李安昆,張昊冉,樊玉偉,張自成,錢寶良,舒 挺

(1.武警研究院,北京 100012;2. 西北核技術(shù)研究所,西安 710024;3. 國防科技大學(xué) 前沿交叉學(xué)科學(xué)院,長沙 410073)

在脈沖功率系統(tǒng)中,開關(guān)是決定導(dǎo)通延時、輸出脈沖電壓幅值和波形及穩(wěn)定性等的關(guān)鍵部件,因此,脈沖功率技術(shù)中的開關(guān)研究至關(guān)重要[1-2]。一個性能優(yōu)異的開關(guān)應(yīng)具有滿足應(yīng)用需求的一定的耐壓能力和通流能力、良好的穩(wěn)定性、較長的壽命及高重頻運行等特點。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前尚沒有任何一種開關(guān)能滿足脈沖功率領(lǐng)域的所有需求,因此仍需對開關(guān)技術(shù)進行深入研究,包括開關(guān)結(jié)構(gòu)、材料及觸發(fā)方式等[1-2]。根據(jù)開關(guān)內(nèi)填充的絕緣介質(zhì)可將開關(guān)分為氣體開關(guān)、真空開關(guān)和固體開關(guān)等,其中,氣體開關(guān)因電壓可調(diào)、通流能力強及結(jié)構(gòu)簡單,廣泛應(yīng)用于脈沖功率系統(tǒng)[3]。根據(jù)開關(guān)導(dǎo)通時是否需外部觸發(fā)可將開關(guān)分為觸發(fā)開關(guān)和自擊穿開關(guān),由于自擊穿開關(guān)無須外部觸發(fā)裝置,具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,有利于脈沖功率裝置的小型化,但自擊穿開關(guān)工作電壓穩(wěn)定性稍差,不利于裝置的重頻穩(wěn)定運行,因此,提升自擊穿開關(guān)的導(dǎo)通穩(wěn)定性一直是研究的熱點[4-5]。

碳纖維作為一種新型陰極材料在高功率微波領(lǐng)域得到了較廣泛的研究,并取得了較好的應(yīng)用效果,碳纖維陰極具有發(fā)射閾值低、發(fā)射均勻性好、發(fā)射穩(wěn)定性好、壽命長及出氣率低等優(yōu)點[6-15]?；谔祭w維材料的優(yōu)點,用于脈沖功率自擊穿氣體開關(guān)電極中有望改善開關(guān)的穩(wěn)定性等性能。文獻[16]將碳纖維-金屬基復(fù)合材料電極用于場畸變開關(guān)中進行了研究,不僅使二極管的電壓電流脈寬變寬,且使裝置運行更穩(wěn)定,大大降低了實驗噪聲;文獻[3]對基于碳纖維電極的空氣火花開關(guān)進行了初步實驗研究,當(dāng)開關(guān)間隙為12 mm時,1 Hz重頻模式下共測試了超過1 300個脈沖,實驗結(jié)果表明,開關(guān)自擊穿電壓穩(wěn)定在約25 kV,平均擊穿電壓抖動約為5%,優(yōu)于銅電極,初步證明了碳纖維陰極型氣體火花開關(guān)的可行性。文獻[16]中的復(fù)合材料雖使用了碳纖維,但實際上更接近金屬材料的性質(zhì)而不是碳纖維材料,此外文獻[3]中碳纖維電極開關(guān)的工作電壓較低,為進一步研究碳纖維材料用于更高功率脈沖開關(guān)中的性能,本文將碳纖維材料制成的電極用于一個高電壓(>500 kV)、大電流(>10 kA)脈沖功率自擊穿氣體(SF6)開關(guān)中,在不同的開關(guān)間距和氣壓條件下對碳纖維電極開關(guān)的耐壓能力和工作穩(wěn)定性進行了實驗研究,并與銅鎢合金電極開關(guān)進行了對比。實驗結(jié)果表明,碳纖維作為電極材料的耐壓能力不如銅鎢合金電極開關(guān),工作穩(wěn)定性也不如銅鎢合金電極,但有望通過改進碳纖維電極結(jié)構(gòu)和制備工藝在一定程度上改善其穩(wěn)定性。雖然實驗結(jié)果表明碳纖維電極的耐壓能力和穩(wěn)定性不如銅鎢合金電極,但是相關(guān)結(jié)果可為研究人員選用碳纖維作為電極或陰極材料提供參考。

