CN109379069B - 一种基于氢闸流管的高压同轴开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氢闸流管的高压同轴开关装置，属于高功率脉冲技术领域。现有的氢闸流管的工作过程会产生高频的电磁辐射，影响其他电子部件的正常工作，氢闸流管的阳极和阴极导流排垂直布置，导致其电路构成一个较大的环路，从而使得开关回路会产生较大电感，影响脉冲波形，导致波形畸变。本发明的套筒件、阳极接线柱、阴极法兰三者同轴布置，并通过同轴电缆形成同轴电流回路，避免产生电容、电感等一次参数的变化，导致二次参数阻抗、衰减等问题出现，本发明能够降低开关回路电感，确保本发明输出理想的脉冲波形；同时金属材质的套筒件能够有效屏蔽内、外磁场的干扰，避免氢闸流管工作时产生的高频电磁辐射干扰其他电子部件。

Description

一种基于氢闸流管的高压同轴开关装置

技术领域

本发明涉及一种基于氢闸流管的高压同轴开关装置，属于高功率脉冲技术领域。

背景技术

高功率脉冲技术中，开关技术具有特殊重要的地位。它不仅决定了脉冲功率装置的输出特性，甚至是脉冲功率***成败的关键。氢闸流管其驱动相对简单，工作寿命长，重复频率高，因而作为主力开关器件被广泛应用于各种高科技领域。

中国专利(申请号：201510865028.6)公开了一种氢闸流管固定座及使用该固定座的氢闸流管装置，该装置由绝缘底板、绝缘套筒、阴极导流排等部件组成，绝缘底板上设有支撑座，支撑座上设有环形绝缘板，闸流管的法兰通过环形绝缘板上的安装孔固定。氢闸流管的阴极通过阴极导流排引出，方便接线。

上述方案中，氢闸流管的阳极和阴极导流排垂直布置，导致其电路构成一个较大的环路，从而使得开关回路会产生较大电感，影响脉冲波形，导致波形畸变。

并且，由于氢闸流管的工作过程是气体由放电前的隔离高电压状态转变为放电后的高导电状态过程，把脉冲时间间隔内储存的能量在脉冲瞬间转换成强功率脉冲输出，在此过程中，接口处会产生高频的电磁辐射，影响其他电子部件的正常工作，特别是在一些要求超稳定、高精度设备中，电子部件不能正常工作，将带来很大影响。

因此上述方案基于氢闸流管的开关装置无法适用于科技含量比较高的机器中，特别是要求超稳定、高精度的医疗设备。

进一步，氢闸流管工作时电压高，脉冲电流大，会发出大量的热量，管壁很烫，上述方案虽然提交在绝缘套筒的散热通风孔上方设有风扇，但风扇与氢闸流管相距较远，并且其吹出的风向绝缘套筒的腔内流动时，会被绝缘套筒底部的支撑板所阻挡，导致其热量回流，使得热量不能及时散发，不能满足其冷却要求，将影响设备的正常运行。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种能够避免电磁干扰其他电子部件，降低开关回路电感，保证输出理想的脉冲波形，同时适用于超稳定、高精度的医疗设备的基于氢闸流管的高压同轴开关装置。

本发明的另一目的在于提供一种能够及时散发热量，满足其散热要求的基于氢闸流管的高压同轴开关装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于氢闸流管的高压同轴开关装置，包括氢闸流管以及用于连接氢闸流管的电缆，所述氢闸流管的上端设有阳极接线柱，下端设置阴极法兰，其特征在于，所述氢闸流管外侧罩设一套筒件。

