高电压大电流环境下碳纤维电极开关

李安昆,张昊冉,樊玉伟,张自成,钱宝良,舒 挺

(1.武警研究院,北京 100012;2. 西北核技术研究所,西安 710024;3. 国防科技大学 前沿交叉学科学院,长沙 410073)

在脉冲功率系统中,开关是决定导通延时、输出脉冲电压幅值和波形及稳定性等的关键部件,因此,脉冲功率技术中的开关研究至关重要[1-2]。一个性能优异的开关应具有满足应用需求的一定的耐压能力和通流能力、良好的稳定性、较长的寿命及高重频运行等特点。经过几十年的发展,目前尚没有任何一种开关能满足脉冲功率领域的所有需求,因此仍需对开关技术进行深入研究,包括开关结构、材料及触发方式等[1-2]。根据开关内填充的绝缘介质可将开关分为气体开关、真空开关和固体开关等,其中,气体开关因电压可调、通流能力强及结构简单,广泛应用于脉冲功率系统[3]。根据开关导通时是否需外部触发可将开关分为触发开关和自击穿开关,由于自击穿开关无须外部触发装置,具有结构简单的优点,有利于脉冲功率装置的小型化,但自击穿开关工作电压稳定性稍差,不利于装置的重频稳定运行,因此,提升自击穿开关的导通稳定性一直是研究的热点[4-5]。

碳纤维作为一种新型阴极材料在高功率微波领域得到了较广泛的研究,并取得了较好的应用效果,碳纤维阴极具有发射阈值低、发射均匀性好、发射稳定性好、寿命长及出气率低等优点[6-15]。基于碳纤维材料的优点,用于脉冲功率自击穿气体开关电极中有望改善开关的稳定性等性能。文献[16]将碳纤维-金属基复合材料电极用于场畸变开关中进行了研究,不仅使二极管的电压电流脉宽变宽,且使装置运行更稳定,大大降低了实验噪声;文献[3]对基于碳纤维电极的空气火花开关进行了初步实验研究,当开关间隙为12 mm时,1 Hz重频模式下共测试了超过1 300个脉冲,实验结果表明,开关自击穿电压稳定在约25 kV,平均击穿电压抖动约为5%,优于铜电极,初步证明了碳纤维阴极型气体火花开关的可行性。文献[16]中的复合材料虽使用了碳纤维,但实际上更接近金属材料的性质而不是碳纤维材料,此外文献[3]中碳纤维电极开关的工作电压较低,为进一步研究碳纤维材料用于更高功率脉冲开关中的性能,本文将碳纤维材料制成的电极用于一个高电压(>500 kV)、大电流(>10 kA)脉冲功率自击穿气体(SF6)开关中,在不同的开关间距和气压条件下对碳纤维电极开关的耐压能力和工作稳定性进行了实验研究,并与铜钨合金电极开关进行了对比。实验结果表明,碳纤维作为电极材料的耐压能力不如铜钨合金电极开关,工作稳定性也不如铜钨合金电极,但有望通过改进碳纤维电极结构和制备工艺在一定程度上改善其稳定性。虽然实验结果表明碳纤维电极的耐压能力和稳定性不如铜钨合金电极,但是相关结果可为研究人员选用碳纤维作为电极或阴极材料提供参考。

1 实验设置

碳纤维电极应用的开关是Heart-50加速器中的主开关,Heart-50加速器系统及常用主开关结构示意图如图 1所示,其中初级能源的充电系统和控制系统未在图1中画出。初级能源的充电电压经Tesla变压器升压后为脉冲形成线充电,主开关设置在脉冲形成线和脉冲传输线之间,脉冲传输线后接负载真空二极管。常用主开关的电极材料通常是铜钨合金,开关间距d为43 mm,内部充SF6气体,通过调节SF6气体的气压调节开关导通电压,从而调节二极管端的电压。实验中为Tesla变压器充电的初级能源的充电电压均设置为42 kV。

(a) Heart-50 accelerator system

(b) Main switch图1 Heart-50加速器系统及常用主开关结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Heart-50 accelerator system and commonly used main switch structure