1 實驗設(shè)置

碳纖維電極應(yīng)用的開關(guān)是Heart-50加速器中的主開關(guān),Heart-50加速器系統(tǒng)及常用主開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示,其中初級能源的充電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)未在圖1中畫出。初級能源的充電電壓經(jīng)Tesla變壓器升壓后為脈沖形成線充電,主開關(guān)設(shè)置在脈沖形成線和脈沖傳輸線之間,脈沖傳輸線后接負載真空二極管。常用主開關(guān)的電極材料通常是銅鎢合金,開關(guān)間距d為43 mm,內(nèi)部充SF6氣體,通過調(diào)節(jié)SF6氣體的氣壓調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通電壓,從而調(diào)節(jié)二極管端的電壓。實驗中為Tesla變壓器充電的初級能源的充電電壓均設(shè)置為42 kV。

(a) Heart-50 accelerator system

(b) Main switch圖1 Heart-50加速器系統(tǒng)及常用主開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Heart-50 accelerator system and commonly used main switch structure

Heart-50加速器主開關(guān)中通常使用的銅鎢合金電極如圖 2和圖 3所示。

圖2 開關(guān)銅鎢合金右側(cè)電極Fig.2 The right side electrode of tungsten-copper alloy

圖3 使用后開關(guān)銅鎢合金左側(cè)電極Fig.3 The left side electrode of used tungsten-copper alloy

本文實驗只將開關(guān)左側(cè)電極的發(fā)射材料由銅鎢合金替換成碳纖維材料,同時為方便制備,對左側(cè)電極結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整,即用于該開關(guān)左側(cè)的碳纖維電極與銅鎢合金電極結(jié)構(gòu)不同;右側(cè)電極材料和結(jié)構(gòu)均未發(fā)生改變,只在調(diào)節(jié)開關(guān)間距時調(diào)整了右側(cè)電極右端的圓柱體(如圖 1(b)所示)的長度。圖 4為銅鎢合金開關(guān)左側(cè)電極結(jié)構(gòu),圖 5為碳纖維開關(guān)電極結(jié)構(gòu)。

圖4 銅鎢合金開關(guān)左側(cè)電極結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the left side electrode of tungsten-copper alloy

圖5 碳纖維開關(guān)電極結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of the carbon fiber electrode

由圖4和圖5可見,二者左側(cè)與基座相連的一端完全相同,區(qū)別是右側(cè)用于發(fā)射電子的一端。銅鎢合金電極發(fā)射面是右端一圈環(huán)形的圓弧凸起面,環(huán)形中心圓直徑約為4 cm,圖3中環(huán)形的寬度約為4 mm,但由于此環(huán)形中心相對于兩側(cè)凸起,因此主要發(fā)射區(qū)的寬度約為2.5 mm,據(jù)此估算得到環(huán)形發(fā)射區(qū)面積約為3.14 cm2。碳纖維電極中,碳纖維插入并固定于右側(cè)直徑為20 mm的凹槽中,修剪后,碳纖維右側(cè)尖端與右側(cè)平面平齊或略長于右側(cè)金屬面,由于碳纖維的發(fā)射閾值遠低于金屬,因此碳纖維右側(cè)尖端所在直徑為20 mm的圓平面在工作中是實際的發(fā)射面,面積約為3.14 cm2。因此經(jīng)估算,碳纖維電極與銅鎢合金電極的設(shè)計發(fā)射面積基本一致,本文計算電流密度時均以3 cm2作為發(fā)射面積進行計算。碳纖維電極的基座等其他部分采用不銹鋼或鋁材料,通過機械加工制成,圖 6為碳纖維開關(guān)電極的實物圖。

