬蒸汽沉積在絕緣外殼上， 從而保證絕緣外殼不被高溫電弧燒蝕。此外，該屏蔽罩還可以使電弧燃燒電極之後產生的 金屬蒸汽附著在其上面，從而維護開關本體內的電場穩定和較高的真空度。進一步地，所述上屏蔽罩、中部屏蔽罩和下屏蔽罩的外沿均為圓弧導角，以避免產 生電場畸變。較佳地，所述第一電極內設有吸氣通道，所述吸氣通道外端設有吸氣環且內端與 所述密閉殼體內部連通，所述第一電極外端設有罩設於所述吸氣環上的端蓋。優選地，所述第一電極和第二電極之間的間隙為IOmm 15mm。所述第一電極與第二電極由銅和鉻各百分之五十的材料製成，該材料耐真空電弧 能力強，可以保證多次使用之後燒蝕情況良好。。優選地，所述靶電極為鈦粉與氯化鉀的混合物，使得該激發觸發真空開關在對單 次電荷轉移量要求很高或者雷射器性能不是很好的條件下，即小雷射功率下能夠穩定觸 發，所需觸發雷射能量低，導通時承受的電荷庫倫量比較大，並且進一步延長開關的使用壽 命。通過以下的描述並結合附圖，本發明將變得更加清晰，這些附圖用於解釋本發明 的實施例。


圖1為現有的雷射觸發真空開關的結構示意圖。圖2為本發明雷射觸發真空開關的一實施例的結構示意圖。圖3為本發明雷射觸發真空開關的另一實施例的結構示意圖。
具體實施例方式現在參考附圖描述本發明的實施例，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。如 上所述，本發明提供了一種雷射觸發真空開關，該開關結構簡單、觸發性能穩定、使用壽命 長且加工方便。下面將結合附圖詳細闡述本發明實施例的技術方案。如圖2所示，本實施例的激 光觸發真空開關包括密閉殼體1、設於所述密閉殼體1上的第一電極2和第二電極3、以及 雷射照射窗4。所述第一電極2和第二電極3分別固定在所述密閉殼體1的兩端。
具體地，所述密閉殼體1包括絕緣外殼11、上端法蘭12和下端法蘭13，所述上端 法蘭12和下端法蘭13分別固定在所述絕緣外殼11兩端以形成一個封閉的空間。所述第 一電極2通過上端法蘭12固定在所述密閉殼體1上，所述第二電極3通過下端法蘭13固 定在所述密閉殼體1上。進一步地，所述第一電極1包括第一電極柱21和安裝其上的第一電極頭22，第二電極3包括第二電極柱31和安裝其上的第二電極頭32，所述第一電極頭22和第二電極頭 32均使用圓弧導角，形成倒圓臺形電極平臺。所述第一電極2和第二電極3為同軸結構。 所述第二電極3內軸向開設有通孔33，所述第一電極1 一端面上設有與所述通孔33相對的 靶電極5。具體的，所述第一電極頭22面對所述第二電極頭32的端面中部開設有凹槽，所 述靶電極5設於所述凹槽內。所述雷射照射窗4位於所述第二電極3外端且所述雷射照射 窗4、所述通孔33和所述靶電極5位於同一軸線上，從而形成雷射照射通道，使雷射可以射 入開關內部照到所述靶電極5上。所述靶電極5可以為圓盤形，所述通孔33可以為圓形通 孔。所述第一電極2外端開設有4個供螺釘固定的內螺紋孔26，所述第二電極3外端開設 有4個供螺釘固定的內螺紋孔34，便於該雷射觸發真空開關與外電路的電氣與機械連接。本實施例的雷射觸發真空開關的第一電極2和第二電極3固定在密閉殼體1的兩 端，保證了該雷射觸發真空開關可以在高電壓下工作，減少了誤動作的可能。靶電極5嵌設 於第一電極2中部，當開關導通時不易發生形變，從而可以延長開關的使用壽命。此外，所 述靶電極、通孔33以及雷射照射窗4位於同一軸線上使得開關便於製造，加工和光路校準 都十分方便，從而可以提高生產效率。進一步地，所述雷射照射窗4作為雷射入口，可以由石英玻璃、剛玉、藍寶石等材 料製成。如圖所示，在所述第二電極3的外端接有金屬套管35，所述金屬套管正對所述通孔 33，所述雷射照射窗4嵌在所述金屬套管35內並將其密封，從而所述形成雷射照射通道，保 證雷射能夠正常入射並照射到靶電極，以及加工、試驗的通用性。優選地，所述第一電極2和第二電極3之間的間隙為IOmm 15mm，該間隙距離適 中，既可以保證該間隙的絕緣性能，使真空觸發開關能在電極兩端施加幾十千伏的直流電 壓時仍然保持良好的絕緣性能，又可以避免因間距過大而導致真空電弧長度增加，減小電 極表面燒蝕的可能。所述靶電極5為鈦粉與氯化鉀的混合物，使得該激發觸發真空開關在 對單次電荷轉移量要求很高或者雷射器性能不是很好的條件下，即小雷射功率下能夠穩定 觸發，所需觸發雷射能量低，導通時承受的電荷庫倫量比較大，並且可以進一步延長開關的 使用壽命。其重頻特性好，具有很好的抗幹擾信號能力，可滿足脈衝功率裝置中大功率閉合 開關的應用要求。所述第一電極2與第二電極3由銅和鉻各百分之五十的材料製成，該材 料耐真空電弧能力強，可以保證多次使用之後燒蝕情況良好。優選地，所述密閉殼體1內還設有屏蔽罩。