Heart-50加速器主开关中通常使用的铜钨合金电极如图 2和图 3所示。

图2 开关铜钨合金右侧电极Fig.2 The right side electrode of tungsten-copper alloy

图3 使用后开关铜钨合金左侧电极Fig.3 The left side electrode of used tungsten-copper alloy

本文实验只将开关左侧电极的发射材料由铜钨合金替换成碳纤维材料,同时为方便制备,对左侧电极结构进行了调整,即用于该开关左侧的碳纤维电极与铜钨合金电极结构不同;右侧电极材料和结构均未发生改变,只在调节开关间距时调整了右侧电极右端的圆柱体(如图 1(b)所示)的长度。图 4为铜钨合金开关左侧电极结构,图 5为碳纤维开关电极结构。

图4 铜钨合金开关左侧电极结构Fig.4 Structure of the left side electrode of tungsten-copper alloy

图5 碳纤维开关电极结构Fig.5 Structure of the carbon fiber electrode

由图4和图5可见,二者左侧与基座相连的一端完全相同,区别是右侧用于发射电子的一端。铜钨合金电极发射面是右端一圈环形的圆弧凸起面,环形中心圆直径约为4 cm,图3中环形的宽度约为4 mm,但由于此环形中心相对于两侧凸起,因此主要发射区的宽度约为2.5 mm,据此估算得到环形发射区面积约为3.14 cm2。碳纤维电极中,碳纤维插入并固定于右侧直径为20 mm的凹槽中,修剪后,碳纤维右侧尖端与右侧平面平齐或略长于右侧金属面,由于碳纤维的发射阈值远低于金属,因此碳纤维右侧尖端所在直径为20 mm的圆平面在工作中是实际的发射面,面积约为3.14 cm2。因此经估算,碳纤维电极与铜钨合金电极的设计发射面积基本一致,本文计算电流密度时均以3 cm2作为发射面积进行计算。碳纤维电极的基座等其他部分采用不锈钢或铝材料,通过机械加工制成,图 6为碳纤维开关电极的实物图。

(a) Vertical view

(b) Oblique view图6 碳纤维开关电极的实物图Fig.6 Photos of the carbon fiber electrode

实验主要研究开关的耐压能力和导通电压的稳定性,因此主要关注开关的导通电压Vb及二极管负载获得的电压Vd及电流Id等参数,这些参数均可从相应的实验波形得到:Tesla变压器对脉冲形成线的充电电压VT波形(由电容分压器测量)的峰值即为Vb;二极管电压Vd波形由电阻分压器测量;二极管电流Id由罗氏线圈测量得到,根据电流守恒,在不考虑损耗的情况下认为通过开关的电流等于二极管电流。如当主开关电极材料是常规铜钨合金材料时,单脉冲实验中获得的典型实验波形如图7所示。

(a) 2 μs per divide

(b) 100 ns per divide图7 当主开关电极材料是常规铜钨合金材料时,单脉冲实验中获得的的典型实验波形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均可从实验波形中获得,因此通过比较实验信号波形的重叠程度就可比较开关的稳定性。

2 实验结果

首先给出铜钨合金电极开关的实验结果作为碳纤维电极开关的参照对象。在通常使用的铜钨合金电极开关实验中,开关间距固定为43 mm,只改变SF6气体气压和工作模式。开关气压p、重复频率f及连续工作脉冲数N不同时,常用铜钨合金开关的典型实验波形如图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图8 开关气压、重复频率及连续工作脉冲数不同时,常用铜钨合金开关时的典型实验波形Fig.8 Typical experimental waveforms of commonly used copper tungsten alloy switches with different switching pressure, repetition frequency, and continuous working pulse numbers

由图8可见,一方面波形不完全重叠,说明开关导通电压有抖动;但另一方面是波形的总体重叠程度较高,也就说明开关总体稳定性较好、抖动较小。铜钨合金电极开关中,当主开关充气气压约为1.2×105Pa时,导通电压Vb和二极管电压Vd分别约为(743±15),(337±6) kV,开关通过的电流Id为(21±1) kA,电流密度Jd约7 kA·cm-2;当主开关充气气压约为1.8×105Pa时,导通电压和二极管电压分别约为(932±25) kV,(413±13) kV,开关通过的电流为(28.5±1) kA,电流密度约为9.5 kA·cm-2。

在使用碳纤维电极开关的实验中,测试了间距为41 mm和51 mm的2种情况。间距为41 mm时,碳纤维电极开关的典型实验波形如图 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图9 间距为41 mm时,碳纤维电极开关的典型实验波形Fig.9 Typical experimental waveforms of carbon fiber electrode switch with a gap of 41 mm

