氣體火花開關電極燒蝕形貌研究

謝昌明　談效華　杜　濤　肖明珠

（中國工程物理研究院電子工程研究所　綿陽　621900）

氣體火花開關電極燒蝕形貌研究

謝昌明談效華杜濤肖明珠

（中國工程物理研究院電子工程研究所綿陽621900）

開展了不同放電條件下氣體火花開關單次放電實驗，研究發現表面電極材料噴濺程度隨著峰值電流和傳遞電荷量增大而逐漸變大，電極表面形成的燒蝕坑熔融化越明顯，凹坑直徑越大。分別采用鉬和鎢作為開關電極材料，研究多次放電過程中氣體火花開關電極燒蝕形貌的變化規律和電極燒蝕率。結果表明，Mo和W開關的電極燒蝕率分別為9.0×10-6g·C-1和5.0×10-6g·C-1。在放電過程中，燒蝕區域由電極中心擴寬至邊緣，表面粗糙度逐漸增大，中心區燒蝕嚴重。Mo電極表面呈現大量寬裂紋以及少量粒徑達30μm的突起顆粒；W電極表面形成的凹坑較小，裂紋較窄，突起顆粒較小。對比兩種開關電極，Mo開關電極燒蝕率較大（9.0×10-6g·C-1），燒蝕較嚴重，表面呈明顯熔融態；而W開關電極燒蝕率較小（5.0×10-6g·C-1），表面整體較平整。因此在長壽命應用等場合，可優先選用W作為電極材料，以減少電極燒蝕程度。

氣體火花開關電極材料燒蝕率微觀形貌能譜元素分析

0　引言

近年來，脈沖功率技術飛速發展，開關技術是限制其發展的關鍵技術之一［1］。氣體火花開關（Gas Spark Gap，GSG）具有工作電壓高、開關電流大、導通電阻小、壽命長、結構堅固和使用方便等一系列優點，在高壓脈沖發生器等許多領域得以廣泛應用，在高壓設備和元器件的防護等方面發展潛力巨大［2］。在工作過程中，氣體火花開關將不可避免地發生電極燒蝕，損失一定電極材料，同時電極表面狀態變差（例如表面粗糙度變大），從而影響開關電性能（例如導致開關自擊穿電壓下降），甚至導致開關失誤或失控，限制了開關工作壽命［3-5］。因此，研究開關電極燒蝕特征，找尋減少電極燒蝕的措施，以優化開關性能并延長開關工作壽命，是目前脈沖功率開關技術中重要的研究課題［6，7］。國內外專家學者針對影響開關電極燒蝕的因素，立足于電極材料和放電條件等方面，開展了大量實驗和計算研究［8-14］。但是，鮮有文獻報道開關電極燒蝕形貌特征隨放電次數的變化過程，從而摸索開關工作過程中電極燒蝕特征對開關性能與工作壽命的影響規律。在前期氣體火花開關研究基礎上［15］，本文對不同放電條件下氣體火花開關單次放電情況進行實驗，研究開關電極燒蝕形貌，探索電極燒蝕特征受放電條件的影響規律；還對多種電極材料的氣體火花開關進行多次放電實驗，研究開關電極燒蝕形貌隨放電次數的變化特征以及開關電極燒蝕率，對比分析不同電極材料的燒蝕特征和電極燒蝕率，探索性能優異的電極材料，尋找減弱電極燒蝕的有效措施，為長壽命等場合氣體火花開關設計與應用指明方向。

1　實驗方法

1.1實驗條件

氣體火花開關電極燒蝕實驗裝置由高壓電源（Spellman SL10）、電容、示波器（Tekronix DPO4054B）、高壓探頭（Tekronix P6015A）、Rogowski線圈（Pearson 410）和氣體火花開關組成，裝置的線路連接方式如圖1所示，氣體火花開關的主要結構示意圖如圖2所示。

圖1　氣體火花開關電極燒蝕實驗裝置示意圖Fig.1　The experimental set-up used for the GSG switch electrode erosion test

