爆炸平面开关的设计及研究

周 密，孟庆英，韩克华，钱 勇，秦国圣

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安, 710061）

爆炸箔起爆器系统（exploding foil initiators system，EFIs）由爆炸箔起爆器和发火电路组成，爆炸箔起爆器由于良好的本质安全性，已在常规导弹、水中兵器上得到较多的应用，目前朝低能化方向发展，其发火电路朝小型化、集成化方向发展。爆炸箔起爆器发火电路使用的器件是影响发火电路性能及其小型化的重要因素。本文主要针对爆炸箔起爆器发火电路中的关键器件—高压开关开展相关研究。

目前，国内EFIs中使用的是火花隙开关，这种开关体积较大，不利于与结构紧凑的带状传输线连接，需采取过渡结构，而且火花隙开关制作工艺复杂，电极材料需经过仔细的脱气处理，安装要非常精确，制作成本高；此外，又是陶瓷密封元件，存在冲击过载易损伤及过载后惰性气体泄漏的问题。有鉴于此，本文设计并制备了一种十字状的爆炸平面开关，同时研究了其电爆炸性能。

1 爆炸平面开关的设计与制备

1.1 爆炸平面开关的设计

由于金属桥箔在陡脉冲大电流作用下会发生电爆炸，产生大量的高温高压等离子体，等离子体具有良好的导电性能。利用金属桥箔的电爆炸导通特性，在爆炸桥箔桥区的两侧设计两个导电端，形成十字状的高压平面开关，爆炸平面开关实物如图1所示。当开关桥区发生电爆炸时产生的等离子体使两侧的两个导电端迅速导通，从而主放电回路导通，使冲击片雷管起爆。

1.2 爆炸平面开关的制备

爆炸平面开关的制备可以通过磁控溅射方法也可以通过离子刻蚀方法。本文所使用的爆炸平面开关均采用离子刻蚀的方法制备。其制作过程包括镀膜、涂胶、显影、定影、蚀刻几个主要步骤。工艺框图如图2所示。

图1 爆炸平面开关实物图Fig.1 Sketch map of exploding plane switch

图2 集成平面开关的爆炸桥箔制作工艺过程Fig.2 Technological process of manufacture of exploding plane switch

2 爆炸平面开关的参数优化

2.1 实验装置

爆炸平面开关参数优化的电路原理见图3。

图3 电路原理图Fig.3 Sketch map of test circuit

图3中开关两端高压线长度100mm，每条高压线电阻10mΩ，电流环I1测试主放电回路爆炸桥箔的放电电流变化，电流环I2测试开关回路开关桥箔的电流变化，主放电回路与开关回路的放电电容C1、C2均为0.22μF。主放电回路的电容C1充电电压固定为1.2kV。

2.2 实验结果与分析

爆炸平面开关的桥区尺寸固定为0.4mm×0.4mm×5µm，桥区用厚度为35μm飞片贴封，爆炸平面开关的桥区导通后，放电形成等离子体，等离子体使两侧的间隙电极导通。不同间隙的间隙电极放电参数见表1～5。

表1 爆炸平面开关（电极间隙0.1mm）放电参数Tab.1 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap:0.1mm)

表2 爆炸平面开关（电极间隙0.2mm）放电参数Tab.2 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.2mm)

表3 爆炸平面开关（电极间隙0.3mm）放电参数Tab.3 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.3mm)

表4 爆炸平面开关（电极间隙0.4mm）放电参数Tab.4 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.4mm)

表5 爆炸平面开关（电极间隙0.5mm）放电参数Tab.5 Discharge characteristic of exploding plane switch(electrode gap: 0.5mm)

从表 1～5可以看出，随着开关回路的充电电压的升高，开关回路的峰值电流呈上升趋势，开关作用时间呈下降趋势，主放电回路的峰值电流变化不大。

开关回路不同充电电压与开关回路峰值电流的关系如图4所示，从图4中可以看出，对于同一间隙的爆炸平面开关，随着开关回路充电电压的增加，开关回路峰值电流增加；在相同开关充电电压条件下，随着间隙的增加，开关回路的峰值电流下降，间隙电极为 0.1mm爆炸平面开关的开关回路的峰值电流最大，间隙电极为0.5mm爆炸平面开关的开关回路的峰值电流最小。

图4 开关回路不同充电电压与开关回路峰值电流的关系Fig.4 Relationship between charge voltage in switching circuit and peak current in switching circuit

图5为开关回路不同充电电压与主放电回路峰值电流的关系，可以看出，对于同一间隙的爆炸平面开关，随着开关回路充电电压的增加，主放电回路峰值电流相近；在相同开关充电电压条件下，随着间隙的增加，主放电回路的峰值电流下降，间隙电极为0.1mm爆炸平面开关的主放电回路的峰值电流最大，间隙电极为0.5mm爆炸平面开关的主放电回路的峰值电流最小。

图5 开关回路不同充电电压与主放电回路峰值电流的关系Fig.5 Relationship between charge voltage in switching circuit and peak current in the main discharging circuit

图 6为开关回路不同充电电压与开关作用时间的关系，可以看出，对于同一间隙的爆炸平面开关，随着开关回路充电电压的增加，开关作用时间缩短；在相同开关充电电压条件下，随着间隙的增加，开关作用时间增加。由于间隙越小，等离子体相对集中且浓度较大，故能增加爆炸平面开关的导通能力和导通速度。

图6 开关回路不同充电电压与开关作用时间的关系Fig.6 Relationship between charge voltage in switching circuit and switching time

3 结论

利用金属桥箔的电爆炸导通特性，在爆炸桥箔桥区的两侧设计两个导电端，形成十字状的高压平面开关，不仅减小了高压开关的体积和简化制造工艺，并且大大地降低了生产成本，仅为火花隙开关的几百分之一。通过上述爆炸平面开关的实验和研究，获得爆炸箔冲击片雷管用平面开关的电爆规律：

（1）对于具有间隙电极的爆炸平面开关，随着间隙电极的间隙距离减小，开关的作用时间缩短；

（2）对于同一起爆电压的爆炸平面开关，随着放电电极间隙的增大，其冲击片雷管的爆发电流呈下降趋势。

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