作為本發明的優選實施例，該屏蔽罩包 括上屏蔽罩61、中部屏蔽罩62和下屏蔽罩63。所述上屏蔽罩61固定的上端法蘭61內側 且位於所述第一電極2外圍，所述下屏蔽罩63固定在所述下端法蘭13內側且位於所述第 二電極3外圍，所述中部屏蔽罩2通過連接件64固定在所述絕緣外殼11上。該屏蔽罩用 於限制電弧燃燒區域，防止燃弧時金屬蒸汽沉積在絕緣外殼11上，從而保證絕緣外殼11不 被高溫電弧燒蝕。此外，該屏蔽罩還可以使電弧燃燒電極之後產生的金屬蒸汽附著在其上 面，從而維護開關本體內的電場穩定和較高的真空度。所述上屏蔽罩1、中部屏蔽罩2和下屏蔽罩3在外延處均採用圓弧導角，避免產生電場畸變。所述第一電極2內設有吸氣通道23，所述吸氣通道23外端設有吸氣環24且內端 與所述密閉殼體1內部連通，所述第一電極2外端設有罩設於所述吸氣環24上的端蓋25。 具體地，所述第一電極2從外端軸向開設有埋孔23a，所述埋孔23a通過橫向通孔23b與所 述密閉殼體1內部連通，所述埋孔23a和橫向通孔23b形成所述吸氣通道23。所述埋孔23a 外端設有吸氣環24，所述端蓋25罩設於所述吸氣環24上，這樣便於將密閉殼體1內抽成真 空，將其內部壓力維持住。圖3顯示了本發明雷射觸發真空開關的另一實施例。本實施例與上一實施例的不 同之處在於，本實施例的雷射觸發真空開關的雷射照射窗4外側還設有光纖接口 8，所述光 纖接口 8位於與所述雷射照射窗4、所述通孔33同軸的位置上，入射雷射從空氣傳播改為光 纖傳播，可以進一步提高光路校準的可靠性和便捷度。具體地，可以將所述金屬套管35的 外端彎折形成直徑較小的接口 ，供光纖接入，也可以獨立製造安裝在金屬套管35上。
權利要求
一種雷射觸發真空開關，包括密閉殼體(1)、設於所述密閉殼體(1)上的第一電極(2)和第二電極(3)、以及雷射照射窗(4)，其特徵在於所述第一電極(2)和第二電極(3)分別固定在所述密閉殼體(1)的兩端，所述第二電極(3)內軸向開設有通孔(33)，所述第一電極(2)的一端面上設有與所述通孔(33)相對的靶電極(5)，所述雷射照射窗(4)位於所述第二電極(3)外端，且所述雷射照射窗(4)、所述通孔(33)和所述靶電極(5)位於同一軸線上。
2.根據權利要求1所述的雷射觸發真空開關，其特徵在於所述密閉殼體(1)內還設 有屏蔽罩，所述屏蔽罩包括上屏蔽罩(61)、中部屏蔽罩(62)和下屏蔽罩(63)，所述中部屏 蔽罩(62)連接在所述密閉殼體(1)的側壁上，所述上屏蔽罩(61)設於所述密閉殼體(1) 的一端且位於所述第一電極(2)外圍，所述下屏蔽罩(63)設於所述密閉殼體(1)的另一端 且位於所述第二電極(3)外圍。
3.根據權利要求2所述的雷射觸發真空開關，其特徵在於所述上屏蔽罩(61)、中部屏 蔽罩(62)和下屏蔽罩(63)的外沿均為圓弧導角(61a、62a、63a)。
4.根據權利要求1所述的雷射觸發真空開關，其特徵在於所述第一電極(2)內設有 吸氣通道(23)，所述吸氣通道(23)外端設有吸氣環(24)且內端與所述密閉殼體(1)內部 連通，所述第一電極(2)外端設有罩設於所述吸氣環(24)上的端蓋(25)。
5.根據權利要求1所述的雷射觸發真空開關，其特徵在於所述雷射照射窗(4)外側 設有光纖接口(8)，所述光纖接口(8)與所述通孔(33)位於同一軸線上。
6.根據權利要求1所述的雷射觸發真空開關，其特徵在於所述第一電極(2)和第二 電極⑶之間的間隙為IOmm 15mm。
7.根據權利要求1-6任一項所述的雷射觸發真空開關，其特徵在於所述第一電極(2) 和第二電極⑶外端開有多個內螺紋孔(26、34)。
8.根據權利要求1-6所述的雷射觸發真空開關，其特徵在於所述靶電極(5)為鈦粉 與氯化鉀的混合物。
9.根據權利要求1-6任一項所述的雷射觸發真空開關，其特徵在於所述第一電極(2) 與第二電極(3)由銅和鉻各百分之五十的材料製成。
全文摘要
本發明公開了一種雷射觸發真空開關，其包括密閉殼體、設於所述密閉殼體上的第一電極和第二電極、以及雷射照射窗。所述第一電極和第二電極分別固定在所述密閉殼體的兩端。所述第二電極內軸向開設有通孔。所述第一電極的一端面上設有與所述通孔相對的靶電極，所述雷射照射窗位於所述第二電極外端，且所述雷射照射窗、所述通孔和所述靶電極位於同一軸線上。該雷射觸發真空開關結構簡單、觸發性能穩定、使用壽命長且加工方便。
文檔編號H03K17/54GK101820275SQ20101015469
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月20日 優先權日2010年4月20日
發明者何正浩, 劉俊翔, 張召亮, 朱璐, 許宇航 申請人:華中科技大學