圖2　氣體火花開關主要結構示意圖Fig.2　Schematic of the GSG structure

氣體火花開關管內保持常壓氮氣環境，分別采用鉬（Mo）和鎢（W）作為兩組開關主電極材料。通過改變儲能電容的容量來獲得不同的放電條件，測得的峰值電流以及計算所得的電極間單次傳遞電荷量見表1，3種放電條件對應的放電電流波形如圖3所示，可進行氣體火花開關單次和多次放電實驗。

表1　不同放電條件下的峰值電流和傳遞電荷量Tab.1　Peak current and transfer charge at different discharging conditions

圖3　不同條件下的放電電流波形Fig.3　The impulse current waveforms at different discharging conditions

1.2開關電極燒蝕率及電極形貌表征

通過開關的電極燒蝕率來表征電極燒蝕程度。于開關放電實驗前后，采用電子天平Mettler Toledo AE240測試電極質量。電極燒蝕率為傳遞單位電荷量所引起主電極的質量損失，計算公式如下式中，m0、m1分別為放電實驗前后主電極的質量，g；q為主電極間傳遞電荷量，C；E為電極燒蝕率，g·C-1。

通過開關電極的燒蝕形貌來進一步表征電極燒蝕程度，分析開關電極燒蝕特征。與放電實驗前相比，表面平整光滑的電極經放電電弧燒蝕后，呈現出凹坑等燒蝕特征，這些微觀特征可通過掃描電鏡Zeiss EVO 50觀測分析，并且利用其二次電子模式能夠有效分析電極表面的微觀立體特征，結合EDX能譜分析來表征電極表面的成分分布。

2　單次放電后的電極燒蝕形貌

針對主電極材料為Mo的氣體火花開關，在不同放電條件下進行單次放電實驗，燒蝕后的電極微觀形貌如圖4所示。在放電條件1下進行電極燒蝕后，電極表面呈現出明顯的電弧燒蝕坑，燒蝕坑最大直徑達30μm，坑的中心處向下凹陷，坑的邊緣圓滑，且向上突出，周圍出現大量微裂紋，甚至部分裂紋已蔓延至燒蝕坑中；在放電條件2下，電極表面出現輪廓清晰且相互重疊的燒蝕坑，最大直徑達40μm，燒蝕坑趨于熔融態，坑的邊緣以熔融微滴的形式向周圍鋪開，并且覆蓋于周圍的電極表面，坑的周圍呈現眾多裂紋，裂紋寬度接近0.5μm，并且在燒蝕坑中同樣出現微裂紋；在峰值電流最大的放電條件3下，燒蝕凹坑清晰明顯，燒蝕坑之間相互重疊，呈現顯著的熔融狀態，最大直徑近60μm，周圍同樣伴有微裂紋。

圖4　不同放電條件下Mo開關進行單次放電后的電極形貌Fig.4　Micrographs of Mo electrodes after a shot at different conditions

在開關單次放電過程中，主電極之間因尖端、塵埃或溝槽等形成局部場致發射，等離子體的形成以及貫穿開關主間隙使其導通，高溫的放電電弧致使局部電極材料液化熔融或部分汽化，電弧作用力（包括等離子體壓力）作用于熔融電極表面使其受到損壞，致使熔融液滴產生濺射，損失一定電極材料，同時表面張力作用于受損表面，使之平坦化，當等離子體壓力與表面張力達到平衡時，形成微米級大小趨于圓形的燒蝕凹坑，凹坑的直徑與表面張力常數成正比，且與等離子體壓力成反比，一般在5～200μm之間［7，8，16］；噴濺物中的一部分被帶離電極表面［16］，散布于周圍區域；另一部分在粘著力作用下以熔融態形式滯留于燒蝕坑邊緣，并向作用點周圍鋪展開，最終冷卻形成微突的邊緣［8］。于放電前后，電弧放電處電極材料經歷受熱膨脹，接著冷卻至凝固溫度，再進一步冷卻使其在熱脹冷縮效應下產生較強內應力（線性尺寸變化接近2%），材料沿晶界開裂，導致裂紋的產生［16］。從放電條件1至條件3，峰值電流和傳遞電荷量逐漸增大（分別達到5.62kA和5.0×10-2C），電極表面形成的電弧燒蝕坑輪廓隨之變得越清晰，燒蝕坑呈現熔融狀態越明顯，即放電電弧致使表面電極材料熔融的厚度越大，同時引起的表面電極材料噴濺程度越大，燒蝕坑直徑逐漸增大。分析原因，峰值電流和傳遞電荷量值越大，電弧作用于電極表面的能量越大，致使該作用點溫升越高，因而電極材料熔融效應越明顯，同時電弧作用力越大，濺射程度越大，噴濺物量越多，呈現出的燒蝕坑直徑越大。