由图9和图8对比可见,碳纤维电极开关的稳定性不如铜钨合金开关:波形的重叠程度小,尤其是形成线充电电压波形的下降沿和峰值明显不重叠。开关间距为41 mm时,实验共进行了约233个脉冲,电流密度为2.5～7.5 kA·cm-2,电流为7.5～22.5 kA。

图 10为实验后的碳纤维开关电极照片。

图10 实验后的碳纤维开关电极照片Fig.10 Photo of carbon fiber switch electrode after experiment

由图10可见,实验之后的碳纤维出现了明显的损坏:实验之前,碳纤维经修剪之后,尖端基本与金属基座平面平齐,且分布较均匀;实验之后碳纤维参差不齐,整体长度低于金属面,说明碳纤维尖端出现断裂,且出现多处因碳纤维断裂长度不一致而导致的明显凹陷;另一方面,开关阴极金属基座平面上出现许多发射的痕迹。间距为41 mm的实验中,当开关气压升高到2.3 ×105Pa及以上时,开关难以导通而出现爬电;开关气压为1.2×105,1.8×105,2.1×105Pa时,导通电压分别为(558±80),(656±60),(583±60) kV,相应的二极管电压分别为(225±27) ,(261±20),(233±40) kV。间距为41 mm的实验结果表明,碳纤维材料在开关中使用时,稳定性较差且寿命较短,与铜钨合金电极开关相比,最高导通电压较小。为提高导通电压,本文又进行了间距为51 mm的实验。

间距为51 mm的实验中,电极上更换了新的碳纤维。这部分实验中的典型实验波形与间距为41 mm的波形类似,即重叠性差,反映出碳纤维电极开关的稳定性不如铜钨合金电极开关。间距为51 mm的实验中,开关内气体气压逐步从0.4×105Pa升高到2.2×105Pa,当开关气压为0.4×105, 0.8×105,1.2×105,1.8×105, 2.2×105Pa时,导通电压分别(598±30),(623±50),(740±60),(765±80),(755±75) kV,相应的二极管电压分别为(222±10),(230±15),(280±30),(295±35),(285±20) kV。实验中,共进行了297个脉冲,电流密度为4.5～8.5 kA·cm-2,电流为13.5～25.5 kA。实验后的碳纤维电极与间距为41 mm的实验后类似,但碳纤维损伤更严重,断裂脱落现象更明显,纤维整体长度低于电极金属面。间距为51 mm的实验结果同样表明,碳纤维材料在开关中使用时,稳定性较差且寿命较短,与间距为41 mm的开关相比,耐压能力未明显提高。

3 结果分析与讨论

将碳纤维材料应用于脉冲功率开关的出发点是考虑到碳纤维材料有许多优点,可能有助于改善开关的性能:碳纤维发射阈值低,有望降低开关导通电压抖动,使开关稳定性更好;碳纤维耐烧蚀性好,有望延长开关寿命。显然,本文实验条件下,碳纤维材料不合适作为开关电极材料,其性能与铜钨合金相差较远。实验结果统计如表1所列,导通电压、二极管电压实验结果统计如图11所示。

表1 实验结果统计表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图11 导通电压、二极管电压实验结果统计图Fig.11 Statistical results of breakdown voltage and diode voltage

由实验结果可知,碳纤维电极开关的稳定性不如铜钨合金电极开关。根据气体开关的相关理论[1-2],当气体种类和开关电极材料确定之后,开关的导通电压是开关间隙距离和开关内气体气压乘积的函数。开关导通的过程,需有第一个能引发电子雪崩的电子出现,而这个电子可能来源于宇宙射线、紫外线、X射线及放射性γ辐射等对气体原子的电离和诱发电极表面发射光电子,也可能来自于电极表面的电子发射。在开关电极中采用碳纤维材料,由于发射电场阈值低,增大了第一个能引发电子雪崩的电子出现的概率(所需电压更低);铜钨合金电极开关,由于发射电场阈值高,第一个电子来自于电极电子发射的概率较小,也使第一个电子总的出现概率较小(所需电压更高)。而在第一个能引发电子雪崩的电子出现后,开关发展到完全导通的过程对碳纤维电极开关与铜钨合金电极开关应是一致的。因此,碳纤维电极开关的稳定性应好于铜钨合金开关,但实验结果却给出了相反的结论。分析认为,稳定性差的原因在于开关电极中碳纤维长度不一致及碳纤维电极的平面发射结构。实验前,经修剪尽量使碳纤维长度一致,尖端处于同一个平面,但这种一致只是目视一致,未使用过的碳纤维电极表面微观形貌如图12所示。由图12可见,在微米尺度上,每一根碳纤维长度都不一致。由于每一根碳纤维的直径约为6 μm,而长度差往往为几十到几百微米,场增强因子与长径比正相关,因此,这种长度不一致会造成场增强因子相差较大,从而对电子发射造成较大影响(第一个电子来自于不同长度的碳纤维,则需不同的导通电压),使得稳定性较差。与碳纤维电极由碳纤维尖端所在平面发射相比,常用铜钨合金电极由环形圆弧凸起面发射,后者的凸起结构更易使环形圆弧凸起处的电场强度最大,从而每次发射都在这环形凸起内开始,因此更稳定。为提高碳纤维电极开关的稳定性,一是需进一步提高对碳纤维的修剪水平,使修剪之后的碳纤维更加整齐,长度更加一致;二是考虑改进碳纤维电极的结构,将碳纤维固定成环形分布在开关电极上,使其与铜钨合金电极具有相同的环形发射面。

