[发明专利]低溅射交叉场气体开关及操作方法

说明书

一种气体开关包括含有可电离气体的气密外壳、设置在气密外壳内的阳极和设置在气密外壳内的阴极，其中阴极包括传导表面。气体开关还包括定位在阳极和阴极之间的控制栅极，其中控制栅极布置成接收偏置电压以在阳极和阴极之间建立导电等离子体。此外，气体开关包括多个磁体，这些磁体选择性地布置成在传导表面附近产生磁场，该磁场减少撞击传导表面的带电粒子的动能，并将在阴极表面处的传导电流密度升高到技术上有用的水平。

关于联邦资助研发的声明

本发明是根据美国能源部能源高级研究计划局(Department of Energy AdvancedResearch Projects Agency-Energy)授予的第DE-AR0000298号合同而在政府的支持下完成的。政府在本发明中拥有某些权利。

技术领域

本公开的领域总体上涉及低溅射交叉场气体开关，并且更特别地涉及通过减少撞击传导表面的带电粒子的动能来减少在阴极的传导表面上的溅射的交叉场气体开关。

背景技术

诸如平面交叉场气体开关之类的交叉场气体开关是已知的。常规地，这些开关包括由气密腔室封装的电极组件，诸如与阳极间隔开的阴极。气密腔室填充有可电离气体，并且电压被瞬时施加到设置在阳极和阴极之间的控制栅极，以在两者间启动等离子体路径。在存在施加到阳极的输入电压的情况下，开关是可操作的，以在阳极和阴极之间传导大电流。可通过反向偏置控制栅极来终止等离子体路径，使得从阳极流向阴极的电流被控制栅极(以及伴随的电路)瞬时消去(drawn off)，从而控制栅极和阳极之间的气体可再次变得绝缘。因此，在存在输入电压和导电等离子体的情况下，该设备充当充气开关或“气体开关”。

与至少一些已知开关相关联的缺点包括在传导期间阴极材料的严重溅射。具体地，许多普通气体开关在阳极和阴极之间的间隙中经历几百伏的电压降。典型地，在阴极的传导表面处或附近(例如，在传导表面的“下落距离”内)经历该电压降的大部分(例如，“下落电压”)，在大多数情况下，导致热损失和由从下落电压获得能量的入射带电粒子(正离子)对阴极传导表面的“溅射”。溅射往往会降低气体开关的使用寿命，诸如例如在传导模式下降低到大约几小时或几天。因此，常规的气体开关在可靠性、成本和生命周期是重要考虑因素的电力系统中大规模、长期实施往往不可行。

发明内容

在一个方面，提供了一种气体开关。气体开关包括含有可电离气体的气密外壳、设置在气密外壳内的阳极和设置在气密外壳内的阴极，其中阴极包括传导表面。气体开关还包括定位在阳极和阴极之间的控制栅极，其中控制栅极布置成接收偏置电压以在阳极和阴极之间建立导电等离子体。此外，气体开关包括多个磁体，这些磁体将在阴极表面处的传导电流密度升高到技术上有用的水平。磁体还选择性地布置成在传导表面附近产生磁场，该磁场减少撞击传导表面的带电粒子的动能。

在另一个方面，提供了一种气体开关。气体开关包括阳极和阴极，所述阴极限定在阳极和阴极之间的内部容积(volume)。气体开关还包括填充内部容积的可电离气体以及设置在阴极附近的磁体的系统，其中磁体的系统选择性地布置成产生磁场，该磁场减少撞击阴极的带电粒子的动能，并将在阴极表面处的传导电流密度升高到技术上有用的水平。

在又一方面，提供了一种用于制造气体开关的方法。该方法包括：提供气密外壳；将阴极定位在气密外壳内，阴极包括传导表面；选择性地将阳极定位在气密外壳内；将多个磁体定位在阴极附近，其中多个磁体布置成在操作期间减少撞击阴极传导表面的带电粒子的动能，以及将在阴极表面处的传导电流密度升高到技术上有用的水平；以及用可电离气体填充气密外壳。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中贯穿附图，相同的标记表示相同的部件，其中：

图1是示例性低溅射交叉场气体开关的剖视图；