3　放電過程中電極質量與燒蝕形貌的變化

繼研究不同放電條件下單次放電后開關的電極微觀形貌后，為了研究開關電極燒蝕形貌隨放電次數增加的變化特征，從而分析探索電極燒蝕對開關性能與工作壽命的影響，本文針對Mo和W作為主電極材料的兩種氣體火花開關，在放電條件2下進行4個階段實驗：①200次放電實驗，分析電極形貌；②放電累積達2 000次，分析電極形貌；③放電累積4 000次，分析電極形貌；④放電累積8 000次，分析電極形貌。放電頻率為12次/min，每進行1個階段的放電實驗，對開關電極進行肉眼觀測以及掃描電鏡分析，在整個實驗前后還需測量開關主電極的質量，以計算電極燒蝕率來表征不同開關電極的燒蝕程度。

3.1開關的電極燒蝕率

在放電條件2下進行8 000次放電實驗后，兩種開關的電極質量變化和電極燒蝕率見表2。從表中可看出，在放電過程中兩種開關主電極的質量均減小，分析原因，電極放電致使電極材料發生噴濺（微粒濺射距離達到米量級）［8，16］，電極噴濺物在電弧作用力（主要為等離子體壓力）下向周圍濺射擴散，因此實驗后開關電極質量均減小。由表2可知，Mo開關的電極燒蝕率大幅度地大于W開關的電極燒蝕率，W開關電極燒蝕率僅為5.0×10-6g·C-1。分析原因，結合文獻［15］中材料抗燒蝕常數，W的熔點高（3 410℃）、密度高（19.3g·cm-3）［17］，在放電過程中耐燒蝕，放電電弧引起的W材料噴濺程度小，質量損失小；而Mo的熔點較低（2 610℃）、密度較低（9.0g·cm-3）、抗燒蝕性能較差，在放電過程中Mo電極材料噴濺程度較大，質量損失大。一般而言，開關的工作壽命與電極燒蝕率成反比關系，因此，為了延長開關的工作壽命，可在大電流、長壽命等場合考慮選用W材料作為開關的主電極材料。

表2　在放電條件2下進行8 000次放電后開關的電極燒蝕率Tab.2　The erosion rate of main electrodes after 8 000 shots at condition 2

3.2開關電極燒蝕形貌的變化

在開關放電過程中，放電電弧與電極材料相互作用，致使開關電極狀態發生變化，通過研究開關電極燒蝕形貌隨放電次數的變化特征，可摸索電極燒蝕特征，探索電極燒蝕對開關性能與工作壽命的影響規律。

經200次、2 000次、4 000次和8 000次燒蝕后Mo開關電極燒蝕形貌如圖5所示，其中插圖為電極表面的低倍率掃描電鏡圖，主圖為電極中心處的微觀形貌圖。從低倍圖中可以發現，隨著放電次數的增多，放電電弧在電極表面的燒蝕區域由中心向邊緣逐漸擴展，中心嚴重燒蝕區域逐步擴大，電極表面粗糙度也逐漸增大（中心區域尤為明顯）。越靠近中心，電極燒蝕程度越大。

從圖5a～圖5d可知，電極表面的燒蝕程度由輕微向嚴重轉變，并且均伴有燒蝕坑和裂紋。經200次放電后，Mo電極表面狀態改變較小，僅在中心和部分邊緣區域呈現出較輕的燒蝕程度并留下少量燒蝕痕跡，由中心處微觀形貌可知，直徑達10μm以上的燒蝕坑清晰可見，還伴有亞微米量級的裂紋。2 000次燒蝕后電極絕大部分區域均被燒蝕，留下明顯燒蝕痕跡，形成大量相互重疊的燒蝕坑，中心處電極表面呈現出趨于熔融態的趨勢，且形成了寬度達5μm的裂紋。經歷4 000次放電后，放電電弧在電極表面的燒蝕范圍已擴展至整個正表面，中心區電極表面呈明顯的熔融狀態，燒蝕裂紋變得更寬（8μm）。進行8 000次放電后，電極中心粗糙不平，呈現大量熔融金屬，眾多裂紋遍布于表面，并且形成少量Mo金屬突起，這些突起物的根部與電極緊密地融為一體，突起物根部較大（最大處直徑達50μm），頂端呈圓球狀，直徑達30μm。