所述套筒件为壳体结构，其上端开设用于穿设电缆的开孔。

所述电缆为同轴电缆，其包括由里到外同轴布置的内导体、绝缘体、导电层。

所述同轴电缆从套筒件的开孔穿过，同轴电缆一端的内导体与氢闸流管的阳极接线柱相连接，并在开孔处使得导电层与套筒件相连接。

所述套筒件由能够屏蔽电磁辐射的金属材料制造而成，其下端与氢闸流管的阴极法兰相连接。

本发明的套筒件、阳极接线柱、阴极法兰三者同轴布置，并通过同轴电缆形成同轴电流回路，使其产生的电感最小，同时氢闸流管阳极和阴极同轴接线，避免产生电容、电感等一次参数的变化，导致二次参数阻抗、衰减等问题出现，本发明能够降低开关回路电感，确保本发明输出理想的脉冲波形；同时金属材质的套筒件能够有效屏蔽内、外磁场的干扰，避免氢闸流管工作时产生的高频电磁辐射干扰其他电子部件。进而能够使得本发明能够适用于超稳定、高精度的医疗设备。

作为优选技术措施，所述套筒件包括上下开口设置的的套筒壳、盖在套筒壳上的筒罩，所述筒罩的截面面积为圆锥形，其端面开设若干散热孔。所述套筒件分体设置，便于生产制造；所述筒罩为圆锥体，能够在同等高度下，节省制造材料；同时能够相应减小套筒壳的高度，便于安装工从上而下在套筒壳内安装氢闸流管；进一步同轴电缆的导电层可直接360度搭接在筒罩的锥端，增大两者的接触面积大。

作为优选技术措施，所述套筒壳和筒罩螺接在一起，便于拆卸以及组装，两者采用紫铜材料制造而成，其内壁上涂有绝缘涂料。

紫铜的电导率和热导率仅次于银，具有很好的导电性和导热性，并且塑性极好，易于热压和冷压力加工，套筒件采用紫铜制造而成，尽可能的减少阻抗，使得本发明能够适用于超稳定、高精度的医疗设备。所述绝缘涂料为聚对二甲苯(Poly-p-xylene)，它有极其优良的电性能、耐热性、耐候性和化学稳定性，采用真空热解气相堆积工艺制备，可制成极薄的薄膜，主要用作薄膜和涂层，用于电子元器件的电绝缘介质、保护性涂料和包封材料等。聚对二甲苯涂层能够有效保护套筒件，避免在氢闸流管高压放电时对套筒件的损坏。

作为优选技术措施，所述氢闸流管的阳极接线柱通过一球状连接器与同轴电缆的内导体相连接。由于阳极接线柱尺寸较大，而内导体由铜芯制造而成，延展性比较差并且相比阳极接线柱的尺寸，其直径较小，两者很难直径装配，因此采用球状连接器能够很多的解决这个问题，并且球状连接器能够有效避免尖端放电的现象产生，延长其使用寿命。

作为优选技术措施，所述球状连接器采用黄铜制造而成，其上端开设用于连接内导体的连接孔，其下端开设用于连接阳极接线柱的螺纹孔；所述连接孔周边开设螺孔，一紧固件穿过螺孔把内导体固定在球状连接器上，进而能够把阳极接线柱和内导体有效连接，并且结构便于生产制造，装配效率高。

作为优选技术措施，所述螺纹孔大小与氢闸流管阳极接线柱的尺寸相匹配，所述连接孔的直径略大于内导体直径，保证内导体可以顺利穿入，侧面的螺孔与顶部的连接孔贯通，用来装配紧固件，所述紧固件可以为螺钉或者螺栓，紧固件螺接于螺孔中并与内导体相抵触，确保内导体固定在球状连接器中，确保两者接触良好，结构简单实用，构思巧妙。

作为优选技术措施，所述氢闸流管以及套筒件下端部固定在一基座上；所述基座为具有折边的n型结构，其上端中间位置开设用于散热的通风口，所述通风口尺寸小于阴极法兰的尺寸，使得阴极法兰能够装配在基座上，由于热量主要产生在氢闸流管的阳极以及阴极的接线处，在接线处的正下方设置通风口，便于热量尽快散发。

作为优选技术措施，所述基座绕阴极法兰一周圈开设若干散热口，基座与阴极法兰螺接，所述阴极法兰开设若干与通风口贯通的通口，通口和通风口相通，进而在接线处即热量产生位置形成散热通道，便于热量散发，避免热量聚积。