(a) Vertical view

(b) Oblique view圖6 碳纖維開關(guān)電極的實物圖Fig.6 Photos of the carbon fiber electrode

實驗主要研究開關(guān)的耐壓能力和導(dǎo)通電壓的穩(wěn)定性,因此主要關(guān)注開關(guān)的導(dǎo)通電壓Vb及二極管負載獲得的電壓Vd及電流Id等參數(shù),這些參數(shù)均可從相應(yīng)的實驗波形得到:Tesla變壓器對脈沖形成線的充電電壓VT波形(由電容分壓器測量)的峰值即為Vb;二極管電壓Vd波形由電阻分壓器測量;二極管電流Id由羅氏線圈測量得到,根據(jù)電流守恒,在不考慮損耗的情況下認為通過開關(guān)的電流等于二極管電流。如當(dāng)主開關(guān)電極材料是常規(guī)銅鎢合金材料時,單脈沖實驗中獲得的典型實驗波形如圖7所示。

(a) 2 μs per divide

(b) 100 ns per divide圖7 當(dāng)主開關(guān)電極材料是常規(guī)銅鎢合金材料時,單脈沖實驗中獲得的的典型實驗波形Fig.7 The typical experimental waveform obtained in a single pulse experiment when the electrode material of the main switch is a conventional copper tungsten alloy material

由于Vb,Vd,Id均可從實驗波形中獲得,因此通過比較實驗信號波形的重疊程度就可比較開關(guān)的穩(wěn)定性。

2 實驗結(jié)果

首先給出銅鎢合金電極開關(guān)的實驗結(jié)果作為碳纖維電極開關(guān)的參照對象。在通常使用的銅鎢合金電極開關(guān)實驗中,開關(guān)間距固定為43 mm,只改變SF6氣體氣壓和工作模式。開關(guān)氣壓p、重復(fù)頻率f及連續(xù)工作脈沖數(shù)N不同時,常用銅鎢合金開關(guān)的典型實驗波形如圖8所示。

(a) p=1.2×105 Pa ,f =1 Hz, N=5

(b) p=1.2×105 Pa, f=2 Hz, N=10

(c) p=1.2×105 Pa, f=3 Hz, N=10

(d) p=1.8×105 Pa, f=1 Hz, N=5

(e) p=1.8×105 Pa, f=2 Hz, N=8

(f) p=1.8×105 Pa, f=3 Hz, N=8圖8 開關(guān)氣壓、重復(fù)頻率及連續(xù)工作脈沖數(shù)不同時,常用銅鎢合金開關(guān)時的典型實驗波形Fig.8 Typical experimental waveforms of commonly used copper tungsten alloy switches with different switching pressure, repetition frequency, and continuous working pulse numbers

由圖8可見,一方面波形不完全重疊,說明開關(guān)導(dǎo)通電壓有抖動;但另一方面是波形的總體重疊程度較高,也就說明開關(guān)總體穩(wěn)定性較好、抖動較小。銅鎢合金電極開關(guān)中,當(dāng)主開關(guān)充氣氣壓約為1.2×105Pa時,導(dǎo)通電壓Vb和二極管電壓Vd分別約為(743±15),(337±6) kV,開關(guān)通過的電流Id為(21±1) kA,電流密度Jd約7 kA·cm-2;當(dāng)主開關(guān)充氣氣壓約為1.8×105Pa時,導(dǎo)通電壓和二極管電壓分別約為(932±25) kV,(413±13) kV,開關(guān)通過的電流為(28.5±1) kA,電流密度約為9.5 kA·cm-2。

在使用碳纖維電極開關(guān)的實驗中,測試了間距為41 mm和51 mm的2種情況。間距為41 mm時,碳纖維電極開關(guān)的典型實驗波形如圖 9所示。

