氣體火花開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌研究

謝昌明　談效華　杜　濤　肖明珠

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所　綿陽(yáng)　621900）

氣體火花開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌研究

謝昌明談效華杜濤肖明珠

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所綿陽(yáng)621900）

開(kāi)展了不同放電條件下氣體火花開(kāi)關(guān)單次放電實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)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(kāi)關(guān)電極材料，研究多次放電過(guò)程中氣體火花開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌的變化規(guī)律和電極燒蝕率。結(jié)果表明，Mo和W開(kāi)關(guān)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(guò)程中，燒蝕區(qū)域由電極中心擴(kuò)寬至邊緣，表面粗糙度逐漸增大，中心區(qū)燒蝕嚴(yán)重。Mo電極表面呈現(xiàn)大量寬裂紋以及少量粒徑達(dá)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(duì)比兩種開(kāi)關(guān)電極，Mo開(kāi)關(guān)電極燒蝕率較大（9.0×10-6g·C-1），燒蝕較嚴(yán)重，表面呈明顯熔融態(tài)；而W開(kāi)關(guān)電極燒蝕率較小（5.0×10-6g·C-1），表面整體較平整。因此在長(zhǎng)壽命應(yīng)用等場(chǎng)合，可優(yōu)先選用W作為電極材料，以減少電極燒蝕程度。

氣體火花開(kāi)關(guān)電極材料燒蝕率微觀形貌能譜元素分析

0　引言

近年來(lái)，脈沖功率技術(shù)飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)技術(shù)是限制其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。氣體火花開(kāi)關(guān)（Gas Spark Gap，GSG）具有工作電壓高、開(kāi)關(guān)電流大、導(dǎo)通電阻小、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，在高壓脈沖發(fā)生器等許多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，在高壓設(shè)備和元器件的防護(hù)等方面發(fā)展?jié)摿薮螅?］。在工作過(guò)程中，氣體火花開(kāi)關(guān)將不可避免地發(fā)生電極燒蝕，損失一定電極材料，同時(shí)電極表面狀態(tài)變差（例如表面粗糙度變大），從而影響開(kāi)關(guān)電性能（例如導(dǎo)致開(kāi)關(guān)自擊穿電壓下降），甚至導(dǎo)致開(kāi)關(guān)失誤或失控，限制了開(kāi)關(guān)工作壽命［3-5］。因此，研究開(kāi)關(guān)電極燒蝕特征，找尋減少電極燒蝕的措施，以?xún)?yōu)化開(kāi)關(guān)性能并延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)工作壽命，是目前脈沖功率開(kāi)關(guān)技術(shù)中重要的研究課題［6，7］。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)影響開(kāi)關(guān)電極燒蝕的因素，立足于電極材料和放電條件等方面，開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究［8-14］。但是，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌特征隨放電次數(shù)的變化過(guò)程，從而摸索開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中電極燒蝕特征對(duì)開(kāi)關(guān)性能與工作壽命的影響規(guī)律。在前期氣體火花開(kāi)關(guān)研究基礎(chǔ)上［15］，本文對(duì)不同放電條件下氣體火花開(kāi)關(guān)單次放電情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌，探索電極燒蝕特征受放電條件的影響規(guī)律；還對(duì)多種電極材料的氣體火花開(kāi)關(guān)進(jìn)行多次放電實(shí)驗(yàn)，研究開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌隨放電次數(shù)的變化特征以及開(kāi)關(guān)電極燒蝕率，對(duì)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(yōu)異的電極材料，尋找減弱電極燒蝕的有效措施，為長(zhǎng)壽命等場(chǎng)合氣體火花開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與應(yīng)用指明方向。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)條件

氣體火花開(kāi)關(guān)電極燒蝕實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)組成，裝置的線路連接方式如圖1所示，氣體火花開(kāi)關(guān)的主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1　氣體火花開(kāi)關(guān)電極燒蝕實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)主要結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic of the GSG structure