圖5　經多次燒蝕后Mo電極燒蝕形貌（插圖為低倍圖）Fig.5　Micrographs of Mo electrode after several shots（inset： low magnification images）

燒蝕坑和裂紋的形成過程以及電極材料熔融化過程請詳見上述單次放電部分。隨著放電次數不斷增多，燒蝕范圍逐步擴大（從中心向四周擴散），放電電弧與電極材料相互作用加劇，電極表面形成的裂紋逐漸增多，裂紋寬度逐漸變大，放電電弧引起的濺射作用致使表面電極材料不斷被剝離，形成的燒蝕坑相互重疊，凹坑輪廓變模糊，電極表面呈現出的熔融狀態愈明顯。當放電次數達一定數量后（8 000次），Mo電極表面形成少量金屬突起，分析Mo突起的來源，一方面電弧放電致使電極材料發生噴濺形成燒蝕坑，部分噴濺物滯留于燒蝕坑邊緣，經多次放電后在重疊的燒蝕坑周圍堆積；另一方面相對的另一電極表面材料以熔融液滴形式噴濺至此電極表面，冷卻后形成微小突起，經多次放電后這些微突不斷堆積長大，形成突起。在放電過程中形成的燒蝕坑、裂紋和突起導致局部電場增強，直接影響開關下一次放電過程［8，16］。燒蝕坑直徑較小，裂紋寬度較小，因此這兩者對電場分布的影響較小；而突起尺寸較大，會極大程度地改變電場分布，直接導致開關電性能變差，如致使開關自擊穿電壓下降等，并且突起數量越多，尺寸越大，對開關電性能的影響越大。

經多次燒蝕后W開關電極燒蝕形貌如圖6所示。從低倍圖中可以發現，W開關電極表面變化趨勢與Mo開關的相似，然而W電極的燒蝕程度較輕。經200次放電后，在中心表面留下一定相互重疊的燒蝕坑，坑徑接近5μm，還出現少量亞微米級寬度的裂紋。2 000次燒蝕后，表面形成的燒蝕坑急劇增多，但整體較平整，眾多裂紋之間蜿蜒相連。經歷4 000次放電后，燒蝕范圍已擴展至整個正表面，中心處燒蝕程度加劇，形成的裂紋數量增多且寬度增大（最寬為3μm），深度也增大；燒蝕坑相互重疊并向周圍鋪展開，加之產生的熔融噴濺物分布于電極表面，甚至將少量裂紋覆蓋。進行8 000次放電后，中心出現少量W突起，顆粒呈圓球狀，其根部與電極表面結合緊密，頂端圓滑，較大突起的直徑達20μm，在電極表面大量裂紋清晰可見，燒蝕坑相互重疊，遍布于表面；分析W突起的來源，一方面電弧放電引起濺射致使電極材料向周圍擴散，噴濺物在作用處周圍堆積；另一方面來自于對面電極的少量熔融噴濺物被帶至此電極，微小突起經多次放電后不斷堆積長大，形成W突起顆粒。

對比兩種開關經多次放電的電極形貌變化過程，結合電極質量變化結果，可以發現Mo開關的電極燒蝕程度較嚴重，這是由于Mo的抗燒蝕性能較差［15］，在實驗過程中質量損失最大，這與電極燒蝕率結果相吻合。與W開關相比，Mo開關電極中心處的表面粗糙度較大且表面呈現更為明顯的熔融態。結合微觀形貌，Mo開關電極表面形成大量相互重疊的燒蝕坑、眾多裂紋（最大寬度達8μm）和少量的Mo突起（直徑達30μm），這些燒蝕特征使Mo電極中心的表面粗糙度顯著變大；而W電極表面呈現的燒蝕坑直徑較小（5μm），裂紋寬度較小（3μm），形成的少量W突起粒徑較小（20μm），在整體上較平整。分析原因，W的熔點高，能有效減小放電電弧對它產生的相變效應（液化甚至汽化），使其相變區域減小，還因W具有優異的抗燒蝕和抗剝離性能，使其能大幅減弱放電電弧引起的濺射作用，放電后在表面形成較淺且小的燒蝕坑、較窄的裂紋與尺寸較小的W突起，從而呈現出較為平整的電極表面，并表現出較低的電極燒蝕率。