(a) p=1.2×105 Pa, f =1 Hz, N=5

(b) p=1.2×105 Pa, f=2 Hz, N=10

(c) p=1.2×105 Pa, f=3 Hz, N=10

(d) p=1.8×105 Pa; f=1 Hz; N=5

(e) p=1.8×105 Pa, f=2 Hz, N=10

(f) p=1.8×105 Pa, f=3 Hz, N=10圖9 間距為41 mm時,碳纖維電極開關(guān)的典型實驗波形Fig.9 Typical experimental waveforms of carbon fiber electrode switch with a gap of 41 mm

由圖9和圖8對比可見,碳纖維電極開關(guān)的穩(wěn)定性不如銅鎢合金開關(guān):波形的重疊程度小,尤其是形成線充電電壓波形的下降沿和峰值明顯不重疊。開關(guān)間距為41 mm時,實驗共進行了約233個脈沖,電流密度為2.5～7.5 kA·cm-2,電流為7.5～22.5 kA。

圖 10為實驗后的碳纖維開關(guān)電極照片。

圖10 實驗后的碳纖維開關(guān)電極照片F(xiàn)ig.10 Photo of carbon fiber switch electrode after experiment

由圖10可見,實驗之后的碳纖維出現(xiàn)了明顯的損壞:實驗之前,碳纖維經(jīng)修剪之后,尖端基本與金屬基座平面平齊,且分布較均勻;實驗之后碳纖維參差不齊,整體長度低于金屬面,說明碳纖維尖端出現(xiàn)斷裂,且出現(xiàn)多處因碳纖維斷裂長度不一致而導(dǎo)致的明顯凹陷;另一方面,開關(guān)陰極金屬基座平面上出現(xiàn)許多發(fā)射的痕跡。間距為41 mm的實驗中,當(dāng)開關(guān)氣壓升高到2.3 ×105Pa及以上時,開關(guān)難以導(dǎo)通而出現(xiàn)爬電;開關(guān)氣壓為1.2×105,1.8×105,2.1×105Pa時,導(dǎo)通電壓分別為(558±80),(656±60),(583±60) kV,相應(yīng)的二極管電壓分別為(225±27) ,(261±20),(233±40) kV。間距為41 mm的實驗結(jié)果表明,碳纖維材料在開關(guān)中使用時,穩(wěn)定性較差且壽命較短,與銅鎢合金電極開關(guān)相比,最高導(dǎo)通電壓較小。為提高導(dǎo)通電壓,本文又進行了間距為51 mm的實驗。

間距為51 mm的實驗中,電極上更換了新的碳纖維。這部分實驗中的典型實驗波形與間距為41 mm的波形類似,即重疊性差,反映出碳纖維電極開關(guān)的穩(wěn)定性不如銅鎢合金電極開關(guān)。間距為51 mm的實驗中,開關(guān)內(nèi)氣體氣壓逐步從0.4×105Pa升高到2.2×105Pa,當(dāng)開關(guān)氣壓為0.4×105, 0.8×105,1.2×105,1.8×105, 2.2×105Pa時,導(dǎo)通電壓分別(598±30),(623±50),(740±60),(765±80),(755±75) kV,相應(yīng)的二極管電壓分別為(222±10),(230±15),(280±30),(295±35),(285±20) kV。實驗中,共進行了297個脈沖,電流密度為4.5～8.5 kA·cm-2,電流為13.5～25.5 kA。實驗后的碳纖維電極與間距為41 mm的實驗后類似,但碳纖維損傷更嚴重,斷裂脫落現(xiàn)象更明顯,纖維整體長度低于電極金屬面。間距為51 mm的實驗結(jié)果同樣表明,碳纖維材料在開關(guān)中使用時,穩(wěn)定性較差且壽命較短,與間距為41 mm的開關(guān)相比,耐壓能力未明顯提高。

3 結(jié)果分析與討論

將碳纖維材料應(yīng)用于脈沖功率開關(guān)的出發(fā)點是考慮到碳纖維材料有許多優(yōu)點,可能有助于改善開關(guān)的性能:碳纖維發(fā)射閾值低,有望降低開關(guān)導(dǎo)通電壓抖動,使開關(guān)穩(wěn)定性更好;碳纖維耐燒蝕性好,有望延長開關(guān)壽命。顯然,本文實驗條件下,碳纖維材料不合適作為開關(guān)電極材料,其性能與銅鎢合金相差較遠。實驗結(jié)果統(tǒng)計如表1所列,導(dǎo)通電壓、二極管電壓實驗結(jié)果統(tǒng)計如圖11所示。