氣體火花開(kāi)關(guān)管內(nèi)保持常壓氮?dú)猸h(huán)境，分別采用鉬（Mo）和鎢（W）作為兩組開(kāi)關(guān)主電極材料。通過(guò)改變儲(chǔ)能電容的容量來(lái)獲得不同的放電條件，測(cè)得的峰值電流以及計(jì)算所得的電極間單次傳遞電荷量見(jiàn)表1，3種放電條件對(duì)應(yīng)的放電電流波形如圖3所示，可進(jìn)行氣體火花開(kāi)關(guān)單次和多次放電實(shí)驗(yàn)。

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(kāi)關(guān)電極燒蝕率及電極形貌表征

通過(guò)開(kāi)關(guān)的電極燒蝕率來(lái)表征電極燒蝕程度。于開(kāi)關(guān)放電實(shí)驗(yàn)前后，采用電子天平Mettler Toledo AE240測(cè)試電極質(zhì)量。電極燒蝕率為傳遞單位電荷量所引起主電極的質(zhì)量損失，計(jì)算公式如下式中，m0、m1分別為放電實(shí)驗(yàn)前后主電極的質(zhì)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(guò)開(kāi)關(guān)電極的燒蝕形貌來(lái)進(jìn)一步表征電極燒蝕程度，分析開(kāi)關(guān)電極燒蝕特征。與放電實(shí)驗(yàn)前相比，表面平整光滑的電極經(jīng)放電電弧燒蝕后，呈現(xiàn)出凹坑等燒蝕特征，這些微觀特征可通過(guò)掃描電鏡Zeiss EVO 50觀測(cè)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(jié)合EDX能譜分析來(lái)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(duì)主電極材料為Mo的氣體火花開(kāi)關(guān)，在不同放電條件下進(jìn)行單次放電實(shí)驗(yàn)，燒蝕后的電極微觀形貌如圖4所示。在放電條件1下進(jìn)行電極燒蝕后，電極表面呈現(xiàn)出明顯的電弧燒蝕坑，燒蝕坑最大直徑達(dá)30μm，坑的中心處向下凹陷，坑的邊緣圓滑，且向上突出，周?chē)霈F(xiàn)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(xiàn)輪廓清晰且相互重疊的燒蝕坑，最大直徑達(dá)40μm，燒蝕坑趨于熔融態(tài)，坑的邊緣以熔融微滴的形式向周?chē)侀_(kāi)，并且覆蓋于周?chē)碾姌O表面，坑的周?chē)尸F(xiàn)眾多裂紋，裂紋寬度接近0.5μm，并且在燒蝕坑中同樣出現(xiàn)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(xiàn)顯著的熔融狀態(tài)，最大直徑近60μm，周?chē)瑯影橛形⒘鸭y。

圖4　不同放電條件下Mo開(kāi)關(guān)進(jìn)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(kāi)關(guān)單次放電過(guò)程中，主電極之間因尖端、塵?；驕喜鄣刃纬删植繄?chǎng)致發(fā)射，等離子體的形成以及貫穿開(kāi)關(guān)主間隙使其導(dǎo)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(chǎn)生濺射，損失一定電極材料，同時(shí)表面張力作用于受損表面，使之平坦化，當(dāng)?shù)入x子體壓力與表面張力達(dá)到平衡時(shí)，形成微米級(jí)大小趨于圓形的燒蝕凹坑，凹坑的直徑與表面張力常數(shù)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?chē)鷧^(qū)域；另一部分在粘著力作用下以熔融態(tài)形式滯留于燒蝕坑邊緣，并向作用點(diǎn)周?chē)佌归_(kāi)，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(jīng)歷受熱膨脹，接著冷卻至凝固溫度，再進(jìn)一步冷卻使其在熱脹冷縮效應(yīng)下產(chǎn)生較強(qiáng)內(nèi)應(yīng)力（線性尺寸變化接近2%），材料沿晶界開(kāi)裂，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)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(dá)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(xiàn)熔融狀態(tài)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(shí)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(diǎn)溫升越高，因而電極材料熔融效應(yīng)越明顯，同時(shí)電弧作用力越大，濺射程度越大，噴濺物量越多，呈現(xiàn)出的燒蝕坑直徑越大。

