用于高功率气体开关的绝缘外壳及其成型模具、制备方法技术

本发明专利技术涉及脉冲驱动源的气体开关，具体涉及一种用于高功率气体开关的绝缘外壳及其成型模具、制备方法，用于解决用于高功率气体开关的绝缘外壳或是体积较大，或是长期运行存在绝缘外壳损坏、失效风险的不足之处。该用于高功率气体开关的绝缘外壳包括绝缘筒和两个金属连接机构，本发明专利技术将需要与气体开关的高压电极相连接的金属连接件预埋入绝缘筒中，形成一体化的绝缘外壳，高压电极与绝缘筒通过连接螺钉连接，连接螺钉的螺纹结构被屏蔽在金属连接件中。同时，本发明专利技术还公开一种上述用于高功率气体开关的绝缘外壳的成型模具及制备方法。气体开关的绝缘外壳的成型模具及制备方法。气体开关的绝缘外壳的成型模具及制备方法。

【技术实现步骤摘要】
用于高功率气体开关的绝缘外壳及其成型模具、制备方法


[0001]本专利技术涉及脉冲驱动源的气体开关，具体涉及一种用于高功率气体开关的绝缘外壳及其成型模具、制备方法。

技术介绍

[0002]快脉冲直线变压器驱动源或者快Marx发生器可直接产生前沿百纳秒到数百纳秒的高功率电脉冲，在Z箍缩惯性约束聚变、高能密度物理等领域具有重要应用前景。大型脉冲功率源中往往含有数量庞大的气体开关。例如美国圣地亚国家实验室设计的Z800装置，需要16.2万只
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100kV高功率气体开关。数万至数十万只气体开关大规模的应用对开关结构设计提出了严峻挑战。作为气体开关密封和电极支撑的核心部件，绝缘外壳是气体开关结构设计和可靠工作的关键。为了满足开关性能一致性的要求，保证所设计的开关结构一致性好，要求绝缘外壳材料受环境影响小，形变小；其次，气体开关腔体须承受高气压，耐受放电产生的紫外照射和电极烧蚀溅射物的附着，要求绝缘外壳材料抗老化强度好；另外开关承受较高的电应力，且放电瞬时腔体内气体膨胀，绝缘外壳受到压力冲击，要求绝缘外壳结构机械稳定性好。如何保证绝缘外壳在高气压、强电应力和冲击下的结构稳定和高可靠成为制约高功率气体开关大规模应用的重要因素之一。
[0003]高功率气体开关的绝缘外壳与高压电极构成密封腔体，绝缘外壳的结构，特别是绝缘外壳的绝缘材料与高压电极的金属材料的可靠牢固连接是开关设计中的重要环节。为了获得更小的开关电感，开关尺寸需要尽可能小，而结构紧凑和绝缘可靠相互矛盾，实现良好的密封和绝缘成为绝缘外壳结构设计的关键点，国内外对此积极开展研究。
[0004]目前典型的绝缘外壳结构有以下几种：
[0005]第一种为拉杆式结构即绝缘外壳为筒型，外部由多个绝缘拉杆将高压电极与筒形外壳拉紧固定，实现密封，例如美国圣地亚国家实验室Z装置中Marx发生器所用的T508开关(K.W.STRUVE,et al.Recent pulsed
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power technology advances in the pulsed power sciences center at Sandia National Laboratories[C]Pulsed Power Conference,2009IET European，Geneva)，西北核技术研究所研制的“闪光二号”所用的高功率气体开关(邱爱慈,等.强流脉冲相对论电子束加速器——闪光二号[J]强激光与粒子束,1991(03))。该结构绝缘外壳端部无强场点，绝缘强度高，但是由于绝缘外壳外部有拉杆，体积较大，电感大。
[0006]第二种结构为在绝缘外壳上留螺纹孔，高压电极通过金属螺钉与绝缘外壳连接。例如西北核技术研究所孙铁平等人研制的多间隙气体开关，绝缘外壳两端用金属螺钉固定，堆栈结构的中间电极置于开关腔体内部(孙铁平,等.快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关[J]强激光与粒子束,2010(07)22：1673
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1676)。该开关安装方便，间隙距离不受绝缘外壳尺寸变化的影响，便于实现开关结构一致性。但是由于螺钉通过高压电极与绝缘筒直接相连，螺纹处电场强度大易发生电晕放电，开关长期运行可能导致绝缘外壳开裂和损坏。为解决上述问题，中国工程物理研究院陈林团队研制的多间隙气体开关的绝缘外
壳带环形槽，2个带螺纹孔的半金属环嵌入槽中并与高压电极连接。金属环将螺钉螺纹处的电场屏蔽，避免了高压强电场，然而由于绝缘筒壁上开槽导致绝缘子连接处的壁厚较小，且应力集中，在振动或者老化情况下有较大断裂风险(Lin Chen,et al.Development of a fusion
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oriented pulsed power module[J]PHYSICAL REVIEW ACCELERATORS AND BEAMS 22(3),030401(2019):030401
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15)。
[0007]第三种结构为绝缘外壳加工外螺纹与带内螺纹的高压电极旋紧以实现密封和电极的固定。西北核技术研究所姜晓峰、中国工程物理研究院姜占兴等人研制的多间隙气体开关均采用了该结构设计(姜晓峰,等.一种多间隙气体开关击穿特性的实验研究[J]高电压技术，2009 01(01)：103