所述基座在通风口的正下方装配一散热器，所述散热器为风扇或空调扇或者空调，其朝上吹风。本发明在基座下方装配风扇，风扇与氢闸流管相距较近，并且其吹出的风直接朝向氢闸流管，最大程度减少风能的损失，进而带动热量直接从筒罩的散热孔散发，使得热量能够及时散发，满足其冷却要求，进而能够使得本发明能够适用于超稳定、高精度的医疗设备。

作为优选技术措施，由于本发明使用金属材质的套筒件来屏蔽氢闸流管开关动作时发出的电场辐射，抑制内部的干扰向外辐射。套筒件通过反射入射波和吸收透射波来损耗电场辐射。电场反射损耗取决于干扰频率和屏蔽材料的厚度。因此可根据需要的电场反射损耗，来计算套筒件的壁厚。

所述套筒件的厚度与需要屏蔽的电场辐射量相匹配，所述厚度d的计算公式如下：

其中，σ_r是套筒件的相对电导率；μ_r是套筒件的相对磁导率；f是干扰频率，A(dB)是需要屏蔽的电场辐射量即电场反射损耗。

采用金属铜制造套筒件，铜的σ_r约为1，μ_r约为1，对于20ns上升沿脉冲，其f即带宽上限约为17.6MHz，随着干扰频率的下降，电场反射损耗将会加大。当A(dB)取值满足要求的2192时，经过上式可得，套筒件的壁厚d为4毫米。本领域技术人员可根据实际需要的电场反射损耗，计算套筒件的厚度。

作为优选技术措施，为满足本发明的散热要求，需要在筒罩上开设若干散热孔，但是又必须考虑开设散热孔后的屏蔽电场辐射的效果，因此散热孔的尺寸不能太大。

所述筒罩的散热孔尺寸计算公式如下：

其中：R(dB)是顶部需要屏蔽的电场辐射量，λ是干扰波长，L是散热孔的最大口径。对于带宽上限为17.5MHz的干扰信号，其波长约为17m，当顶部需要屏蔽的电场辐射量R(dB)为58时，经过上式计算可得到，筒罩的散热孔最大尺寸为0.01米。本领域技术人员可根据实际需要屏蔽的电场辐射量，计算散热孔尺寸。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的套筒件、阳极接线柱、阴极法兰三者同轴布置，并通过同轴电缆形成同轴电流回路，使其产生的电感最小，同时氢闸流管阳极和阴极同轴接线，避免产生电容、电感等一次参数的变化，导致二次参数阻抗、衰减等问题出现，本发明能够降低开关回路电感，确保本发明输出理想的脉冲波形；同时金属材质的套筒件能够有效屏蔽内、外磁场的干扰，避免氢闸流管工作时产生的高频电磁辐射干扰其他电子部件。进而能够使得本发明能够适用于超稳定、高精度的医疗设备。

进一步，本发明在基座下方装配风扇，风扇与氢闸流管相距较近，并且其吹出的风直接朝向氢闸流管，最大程度减少风能的损失，进而带动热量直接从筒罩的散热孔散发，使得热量能够及时散发，满足其冷却要求，进而能够使得本发明能够适用于超稳定、高精度的医疗设备。

附图说明

图1是本发明的整体示图；

图2是本发明内部结构示意图(未画筒罩)；

图3是本发明部分结构示意图(未画套筒件、散热器、底板)；

图4是本发明底板和基座结构示意图；

图5是本发明氢闸流管及固定方式示意图；

图6是同轴电缆和球状连接器的连接示意图；

图7是基座和氢闸流管阴极法兰连接示意图。

附图标记说明：

1、同轴电缆；2、套筒件；3、氢闸流管；4、基座；5、散热器；6、底板；7、球状连接器；11、导电层；12、绝缘体；13、内导体；21、筒罩；22、套筒壳；211、散热孔；31、阳极接线柱；32、阴极法兰；321、通口；41、散热口；42、通风口；61、通风孔；71、螺孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