3　放電過(guò)程中電極質(zhì)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(kāi)關(guān)的電極微觀形貌后，為了研究開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌隨放電次數(shù)增加的變化特征，從而分析探索電極燒蝕對(duì)開(kāi)關(guān)性能與工作壽命的影響，本文針對(duì)Mo和W作為主電極材料的兩種氣體火花開(kāi)關(guān)，在放電條件2下進(jìn)行4個(gè)階段實(shí)驗(yàn)：①200次放電實(shí)驗(yàn)，分析電極形貌；②放電累積達(dá)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(jìn)行1個(gè)階段的放電實(shí)驗(yàn)，對(duì)開(kāi)關(guān)電極進(jìn)行肉眼觀測(cè)以及掃描電鏡分析，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)前后還需測(cè)量開(kāi)關(guān)主電極的質(zhì)量，以計(jì)算電極燒蝕率來(lái)表征不同開(kāi)關(guān)電極的燒蝕程度。

3.1開(kāi)關(guān)的電極燒蝕率

在放電條件2下進(jìn)行8 000次放電實(shí)驗(yàn)后，兩種開(kāi)關(guān)的電極質(zhì)量變化和電極燒蝕率見(jiàn)表2。從表中可看出，在放電過(guò)程中兩種開(kāi)關(guān)主電極的質(zhì)量均減小，分析原因，電極放電致使電極材料發(fā)生噴濺（微粒濺射距離達(dá)到米量級(jí)）［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?chē)鸀R射擴(kuò)散，因此實(shí)驗(yàn)后開(kāi)關(guān)電極質(zhì)量均減小。由表2可知，Mo開(kāi)關(guān)的電極燒蝕率大幅度地大于W開(kāi)關(guān)的電極燒蝕率，W開(kāi)關(guān)電極燒蝕率僅為5.0×10-6g·C-1。分析原因，結(jié)合文獻(xiàn)［15］中材料抗燒蝕常數(shù)，W的熔點(diǎn)高（3 410℃）、密度高（19.3g·cm-3）［17］，在放電過(guò)程中耐燒蝕，放電電弧引起的W材料噴濺程度小，質(zhì)量損失??；而Mo的熔點(diǎn)較低（2 610℃）、密度較低（9.0g·cm-3）、抗燒蝕性能較差，在放電過(guò)程中Mo電極材料噴濺程度較大，質(zhì)量損失大。一般而言，開(kāi)關(guān)的工作壽命與電極燒蝕率成反比關(guān)系，因此，為了延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的工作壽命，可在大電流、長(zhǎng)壽命等場(chǎng)合考慮選用W材料作為開(kāi)關(guān)的主電極材料。

表2　在放電條件2下進(jìn)行8 000次放電后開(kāi)關(guān)的電極燒蝕率Tab.2　The erosion rate of main electrodes after 8 000 shots at condition 2

3.2開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌的變化

在開(kāi)關(guān)放電過(guò)程中，放電電弧與電極材料相互作用，致使開(kāi)關(guān)電極狀態(tài)發(fā)生變化，通過(guò)研究開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌隨放電次數(shù)的變化特征，可摸索電極燒蝕特征，探索電極燒蝕對(duì)開(kāi)關(guān)性能與工作壽命的影響規(guī)律。