表1 實驗結(jié)果統(tǒng)計表Tab.1 Results of experiments

(a) Carbon fiber electrode with switch gap of 41 mm

(b) Carbon fiber electrode with switch gap of 51 mm

(c) Tungsten-copper alloy electrode with switch gap of in 43 mm圖11 導(dǎo)通電壓、二極管電壓實驗結(jié)果統(tǒng)計圖Fig.11 Statistical results of breakdown voltage and diode voltage

由實驗結(jié)果可知,碳纖維電極開關(guān)的穩(wěn)定性不如銅鎢合金電極開關(guān)。根據(jù)氣體開關(guān)的相關(guān)理論[1-2],當(dāng)氣體種類和開關(guān)電極材料確定之后,開關(guān)的導(dǎo)通電壓是開關(guān)間隙距離和開關(guān)內(nèi)氣體氣壓乘積的函數(shù)。開關(guān)導(dǎo)通的過程,需有第一個能引發(fā)電子雪崩的電子出現(xiàn),而這個電子可能來源于宇宙射線、紫外線、X射線及放射性γ輻射等對氣體原子的電離和誘發(fā)電極表面發(fā)射光電子,也可能來自于電極表面的電子發(fā)射。在開關(guān)電極中采用碳纖維材料,由于發(fā)射電場閾值低,增大了第一個能引發(fā)電子雪崩的電子出現(xiàn)的概率(所需電壓更低);銅鎢合金電極開關(guān),由于發(fā)射電場閾值高,第一個電子來自于電極電子發(fā)射的概率較小,也使第一個電子總的出現(xiàn)概率較小(所需電壓更高)。而在第一個能引發(fā)電子雪崩的電子出現(xiàn)后,開關(guān)發(fā)展到完全導(dǎo)通的過程對碳纖維電極開關(guān)與銅鎢合金電極開關(guān)應(yīng)是一致的。因此,碳纖維電極開關(guān)的穩(wěn)定性應(yīng)好于銅鎢合金開關(guān),但實驗結(jié)果卻給出了相反的結(jié)論。分析認為,穩(wěn)定性差的原因在于開關(guān)電極中碳纖維長度不一致及碳纖維電極的平面發(fā)射結(jié)構(gòu)。實驗前,經(jīng)修剪盡量使碳纖維長度一致,尖端處于同一個平面,但這種一致只是目視一致,未使用過的碳纖維電極表面微觀形貌如圖12所示。由圖12可見,在微米尺度上,每一根碳纖維長度都不一致。由于每一根碳纖維的直徑約為6 μm,而長度差往往為幾十到幾百微米,場增強因子與長徑比正相關(guān),因此,這種長度不一致會造成場增強因子相差較大,從而對電子發(fā)射造成較大影響(第一個電子來自于不同長度的碳纖維,則需不同的導(dǎo)通電壓),使得穩(wěn)定性較差。與碳纖維電極由碳纖維尖端所在平面發(fā)射相比,常用銅鎢合金電極由環(huán)形圓弧凸起面發(fā)射,后者的凸起結(jié)構(gòu)更易使環(huán)形圓弧凸起處的電場強度最大,從而每次發(fā)射都在這環(huán)形凸起內(nèi)開始,因此更穩(wěn)定。為提高碳纖維電極開關(guān)的穩(wěn)定性,一是需進一步提高對碳纖維的修剪水平,使修剪之后的碳纖維更加整齊,長度更加一致;二是考慮改進碳纖維電極的結(jié)構(gòu),將碳纖維固定成環(huán)形分布在開關(guān)電極上,使其與銅鎢合金電極具有相同的環(huán)形發(fā)射面。