需要说明的是，当两个元件被称为“固接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。

如图1-7所示，一种基于氢闸流管的高压同轴开关装置，包括氢闸流管3以及用于连接氢闸流管3的电缆，所述氢闸流管3的上端设有阳极接线柱31，下端设置阴极法兰32，其特征在于，所述氢闸流管3外侧罩设一套筒件2。

所述套筒件2为壳体结构，其上端开设用于穿设电缆的开孔。

所述电缆为同轴电缆1，其包括由里到外同轴布置的内导体13、绝缘体12、导电层11。

所述同轴电缆1从套筒件2的开孔穿过，同轴电缆1一端的内导体13与氢闸流管3的阳极接线柱31相连接，并在开孔处使得导电层11与套筒件2相连接。

所述套筒件2由能够屏蔽电磁辐射的金属材料制造而成，其下端与氢闸流管3的阴极法兰32相连接。

本发明的套筒件2、阳极接线柱31、阴极法兰32三者同轴布置，并通过同轴电缆1形成同轴电流回路，使其产生的电感最小，同时氢闸流管阳极和阴极同轴接线，避免产生电容、电感等一次参数的变化，导致二次参数阻抗、衰减等问题出现，本发明能够降低开关回路电感，确保本发明输出理想的脉冲波形；同时金属材质的套筒件2能够有效屏蔽内、外磁场的干扰，避免氢闸流管3工作时产生的高频电磁辐射干扰其他电子部件。进而能够使得本发明能够适用于超稳定、高精度的医疗设备。

如图1所示，本发明套筒件2的一种具体实施例：

所述套筒件2包括上下开口设置的的套筒壳22、盖在套筒壳22上的筒罩21，所述筒罩21的截面面积为圆锥形，其端面开设若干散热孔211。所述套筒件2分体设置，便于生产制造；所述筒罩21为圆锥体，能够在同等高度下，节省制造材料；同时能够相应减小套筒壳22的高度，便于安装工从上而下在套筒壳22内安装氢闸流管3；进一步同轴电缆1的导电层11可直接360度搭接在筒罩21的锥端，增大两者的接触面积大。所述套筒壳22以及筒罩21与氢闸流管3的阳极接线柱31保持一定的距离从而保证电气间距。

所述套筒壳22和筒罩21螺接在一起，便于拆卸以及组装，两者采用紫铜材料制造而成，其内壁上涂有绝缘涂料。

紫铜的电导率和热导率仅次于银，具有很好的导电性和导热性，并且塑性极好，易于热压和冷压力加工，套筒件2采用紫铜制造而成，尽可能的减少阻抗，使得本发明能够适用于超稳定、高精度的医疗设备。所述绝缘涂料为聚对二甲苯(Poly-p-xylene)，它有极其优良的电性能、耐热性、耐候性和化学稳定性，采用真空热解气相堆积工艺制备，可制成极薄的薄膜，主要用作薄膜和涂层，用于电子元器件的电绝缘介质、保护性涂料和包封材料等。聚对二甲苯涂层能够有效保护套筒件2，避免在氢闸流管3高压放电时对套筒件2的损坏。

如图2-3所示，本发明氢闸流管3的阳极接线柱31与球状连接器7的一种装配实施例：

所述氢闸流管3的阳极接线柱31通过一球状连接器7与同轴电缆1的内导体13相连接。由于阳极接线柱31尺寸较大，而内导体13由铜芯制造而成，延展性比较差并且相比阳极接线柱31的尺寸，其直径较小，两者很难直径装配，因此采用球状连接器7能够很多的解决这个问题，并且球状连接器7能够有效避免尖端放电的现象产生，延长其使用寿命。

所述球状连接器7采用黄铜制造而成，其上端开设用于连接内导体13的连接孔，其下端开设用于连接阳极接线柱31的螺纹孔；所述连接孔周边开设螺孔71，参见图6。一紧固件穿过螺孔71把内导体13固定在球状连接器7上，进而能够把阳极接线柱31和内导体13有效连接，并且结构便于生产制造，装配效率高。