經(jīng)200次、2 000次、4 000次和8 000次燒蝕后Mo開(kāi)關(guān)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(fā)現(xiàn)，隨著放電次數(shù)的增多，放電電弧在電極表面的燒蝕區(qū)域由中心向邊緣逐漸擴(kuò)展，中心嚴(yán)重?zé)g區(qū)域逐步擴(kuò)大，電極表面粗糙度也逐漸增大（中心區(qū)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(yán)重轉(zhuǎn)變，并且均伴有燒蝕坑和裂紋。經(jīng)200次放電后，Mo電極表面狀態(tài)改變較小，僅在中心和部分邊緣區(qū)域呈現(xiàn)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(dá)10μm以上的燒蝕坑清晰可見(jiàn)，還伴有亞微米量級(jí)的裂紋。2 000次燒蝕后電極絕大部分區(qū)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(xiàn)出趨于熔融態(tài)的趨勢(shì)，且形成了寬度達(dá)5μm的裂紋。經(jīng)歷4 000次放電后，放電電弧在電極表面的燒蝕范圍已擴(kuò)展至整個(gè)正表面，中心區(qū)電極表面呈明顯的熔融狀態(tài)，燒蝕裂紋變得更寬（8μm）。進(jìn)行8 000次放電后，電極中心粗糙不平，呈現(xiàn)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(dá)50μm），頂端呈圓球狀，直徑達(dá)30μm。

圖5　經(jīng)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(guò)程以及電極材料熔融化過(guò)程請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)上述單次放電部分。隨著放電次數(shù)不斷增多，燒蝕范圍逐步擴(kuò)大（從中心向四周擴(kuò)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(xiàn)出的熔融狀態(tài)愈明顯。當(dāng)放電次數(shù)達(dá)一定數(shù)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(lái)源，一方面電弧放電致使電極材料發(fā)生噴濺形成燒蝕坑，部分噴濺物滯留于燒蝕坑邊緣，經(jīng)多次放電后在重疊的燒蝕坑周?chē)逊e；另一方面相對(duì)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(jīng)多次放電后這些微突不斷堆積長(zhǎng)大，形成突起。在放電過(guò)程中形成的燒蝕坑、裂紋和突起導(dǎo)致局部電場(chǎng)增強(qiáng)，直接影響開(kāi)關(guān)下一次放電過(guò)程［8，16］。燒蝕坑直徑較小，裂紋寬度較小，因此這兩者對(duì)電場(chǎng)分布的影響較??；而突起尺寸較大，會(huì)極大程度地改變電場(chǎng)分布，直接導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電性能變差，如致使開(kāi)關(guān)自擊穿電壓下降等，并且突起數(shù)量越多，尺寸越大，對(duì)開(kāi)關(guān)電性能的影響越大。

經(jīng)多次燒蝕后W開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌如圖6所示。從低倍圖中可以發(fā)現(xiàn)，W開(kāi)關(guān)電極表面變化趨勢(shì)與Mo開(kāi)關(guān)的相似，然而W電極的燒蝕程度較輕。經(jīng)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(xiàn)少量亞微米級(jí)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(jīng)歷4 000次放電后，燒蝕范圍已擴(kuò)展至整個(gè)正表面，中心處燒蝕程度加劇，形成的裂紋數(shù)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?chē)佌归_(kāi)，加之產(chǎn)生的熔融噴濺物分布于電極表面，甚至將少量裂紋覆蓋。進(jìn)行8 000次放電后，中心出現(xiàn)少量W突起，顆粒呈圓球狀，其根部與電極表面結(jié)合緊密，頂端圓滑，較大突起的直徑達(dá)20μm，在電極表面大量裂紋清晰可見(jiàn)，燒蝕坑相互重疊，遍布于表面；分析W突起的來(lái)源，一方面電弧放電引起濺射致使電極材料向周?chē)鷶U(kuò)散，噴濺物在作用處周?chē)逊e；另一方面來(lái)自于對(duì)面電極的少量熔融噴濺物被帶至此電極，微小突起經(jīng)多次放電后不斷堆積長(zhǎng)大，形成W突起顆粒。