在開關工作過程中，形成的燒蝕坑、裂紋和突起等燒蝕特征可使局部電場增強，從而影響開關性能，并且這些燒蝕特征尺寸越大，對開關性能影響越大。因此，為了延長開關的工作壽命，可采取措施減小燒蝕坑、裂紋和突起等特征對開關性能的影響，例如選用抗燒蝕性能優異的W材料作為大電流、長壽命等場合開關的主電極材料。

圖6　經多次燒蝕后W電極燒蝕形貌（插圖為低倍圖）Fig.6　Micrographs of W electrode after several shots（inset： low magnification images）

4　結論

在不同放電條件下對Mo氣體火花開關進行單次放電電極燒蝕實驗，結果表明，隨著峰值電流和傳遞電荷量增大，表面電極材料噴濺程度逐漸變大，電極表面形成的燒蝕坑輪廓變得越清晰，燒蝕坑呈現熔融狀態越明顯，燒蝕坑直徑逐漸增大。針對兩種電極材料，研究氣體火花開關電極燒蝕形貌隨放電次數的變化特征以及開關電極燒蝕率。可知隨放電次數增加，燒蝕范圍由中心向邊緣逐漸擴展，中心嚴重燒蝕區逐步擴大，電極表面逐漸變粗糙。Mo和W開關的電極燒蝕率分別為9.0×10-6g·C-1和5.0×10-6g·C-1；Mo開關電極燒蝕程度較嚴重，表面形成大量寬裂紋和少量大粒徑Mo突起；W電極表面呈現較小燒蝕坑和窄裂紋，且形成少量較小的W突起，表面整體較平整。與W開關相比，Mo開關電極中心表面呈更明顯的熔融態并且表面較粗糙。為了減少電極燒蝕，延長開關工作壽命，可選用W作為長壽命氣體火花開關的電極材料。

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Microstructure Characteristics in Electrodes of Gas Spark Gap after Erosion

Xie ChangmingTan XiaohuaDu TaoXiao Mingzhu
（Institute of Electronic Engineering CAEPMianyang621900China）

Research on microstructure characteristics in electrodes of gas spark gap （GSG） after a shot at different conditions was carried out. It could be found that sputtering of electrode materials increases gradually with increasing of peak current and transfer charge. The melted state of craters gets visibly. The diameter of craters increases by degrees. Microstructure characteristics and erosion rates of GSG electrodes with Mo and W main electrodes after several shots were investigated. With discharging times increasing，the electrode erosion area extends from center to edge and it gets rough in the surface of electrodes. It was ablated seriously in central area. The Mo electrode exhibits heavier erosion condition than the W electrode. It presents a great quantity of wide cracks and a few Mo saliences with 30μm in diameter in the surface of Mo electrode. The W electrode exhibits small erosion craters，narrow cracks，a few W saliences and flat surface. The Mo electrode became much rougher and more melted state than the W electrode after erosion. And the W electrode presents smaller erosion rate than the Mo electrode （electrode erosion rate of Mo： 9.0×10-6g·C-1，W： 5.0×10-6g·C-1）. Therefore，tungsten which presents excellent anti-erosion performance could be selected firstly as main electrode materials of GSG.

Gas spark gap，electrode materials，erosion rate，micrograph，EDX elemental analysis

TN78

謝昌明男，1986年生，碩士，主要從事高電壓電真空技術及材料等方面的研究。

談效華男，1970年生，研究員，主要從事脈沖功率技術及高電壓電真空技術等方面的研究。

“十二五”預研基金資助項目（426010402-3）。

2014-02-13改稿日期 2014-06-03