[发明专利]低电压降的交叉场气体开关及操作方法

说明书

一种气体开关包括阳极和与阳极间隔开的阴极，其中阴极包括导电表面。气体开关还包括布置成生成磁场的多个磁体以及定位在阳极与阴极之间的控制网栅，所述磁场在距离开关轴线一定径向距离处在导电表面的部分上限定环形路径。在操作中，控制网栅布置成形成阳极与阴极之间的导电的等离子体，其中在导电的等离子体的存在下，阳极与阴极之间的电压降小于150伏，且其中导电的等离子体形成环绕环形路径的阴极斑点。

关于联邦政府资助研发的声明

本发明在能源部的能源先进研究项目局授予的合同号DE-AR0000298的政府资助下完成。政府在本发明中有一定权利。

技术领域

本公开内容的领域大体上涉及低电压降的交叉场气体开关，且更具体地涉及在其操作期间经历气体开关的阳极与阴极之间的低正向电压降的交叉场气体开关。

背景技术

交叉场气体开关(诸如平面交叉场气体开关)是已知的。常规上，这些开关包括由气密室内包封的电极组件，诸如与阳极间隔开的阴极。气密室填充有可电离的气体，且电压被施加到设置在阳极与阴极之间的控制网栅以在它们之间引发等离子体路径。开关可在施加到阳极的输入电压的存在下操作，以在阳极与阴极之间传导大电流。可通过反向偏置控制网栅来终止等离子体路径，使得从阳极流至阴极的电流由控制网栅(和所附电路)引出。因此，在输入电压和导电的等离子体的存在下，装置作用为气体填充的开关，或“气体开关”。

与至少一些已知的开关相关联的缺陷包括导电期间在阳极与阴极之间的较大正向电压降。确切地说，许多常见的气体开关在阳极与阴极之间的间隙中经历几百伏的电压降。此电压降的大部分在阴极的导电表面处或附近经历，在大多数情况下导致阴极导电表面的热损失和烧蚀或“溅蚀”。在导电模式中，溅蚀往往会使气体开关的使用寿命，诸如，例如，缩短至大约数小时或数天。因此，常规气体开关对于在可靠性、成本和寿命周期是重要考虑因素的电力系统中的大规模、长期的实施往往是不可行的。

在操作期间经历气体开关的阳极与阴极之间的低正向电压降的交叉场气体开关因此是期望的，具体而言，其中在阳极与阴极之间的正向电压降足够低，以将装置的寿命延长到几年，而非如上文所述的几小时或几个月。不会生成大量多余的热且不需要较大的热沉设备的气体开关也是期望的。

发明内容

一方面，提供了一种围绕开关轴线布置的气体开关。气体开关包括阳极和与阳极间隔开的阴极，其中阴极包括导电表面。气体开关还包括被布置来生成磁场的多个磁体，磁场的至少一部分在距离开关轴线一定径向距离处基本上平行于导电表面的一部分延伸，其中磁场在该径向距离处在导电表面的一部分上限定闭合环形路径。气体开关还包括定位在阴极与阳极之间的第一网栅，其中第一网栅限定包含可电离气体的网栅与阴极间的间隙。此外，气体开关包括定位在第一网栅与阳极之间的第二网栅，其中第二网栅限定网栅与阳极间的间隙。在操作中，第二网栅布置成接收偏压来形成阳极与阴极之间的导电的等离子体，其中在导电的等离子体的存在下，阳极与阴极之间的电压降小于150伏，且其中导电的等离子体形成环绕环形路径的阴极斑点。

另一方面，提供了一种围绕开关轴线布置的气体开关。气体开关包括阳极和与阳极间隔开的阴极，其中阴极包括导电表面。气体开关还包括被布置来生成磁场的多个磁体以及定位在阳极与阴极之间的控制网栅，磁场在距离开关轴线一定径向距离处在导电表面的部分上限定环形路径。在操作中，控制网栅布置成在阳极与阴极之间形成导电的等离子体，其中在导电的等离子体存在时，阳极与阴极之间的电压降小于150伏，且其中导电等离子体形成在大于0.1千赫兹的频率下环绕环形路径的阴极斑点。