對(duì)比兩種開(kāi)關(guān)經(jīng)多次放電的電極形貌變化過(guò)程，結(jié)合電極質(zhì)量變化結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)Mo開(kāi)關(guān)的電極燒蝕程度較嚴(yán)重，這是由于Mo的抗燒蝕性能較差［15］，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中質(zhì)量損失最大，這與電極燒蝕率結(jié)果相吻合。與W開(kāi)關(guān)相比，Mo開(kāi)關(guān)電極中心處的表面粗糙度較大且表面呈現(xiàn)更為明顯的熔融態(tài)。結(jié)合微觀形貌，Mo開(kāi)關(guān)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(dá)8μm）和少量的Mo突起（直徑達(dá)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(xiàn)的燒蝕坑直徑較?。?μm），裂紋寬度較?。?μm），形成的少量W突起粒徑較?。?0μm），在整體上較平整。分析原因，W的熔點(diǎn)高，能有效減小放電電弧對(duì)它產(chǎn)生的相變效應(yīng)（液化甚至汽化），使其相變區(qū)域減小，還因W具有優(yōu)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(xiàn)出較為平整的電極表面，并表現(xiàn)出較低的電極燒蝕率。

在開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中，形成的燒蝕坑、裂紋和突起等燒蝕特征可使局部電場(chǎng)增強(qiáng)，從而影響開(kāi)關(guān)性能，并且這些燒蝕特征尺寸越大，對(duì)開(kāi)關(guān)性能影響越大。因此，為了延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的工作壽命，可采取措施減小燒蝕坑、裂紋和突起等特征對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響，例如選用抗燒蝕性能優(yōu)異的W材料作為大電流、長(zhǎng)壽命等場(chǎng)合開(kāi)關(guān)的主電極材料。

圖6　經(jīng)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(jié)論

在不同放電條件下對(duì)Mo氣體火花開(kāi)關(guān)進(jìn)行單次放電電極燒蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(xiàn)熔融狀態(tài)越明顯，燒蝕坑直徑逐漸增大。針對(duì)兩種電極材料，研究氣體火花開(kāi)關(guān)電極燒蝕形貌隨放電次數(shù)的變化特征以及開(kāi)關(guān)電極燒蝕率?？芍S放電次數(shù)增加，燒蝕范圍由中心向邊緣逐漸擴(kuò)展，中心嚴(yán)重?zé)g區(qū)逐步擴(kuò)大，電極表面逐漸變粗糙。Mo和W開(kāi)關(guān)的電極燒蝕率分別為9.0×10-6g·C-1和5.0×10-6g·C-1；Mo開(kāi)關(guān)電極燒蝕程度較嚴(yán)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(xiàn)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(kāi)關(guān)相比，Mo開(kāi)關(guān)電極中心表面呈更明顯的熔融態(tài)并且表面較粗糙。為了減少電極燒蝕，延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)工作壽命，可選用W作為長(zhǎng)壽命氣體火花開(kāi)關(guān)的電極材料。

［1］ 許日, 寧輝, 邱愛(ài)慈, 等. 重復(fù)率氣體火花開(kāi)關(guān)絕緣恢復(fù)特性［J］. 強(qiáng)激光與粒子束，1996，8（4）： 518-522.

Xü Ri，Ning Hui，Qiu Aici，et al. Experiment researches of rep-rate gas spark gap insulation recovery［J］. High Power Laser and Particle Beams，1996，8（4）： 518-522.

［2］ 廖復(fù)疆. 真空電子技術(shù)［M］. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［3］ Wang H，Chang J，Tong X，et al. Study on the characteristics of the gas switch electrode erosion［J］. High Voltage Apparatus，2011，47（9）： 6-11.

［4］ 曾晗，林福昌，蔡禮，等. 石墨電極燒蝕機(jī)理及實(shí)驗(yàn)［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（1）： 43-49.