图12 实验前碳纤维电极表面微观形貌(放大3 000倍)Fig.12 Surface morphology of carbon fiber electrode before experiments (Zoom in 3 000 times)

耐压方面,对于41 mm、51 mm的间距,在增大开关内SF6气压的过程中,碳纤维电极开关所能承受的最高导通电压约为800 kV,二极管电压约为300 kV。与之相比,间距为43 mm的铜钨合金开关,开关内SF6气压在(0.4～2.8)×105Pa之间调整时,二极管电压为250～600 kV。当间距相近(41 mm、51 mm)、气压相近(1.2×105Pa,1.8×105Pa)时,碳纤维电极开关耐压不如铜钨合金电极开关。这是由于碳纤维发射阈值低,易产生第一个引起雪崩的电子,因此耐压强度小。因此可推断,若开关间距较长,气压较高,碳纤维电极的耐压强度有望进一步提高。但在相近的开关间距和气压下,碳纤维电极的耐压能力不如铜钨合金电极。

寿命方面,在间距41 mm和51 mm的实验中,碳纤维电极上的碳纤维均在使用不足300个脉冲情况下就出现了大量的断裂和脱落情况,且开关的导通电压稳定性也越来越差,这说明碳纤维电极开关在本文实验条件中的寿命不足300个脉冲。与之相比,铜钨合金电极在类似的条件下往往可使用上千个脉冲而无须维护。因此,作为电极材料,铜钨合金更耐烧蚀,而寿命更长。文献[3]将碳纤维作为电极材料应用于空气开关中,在电压约为25 kV,电流约为6 kA,电流密度约为21 kA·cm-2的实验条件下,在重复频率为1 Hz时累计工作了1 300个脉冲之后,碳纤维也出现了明显断裂现象,但工作电压在1 000个脉冲之后仍较稳定。文献[3]实验中碳纤维比本文使用的脉冲数更多,分析其原因为:碳纤维电极开关中填充的气体是空气,空气中主要成分是N2,而本文的开关中用的是SF6气体,与N2相比,虽处于具有腐蚀性的SF6气体环境中的金属开关电极材料的烧蚀更严重[17],但由于SF6理论上不会与碳纤维发生化学反应,因此SF6气体的存在不是导致碳纤维使用脉冲数更少的原因;此外,文献[3]中,开关工作电压约为25 kV,远小于本文实验的工作电压(导通电压为500～800 kV),工作电压越低,碳纤维在发射时所受的电动力越小,则断裂的可能性越小,因此,工作电压更高可能是导致本文碳纤维在开关中使用后出现更严重断裂损坏,即寿命更短的原因。

4 结论

实验结果表明,虽然碳纤维材料作为阴极材料具有许多优异性能,而作为开关电极材料,在相近开关间距和气压条件下的耐压能力、稳定性及寿命不如铜钨合金开关,但分析认为,通过改进该碳纤维开关的结构和制备工艺有望改善稳定性。结合寿命来看,碳纤维电极可能更适用于低功率、低电压及小电流的开关。在选用碳纤维材料用作电极或阴极材料时,需综合考虑使用条件。本文的实验结果可为研究人员提供相关参考。

致谢

感谢罗玲工程师和朱为兴工程师在实验中提供的帮助。