圖12 實驗前碳纖維電極表面微觀形貌(放大3 000倍)Fig.12 Surface morphology of carbon fiber electrode before experiments (Zoom in 3 000 times)

耐壓方面,對于41 mm、51 mm的間距,在增大開關(guān)內(nèi)SF6氣壓的過程中,碳纖維電極開關(guān)所能承受的最高導(dǎo)通電壓約為800 kV,二極管電壓約為300 kV。與之相比,間距為43 mm的銅鎢合金開關(guān),開關(guān)內(nèi)SF6氣壓在(0.4～2.8)×105Pa之間調(diào)整時,二極管電壓為250～600 kV。當(dāng)間距相近(41 mm、51 mm)、氣壓相近(1.2×105Pa,1.8×105Pa)時,碳纖維電極開關(guān)耐壓不如銅鎢合金電極開關(guān)。這是由于碳纖維發(fā)射閾值低,易產(chǎn)生第一個引起雪崩的電子,因此耐壓強度小。因此可推斷,若開關(guān)間距較長,氣壓較高,碳纖維電極的耐壓強度有望進一步提高。但在相近的開關(guān)間距和氣壓下,碳纖維電極的耐壓能力不如銅鎢合金電極。

壽命方面,在間距41 mm和51 mm的實驗中,碳纖維電極上的碳纖維均在使用不足300個脈沖情況下就出現(xiàn)了大量的斷裂和脫落情況,且開關(guān)的導(dǎo)通電壓穩(wěn)定性也越來越差,這說明碳纖維電極開關(guān)在本文實驗條件中的壽命不足300個脈沖。與之相比,銅鎢合金電極在類似的條件下往往可使用上千個脈沖而無須維護。因此,作為電極材料,銅鎢合金更耐燒蝕,而壽命更長。文獻[3]將碳纖維作為電極材料應(yīng)用于空氣開關(guān)中,在電壓約為25 kV,電流約為6 kA,電流密度約為21 kA·cm-2的實驗條件下,在重復(fù)頻率為1 Hz時累計工作了1 300個脈沖之后,碳纖維也出現(xiàn)了明顯斷裂現(xiàn)象,但工作電壓在1 000個脈沖之后仍較穩(wěn)定。文獻[3]實驗中碳纖維比本文使用的脈沖數(shù)更多,分析其原因為:碳纖維電極開關(guān)中填充的氣體是空氣,空氣中主要成分是N2,而本文的開關(guān)中用的是SF6氣體,與N2相比,雖處于具有腐蝕性的SF6氣體環(huán)境中的金屬開關(guān)電極材料的燒蝕更嚴重[17],但由于SF6理論上不會與碳纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此SF6氣體的存在不是導(dǎo)致碳纖維使用脈沖數(shù)更少的原因;此外,文獻[3]中,開關(guān)工作電壓約為25 kV,遠小于本文實驗的工作電壓(導(dǎo)通電壓為500～800 kV),工作電壓越低,碳纖維在發(fā)射時所受的電動力越小,則斷裂的可能性越小,因此,工作電壓更高可能是導(dǎo)致本文碳纖維在開關(guān)中使用后出現(xiàn)更嚴重斷裂損壞,即壽命更短的原因。

4 結(jié)論

實驗結(jié)果表明,雖然碳纖維材料作為陰極材料具有許多優(yōu)異性能,而作為開關(guān)電極材料,在相近開關(guān)間距和氣壓條件下的耐壓能力、穩(wěn)定性及壽命不如銅鎢合金開關(guān),但分析認為,通過改進該碳纖維開關(guān)的結(jié)構(gòu)和制備工藝有望改善穩(wěn)定性。結(jié)合壽命來看,碳纖維電極可能更適用于低功率、低電壓及小電流的開關(guān)。在選用碳纖維材料用作電極或陰極材料時,需綜合考慮使用條件。本文的實驗結(jié)果可為研究人員提供相關(guān)參考。

致謝

感謝羅玲工程師和朱為興工程師在實驗中提供的幫助。