所述螺纹孔大小与氢闸流管3阳极接线柱31的尺寸相匹配，所述连接孔的直径略大于内导体13直径，保证内导体13可以顺利穿入，侧面的螺孔71与顶部的连接孔贯通，用来装配紧固件，所述紧固件可以为螺钉或者螺栓，紧固件螺接于螺孔71中并与内导体13相抵触，确保内导体13固定在球状连接器7中，确保两者接触良好，结构简单实用，构思巧妙。

本发明增设散热器5的实施例：

所述氢闸流管3以及套筒件2下端部固定在一基座4上；所述基座4为具有折边的n型结构，其上端中间位置开设用于散热的通风口42，所述通风口42尺寸小于阴极法兰32的尺寸，使得阴极法兰32能够装配在基座4上，由于热量主要产生在氢闸流管3的阳极以及阴极的接线处，在接线处的正下方设置通风口42，便于热量尽快散发。阴极法兰32为环状结构，其一周圈设有同基座4螺接的固定孔，可以通过此固定孔和基座4形成紧密连接，这样既增加了阴极法兰32的散热面积同时也保证氢闸流管3的稳定。

所述基座4绕阴极法兰32一周圈开设若干散热口41，基座4与阴极法兰32螺接，参见图5；所述阴极法兰32开设若干与通风口42贯通的通口321，通口321和通风口42相通，参见图7，进而在接线处即热量产生位置形成散热通道，便于热量散发，避免热量聚积。

所述基座4下方固接一底板6，所述底板6与基座4形成容纳腔，用于装配一散热器5，所述散热器5为风扇或空调扇者空调，其朝上吹风。底板6的通风孔61直径略大于散热器5的风道直径，便于散热器5进风，散热器5转动形成的冷却风从基座4的通风口42进入，直接吹向氢闸流管3，并沿着套筒壳22形成的风道向上流动，保证氢闸流管3的冷却效果。所述底板6和基座4采用铝材料，底板6和基座4采用螺栓螺母固定。

本发明在基座4下方装配风扇，风扇与氢闸流管3相距较近，并且其吹出的风直接朝向氢闸流管3，最大程度减少风能的损失，进而带动热量直接从筒罩21的散热孔211散发，使得热量能够及时散发，满足其冷却要求，进而能够使得本发明能够适用于超稳定、高精度的医疗设备。

本发明套筒件2的壁厚一种具体实施例：

由于本发明使用金属材质的套筒件2来屏蔽氢闸流管3开关动作时发出的电场辐射，抑制内部的干扰向外辐射。套筒件2通过反射入射波和吸收透射波来损耗电场辐射。电场反射损耗取决于干扰频率和屏蔽材料的厚度。因此可根据需要的电场反射损耗，来计算套筒件2的壁厚。

所述套筒件的厚度与需要屏蔽的电场辐射量相匹配，所述厚度d的计算公式如下：

其中，σ_r是套筒件的相对电导率；μ_r是套筒件的相对磁导率；f是干扰频率，A(dB)是需要屏蔽的电场辐射量即电场反射损耗。

采用金属铜制造套筒件，铜的σ_r约为1，μ_r约为1，对于20ns上升沿脉冲，其f即带宽上限约为17.6MHz，随着干扰频率的下降，电场反射损耗将会加大。当A(dB)取值满足要求的2192时，经过上式可得，套筒件的壁厚d为4毫米。本领域技术人员可根据实际需要的电场反射损耗，计算套筒件的厚度。

本发明筒罩的散热孔尺寸一种具体实施例：

为满足本发明的散热要求，需要在筒罩上开设若干散热孔，但是又必须考虑开设散热孔后的屏蔽电场辐射的效果，因此散热孔的尺寸不能太大。

所述筒罩的散热孔尺寸计算公式如下：

其中：R(dB)是顶部需要屏蔽的电场辐射量，λ是干扰波长，L是散热孔的最大口径。对于带宽上限为17.5MHz的干扰信号，其波长约为17m，当顶部需要屏蔽的电场辐射量R(dB)为58时，经过上式计算可得到，筒罩的散热孔最大尺寸为0.01米。本领域技术人员可根据实际需要屏蔽的电场辐射量，计算散热孔尺寸。