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107；姜占兴,等.用于LTD模块的多间隙气体开关[J]强激光与粒子束,2017(02)29：025007
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5)。该结构中高压电极能够屏蔽螺纹处的电场，减小了由于强的电应力使绝缘外壳绝缘失效的风险。但受到高压电极尺寸限制，绝缘外壳的螺纹长度较短而且螺纹直径较大，绝缘螺纹机械强度不高，长期运行有较大的松脱风险，而且螺纹旋紧压接密封圈受力不均匀，易造成密封圈损失，导致密封不可靠。
[0008]第四种结构为绝缘外壳内表面加工螺纹与带外螺纹的高压电极旋紧以实现密封和电极的固定。中国工程物理研究院伍友成等人研制的200kV小型低电感气体开关采用该结构(伍友成,等.200kV小型低电感气体开关[J]强激光与粒子束,2014(04)26：045034
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5)。该结构可提高了绝缘外壳外沿面距离，但由于高压电极为外螺纹，在开关运行时极易产生电晕放电，致使绝缘结构发生破坏。
[0009]第五种结构为采用分体式绝缘外壳。外壳轴线开孔，高压电极通过轴向孔密封，用螺母固定。实现开关腔体密封的方式可以是在绝缘外壳上加工螺纹，旋转绝缘外壳使其互相拧紧，如西北核技术研究所魏浩等人研制的三电极场畸变气体开关、姜晓峰等人研制的多间隙串联气体开关均采用了该结构(魏浩,等.
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100kV三电极场畸变气体火花开关[J]强激光与粒子束,2012(04)24：881
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884；姜晓峰,等.电晕均压多间隙串联气体开关特性实验[J]强激光与粒子束,2016(07)28：075009
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5)，优点在于开关绝缘沿面距离较长，易于实现小型化设计，但开关结构稳定性取决于绝缘材料螺纹的机械强度，长期运行有松脱风险；也可以分别在绝缘外壳壁上打螺纹孔和通孔，利用绝缘螺栓固定，如华中科技大学何孟兵团队研制的等离子体触发气体开关，该结构面临开关长期运行时绝缘螺栓老化导致开关漏气的问题(Yuansheng Li,et al.A plasma
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triggered gas switch[J]REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 89,094707(2018):094707
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10)。
[0010]综上所述，虽然高功率高电压气体开关得到了广泛的研究，不少气体开关得到了实际应用，但是在数万甚至数十万只气体开关大批量应用需求下，如何实现结构紧凑、可靠性高，稳定性优的绝缘外壳仍亟待解决。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是解决用于高功率气体开关的绝缘外壳或是体积较大，或是长期运行存在绝缘外壳损坏、失效风险的不足之处，而提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高功率气体开关的绝缘外壳，其特征在于：包括绝缘筒(1)，以及两个同轴嵌入在绝缘筒(1)两端的金属连接机构(3)；所述绝缘筒(1)的两端端面均设置有多个圆周均布的第一连接孔，每个所述金属连接机构(3)上设置有多个与第一连接孔对应的第二连接孔，通过多个连接螺钉(2)依次穿过气体开关的高压电极(01)、第一连接孔、第二连接孔将气体开关的两个高压电极(01)与绝缘筒(1)固定，气体开关的两个高压电极(01)与绝缘筒(1)内壁之间形成密封腔，气体开关的两个高压电极(01)与绝缘筒(1)的两端端面之间均设置有密封装置(4)；所述绝缘筒(1)的外壁上设置有连通密封腔的气嘴孔(5)，用于放置气体开关的气嘴(02)。2.根据权利要求1所述的一种用于高功率气体开关的绝缘外壳，其特征在于：所述金属连接机构(3)为环形结构，环形结构的径向宽度大于第一连接孔直径，环形结构上设置所述多个第二连接孔，环形结构的内壁和外壁倒圆角。3.根据权利要求2所述的一种用于高功率气体开关的绝缘外壳，其特征在于：所述环形结构上设置多个限位孔，所述绝缘筒(1)上设置有与限位孔配合的多个限位凸起。4.根据权利要求1所述的一种用于高功率气体开关的绝缘外壳，其特征在于：所述金属连接机构(3)包括多个环形柱，环形柱外径大于第一连接孔直径，每个环形柱上设置一个所述第二连接孔，环形柱外壁倒圆角，环形柱外壁滚花。5.根据权利要求1至4任一所述的一种用于高功率气体开关的绝缘外壳，其特征在于：所述绝缘筒(1)外壁设置有多个沿轴向布置的径向环形凹槽(6)。6.根据权利要求5所述的一种用于高...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜晓峰，孙凤举，刘文元，王志国，降宏瑜，邱爱慈，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：