Zeng Han，Lin Fuchang，Cai Li，et al. Mechanism and experiment of graphite electrode erosion［J］. Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（1）：43-49.

［5］ 馬湘蓉，施衛(wèi)，薛紅，等. 沿面閃絡(luò)和絲狀電流對(duì)光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的損傷機(jī)理［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（10）： 129-135.

Ma Xiangrong，Shi Wei，Xue Hong，et al. Injuring mechanism of surface flashover and filamention to the photoconductive switch［J］. Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25（10）： 129-135.

［6］ 程新兵. 高功率重復(fù)頻率氣體火花開(kāi)關(guān)研究［D］. 長(zhǎng)沙： 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［7］ Gray E W，Pharney J R. Electrode erosion by particle ejection in low-current arcs［J］. Journal of Applied Physics，1974，45（2）： 667-671.

［8］ Morozov I V，Norman G E，Insepov Z，et al. Sheath parameters for non-Debye plasmas： simulations and arc damage［J］. Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams，2012，15（5）： 53501（1-10）.

［9］ 羅敏，江金生，常安碧，等. 高功率氣體火花開(kāi)關(guān)電極燒蝕機(jī)理研究［J］. 強(qiáng)激光與粒子束，2004，16（6）： 781-786.

Luo Min，Jiang Jinsheng，Chang Anbi，et al. Study on mechanism of electrode erosion of high-power gas spark gap switch［J］. High Power Laser and Particle Beams，2004，16（6）： 781-786.

［10］ Gordon L B，Kristiansen M，Hagler M O，et al. Materials studies in a high energy spark gap［J］. IEEE Transactions on Plasma Science，1982，10（4）： 286-293.

［11］ Koutsoubis J M，MacGregor S J. Electrode erosion and lifetime performance of a high repetition rate，triggered，corona-stabilized switch in air［J］. Journal of Physics D： Applied Physics, 2000, 33（9）： 1093-1103.

［12］ Yao X，Zeng Z，Chen J. Electrode erosion of a high energy impulse spark gap switch［J］. Plasma Science & Technology，2005，7（6）： 3157-3160.

［13］ 白峰, 邱毓昌, 姜惟. 氣體火花開(kāi)關(guān)電極材料的沖擊電流侵蝕特性［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，16（4）： 76-79.

Bai Feng，Qiu Yuchang，Jiang Wei. Erosion characterristics of the electrodes used for gas spark gap［J］. Transactions of China Electrotechnical Society，2001，16（4）： 76-79.

［14］ 陳維青，曾正中，鄒麗麗，等. 100kA微秒級(jí)氣體火花開(kāi)關(guān)電極材料熔蝕研究［J］. 強(qiáng)激光與粒子束，2004，16（2）： 239-242.

Chen Weiqing，Zeng Zhengzhong，Zou Lili，et al. Selection of gas spark gaps electrode material under microsecond 100kA current pulse［J］. High Power Laser and Particle Beams，2004，16（2）： 239-242.

［15］ 謝昌明，尚紹環(huán)，談效華，等. 高氣壓大電流放電條件下的電極燒蝕［J］. 強(qiáng)激光與粒子束，2013，25（9）： 2181-2187.

Xie Changming，Shang Shaohuan，Tan Xiaohua，et al. Electrode erosion in high pressure and high current discharges［J］. High Power Laser and Particle Beams，2013，25（9）： 2181-2187.

［16］ Insepov Z，Norem J. Can surface cracks and unipolar arcs explain breakdown and gradient limits［J］. Journal of Vacuum Science & Technology A，2013，31（1）：11302（1-10）.

［17］ 飯?zhí)镄抟?，大野和郎，神前熙，? 物理學(xué)常用數(shù)表［M］. 北京： 科學(xué)出版社，1979.

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(shù)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(shù)及高電壓電真空技術(shù)等方面的研究。

“十二五”預(yù)研基金資助項(xiàng)目（426010402-3）。

2014-02-13改稿日期 2014-06-03