4-34  高功率气体火花开关电极烧蚀机理

罗  敏  常安碧  赵殿林

气体火花开关以其工作电压高、功率容量大、结构简单等优点，在脉冲功率技术中得到了广泛的应用。但这种开关工作在高功率重复频率状态时，由于电极的很快烧蚀，影响了开关性能，限制了其寿命。因此，抑制电极烧蚀、寻找耐烧蚀的电极材料是提高高功率重复频率气体开关工作寿命的关键，也是本文研究的内容。

首先，对高功率气体火花开关电极烧蚀的两个基本过程—电极加热过程和电极材料去除的物理机制进行了理论分析。然后，根据能量守恒方程，同时考虑了电极材料的熔解和气化特性，建立了电极烧蚀过程的一维简化数学模型，并采用时域有限差分法(FDTD)进行了数值求解。通过计算研究了电极烧蚀过程的基本物理图像，得到了电极材料烧蚀量与材料热导率、比热、熔点、沸点等特性参数的关系，并比较了铜、钨、铝三种电极材料的耐烧蚀能力。

通过计算可得到如下初步结论：（1）烧蚀深度随密度、定压比热、固态热导率、熔点、沸点的增大而减小，随液态热导率的增大而增加；（2）烧蚀深度对密度和定压比热的变化很敏感，并且它们之间的关系曲线是非线性的；（3）烧蚀深度对沸点的变化比对熔点的变化更敏感；（4）烧蚀深度对熔解热变化不敏感，对气化热的变化更不敏感，几乎不受气化热的影响。

图1比较了Cu，W，Al三种常用电极在相同工作情况下的烧蚀情况。从图中可以看出，在相同热流作用下，铝的烧蚀深度最大，铜次之，钨最小。换句话说，钨电极的耐烧蚀能力大于铜电极，而铜电极的耐烧蚀能力大于铝电极。

因此，长寿命的高功率重复频率气体开关应该选取具有较高密度、比热、固态热导率、熔点、沸点，同时具有较低液态热导率的电极材料。