本文介紹了一種新型大電流脈沖調制器件———雙間隙偽火花開關，它利用介電材料沿面放電進行觸發，雙間隙導通脈沖大電流，可以用來調制不低于50kV、50kA的脈沖，并能直接用于替換氫閘流管以及高氣壓火花隙。本文就雙間隙偽火花開關沿面放電的三種觸發材料進行了相關研究，確定了氮化鋁-碳化硅材料具有優良的觸發性能與機械性能，解決了觸發單元成品率較低的問題，實現了雙間隙偽火花開關的產品化。

　　偽火花開關(Pseudospark　Switches，簡稱PSS管)，是一種處于帕邢曲線左支的低氣壓、冷陰極氣體放電開關器件，具有預熱時間短、電極結構與使用電路簡單、工作壽命長等優點。PSS管極間氣體擊穿時間短(<10ns)、脈沖電流大(>100kA)、可承受100%的陽極反向電流，適用于單次大電流放電(>10C/次)、大電容(數百微法)脈沖放電、短路脈沖放電等大功率脈沖調制應用中，可直接用于替換閘流管、觸發管與引燃管(汞弧管)。圖1所示為雙間隙偽火花開關典型電極結構圖。

圖1　雙間隙偽火花開關典型電極結構圖

1、偽火花開關觸發單元的工作機理

　　偽火花開關的觸發單元主要用于控制空心陰極效應的產生，從而完成對開關的點火。當在觸發單元上施加脈沖電壓時，可將空心陰極內部的氣體電離到一定程度，并形成初始的等離子體分布，在陽極滲透到空心陰極內的驅動電場作用下，這些等離子體作為電離源在空心陰極內部產生大量的高能二次電子，空心陰極效應得以產生，并為開關導通脈沖大電流提供足夠的載流子。產品化的偽火花開關，其觸發單元通常可分為兩種工作類型：介電材料沿面放電與電極輔助輝光放電。從實用性角度出發，介電材料沿面放電觸發的偽火花開關具有開關結構簡單、使用電路通用、可適性強等特點，并且在開關小型化、集成化上具有優勢，尤其適用于單次大電流放電(單次電荷轉移量大于10C)的應用。

　　在具有一定表面電阻的介電材料上施加觸發脈沖電壓Ut，將會沿其表面產生小的電流，并在材料表面形成空間電荷聚集效應。當Ut超過一定閾值(通常為1kV左右)時，就會把材料附近的氣體(氫氣)擊穿，并產生具有一定濃度的等離子體，以供應偽火花開關形成空心陰極效應。由于沿面放電的閾值電壓遠小于氣體的帕邢擊穿電壓，因此該方式具有觸發電壓低、放電延遲時間短、觸發脈沖電流大等優點。

　　根據相關研究，觸發空心陰極效應所需的初始等離子體濃度應不小于10⁹/cm³，而對作者所設計的偽火花開關結構進行測試后發現，當觸發脈沖電流峰值不小于90A時，開關才能正常進行陽極著火。

　　提高沿面放電的觸發脈沖電流有兩種方式：①提高施加在介電材料兩端的觸發電壓；②降低介電材料的表面電阻。對大部分介電材料，由于其絕緣性能較高，往往需要很高的觸發電壓(大于6kV)才能完成開關的陽極著火，這將限制偽火花開關的應用范圍(通常的閘流管觸發電壓小于2kV 即可實現陽極著火)。

　　開關中用于沿面放電的介電材料其尺寸都較小，若通過減小沿面長度來降低表面電阻，將會大大降低觸發單元的壽命，還影響到開關的工作穩定性。在介電材料中摻入導電相進行混合燒結，可以有效的降低介電材料的表面電阻，同時還不會改變其耐高溫、耐轟擊、機械強度高的優點。

2、觸發單元材料的選取

　　如前所述，觸發單元沿面放電直接決定了偽火花開關陽極著火性能，因此對其介電材料的研究是目前的一個重點。國內曾就半導體氧化鋅以及陶瓷材料的沿面放電觸發偽火花開關進行過相關研究，但是未見在產品化的偽火花開關器件中予以使用；有報道介紹俄羅斯采用氮化硼材料制作觸發單元，廣泛應用于其TP系列偽火花開關中。

　　作者在前期工作中就氮化鋁-石墨混合燒結而成的介電材料進行過相關研究，并將其應用于偽火花開關中進行放電測試，證明了此材料具有優異的觸發著火性能，適用于產品化的偽火花開關。當混合介電材料沿面放電觸發開關時，氮化鋁作為絕緣基底，可以控制電流不在材料內部形成，而是使能量集中在材料表面以及工作氣體中；而石墨作為導電相，使得材料表面得以通過電流并形成空間電荷，從而大大的降低材料附近氣體的擊穿閾值電壓。宏觀上表征為一定比例的導電相與絕緣基底混合后，可以顯著地調節材料的表面電阻值，從而降低沿面放電觸發偽火花開關時所需的電壓與能量。但是，由于氮化鋁與石墨的高溫結合性能較差，在氮化鋁-石墨混合燒結材料的制作過程中，要使電阻值與機械強度達到預定要求，其成品率將維持在較低水平。作者期望通過改變絕緣基底與導電相材料，在不影響觸發性能的同時對上述問題進行改進，因此提出了兩種具有良好機械強度的混合材料：氮化硼-石墨與氮化鋁-碳化硅，并放置于相同的偽火花開關結構中分別進行了觸發著火測試分析。

3、結論

　　(1)本文所設計的雙間隙PSS管利用介電材料沿面放電進行觸發，雙間隙導通脈沖大電流，可以用來調制不低于50kV、50kA的脈沖，其陽極正常工作電壓范圍為3～50kV，可直接用于替換氫閘流管以及高氣壓火花隙。

　　(2)對比三種混合介電材料：AlN-C、BN-C以及AlN-SiC，確定了具有高機械性能的AlN-SiC材料具有與AlN-C材料相當的觸發性能，解決了產品化偽火花開關的觸發單元成品率低的問題。