本申请中，所述固接方式可以为螺接或焊接或铆接或插接或通过第三个部件进行连接，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于氢闸流管的高压同轴开关装置，包括氢闸流管（3）以及用于连接氢闸流管（3）的电缆，所述氢闸流管（3）的上端设有阳极接线柱（31），下端设置阴极法兰（32），其特征在于，所述氢闸流管（3）外侧罩设一套筒件（2）；

所述套筒件（2）为壳体结构，其上端开设用于穿设电缆的开孔；

所述电缆为同轴电缆（1），其包括由里到外同轴布置的内导体（13）、绝缘体（12）、导电层（11）；

所述同轴电缆（1）从套筒件（2）的开孔穿过，同轴电缆（1）一端的内导体（13）与氢闸流管（3）的阳极接线柱（31）相连接，并在开孔处使得导电层（11）与套筒件（2）相连接；

所述套筒件（2）由能够屏蔽电磁辐射的金属材料制造而成，其下端与氢闸流管（3）的阴极法兰（32）相连接；

所述套筒件（2）、阳极接线柱（31）、阴极法兰（32）三者同轴布置，并通过同轴电缆（1）形成同轴电流回路，使得分布电感最小，同时金属材质的套筒件（2）能够屏蔽内外磁场的干扰；所述套筒件（2）包括上下开口设置的套筒壳（22）、盖在套筒壳（22）上的筒罩（21），所述筒罩（21）的截面面积为圆锥形，其端面开设若干散热孔（211）；所述套筒壳（22）和筒罩（21）螺接在一起，两者采用紫铜材料制造而成，其内壁上涂有绝缘涂料；所述氢闸流管（3）的阳极接线柱（31）通过一球状连接器（7）与同轴电缆（1）的内导体（13）相连接；所述球状连接器（7）采用黄铜制造而成，其上端开设用于连接内导体（13）的连接孔，其下端开设用于连接阳极接线柱（31）的螺纹孔；所述连接孔周边开设螺孔（71），一紧固件穿过螺孔（71）把内导体（13）固定在球状连接器（7）上；所述螺纹孔大小与氢闸流管（3）阳极接线柱（31）的尺寸相匹配，所述连接孔的直径略大于内导体（13）直径，螺孔（71）与连接孔贯通，所述紧固件为螺钉或者螺栓，紧固件螺接于螺孔（71）中并与内导体（13）相抵触，确保内导体（13）固定在球状连接器（7）中；所述氢闸流管（3）以及套筒件（2）下端部固定在一基座（4）上；所述基座（4）为具有折边的n型结构，其上端中间位置开设用于散热的通风口（42），所述通风口（42）尺寸小于阴极法兰（32）的尺寸，使得阴极法兰（32）能够装配在基座（4）上；所述基座（4）绕阴极法兰（32）一周圈开设若干散热口（41），基座（4）与阴极法兰（32）螺接，所述阴极法兰（32）开设若干与通风口（42）贯通的通口（321）；所述基座（4）在通风口的正下方装配一散热器（5），所述散热器（5）为风扇或空调扇或者空调，其朝上吹风。

2.如权利要求1所述的一种基于氢闸流管的高压同轴开关装置，其特征在于，所述套筒件的厚度与需要屏蔽的电场辐射量相匹配，所述厚度d的计算公式如下：

其中，

是套筒件的相对电导率；

是套筒件的相对磁导率；

是干扰频率； A(dB)是需要屏蔽的电场辐射量即电场反射损耗。

3.如权利要求1-2任一所述的一种基于氢闸流管的高压同轴开关装置，其特征在于，所述筒罩的散热孔尺寸计算公式如下：

其中：

是顶部需要屏蔽的电场辐射量；λ是干扰波长；

是散热孔的最大口径。

Images