Управляемый разрядник

 

Использование: в высоковольтной импульсной технике для генерации больших импульсных токов. Сущность изобретения, первый основной электрод выполнен в виде плоского диска со сферическим центральным выступом, а второй основной электрод - в виде полого усеченного конуса с зеркальной внутренней поверхностью. Икицирую щий электрод выполнен в виде диска, образующего инициирующий искровой промежуток с первым основным электродом . 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 01 Т 2/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K ABTQPCKOMY СВИДETEJlbCTBY (21) 4822250/07 (22) 20.02.90 (46) 23.08.92. Бюл, % 31 (71) Государственный научно-исследовательский энергетический институт им. Г.M,Êðæèæàíîâñêoão (72) В.И,Модзолевский (56) Патент США hL 2881346, кл, 313-231, 07.04,59.

Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. — М.: Советское радио, 1974, с. 88.

Авторское свидетельство СССР

l+ 11007722772277,, к лп; Н 01 Т 1/22, 1982.

Изобретение относится к наносекундной высоковольтной импульсной технике, а именно v, генерации больших импульсных токов, и может найти применение при разработке искровых коммутирующих устрой тв. звестен управляющий разрядник, предназначенный для одновременного подключения к нагрузке большого числа отдель-. ных модулей емкостного накопителя, который содержит искровой промежуток тригатронного типа, когда один из электродов — шар, другой — диск, а поджигающий электрод расположен в отверстии диска, Недостатком такого устройства является необходимость работы при напряжениях на основных электродах, лишь незначительно, не более 10, отличающихся от статического . пробивного, напряжения. . Возможность самопробоя и неконтролируемый стохастический разорос включения, достигающий десятков НС, не поэволяюг использовать такое коммутирующее устрой„„ЯЦ „„1757GG1 А1 (54) УПРАВЛЯЕМЫЙ РАЗРЯДНИК (57) Использование: в высоковольтной импульсной технике для генерации больших импульсных токов, Сущность изобретения: первый основной электрод выполнен в аиде плоского диска со сферическим центральным выступом, а второй основной электрод — в виде полого усеченного конуса с зеркаль- " ной внутренней поверхностью. Иницирующий электрод выполнен в виде диска, образующего инициирующий искровой промежуток с первым основным электродом. 1 ил. ство в многомодульных накопителя», где требуется высокая надежность эксплутации.

Известен трехэлектродный разрядник, содержащий три соосно расположенных сферических электрода с соотношением величин высоковольтного и низковольтного зазоров равным 2, облучаемых с целью ускорения и стабилизации коммутации УФ-лучами от искры, возникающей во вспомогательном промежутке, =ключенном последовательно с кабелем, по которому поступает пусковой импульс.

Однако такое устройство имеет лишь двукратный диапазон рабочих напряжений, Узость рабочего диапазона, большая амплитуда пускового импульса, необходимость дополнительного источника УФ-излучения являются его недостатками.

Известен трехэлектродный управляемый разрядник, содержащий соосно установленные даа основных и инициирующий электроды, инициирующий электрод выпon1757001

10

20

40 нен в виде диска с центральным токоподводящим стержнем для подключения к генератору поджигающих импульсов, и образует с одним иэ основных электродов инициирующий искровой промежуток, а другой основной электрод выполнен с зеркальной поверхностью, расположенной в области прямой видимости из укаэанного инициирующего искрового промежутка.

Недостатками такого разрядника являются: а) резко неоднородное поле в зазоре между основными электродами из-за полусферических выемок и формы основного электрода в виде кольца, что существенно снижает рабочее напряжение разрядника.

Применение изоляционных накладок в этой конструкции невозможно;

6) потеря около половины УФ-светового потока, падающего на полусферическую выемку, из-за его отражения внутрь пространства кол ьцевого . электрода.

Неравномерность интенсивности УФ-облучения по окружности межэлектроднога зазара, И то и другое не позволяет заметно снизить его омическае сопротивление в результате УФ-облучения; в) невозможность использования механизма автоэлектронной, эмиссии с торцов инициирующего электрода для пробоя основного промежутка.

Цель изобретения — повышение стабильности срабатывания в широком диапазоне рабочих напряжений.

Предложенное устройство содержит соосно установленные два основных электрода и инициирующий электрод, выполненный в виде диска с центральным токоподводом для подключения к генератору поджигающих импульсов и образующий инициирующий искровой промежуток с одним из основных электродов, второй из которых выполнен с зеркальной поверхностью, расположенной в области прямой видимости из указанного искрового и ромежутка.

Отличие предложенного управляемого разрядника состоит в том, что первый основной электрод выполнен в виде плоского диска со сферическим центральным рабочим выступом, образующим указанный инициирующий искровой промежуток с обращенным к нему торцом инициирующего электрода, который выполнен с кольцевой острой кромкой, а второй основной электрод выполнен в виде полого усеченного конуса с зеркальной внутренней поверхностью, суживающегося в направлении к первому основному электроду и охватывающего инициирующий электрод с образованием кольцевого искрового промежутка, второй основной электрод по высоте перекрывает инициирующий искровой промежуток, длина S> которого и длина Яг кольцевого искрового промежутка выбраны в соотношении: $ -S>(1+sln2a), где а — угол между образующей полого усеченного конуса и его большим основанием, выбранный в пределах 45 <а<90, причем на плоской поверхности рабочего торца первого основного электрода установлена дополнительно введенная изоляционная накладка, электроды установлены в дополнительно введенном токопроводящем корпусе, на котором закреплен второй основной электрод, а токоподвод к основным электродам выполнен с помощью дополнительно введенных кабелей, жилы которых подключены к периферийной части первого основного электрода, а оплетки которых подключены к указанному корпусу.

Сопэставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый управляемый разрядник имеет преимущества; а) практически однородное поле (сфераплоскость) в зазоре между инициирующим и высоковольтным основным электродом.

Снижение электрической прочности из-за неоднородности поля в зазоре между основными электродами устранено с помощью изоляционной накладки. В целом конструкция позволяет существенно повысить рабочее напряжение по сравнению с прототипом; б) инициирующий пробой происходит строго по оси конструкции, имеет центральную симметрию, что позволяет полностью использовать весь поток УФ-излучения, равномерно распределить его интенсивность в зазоре между инициирующим (дисковым) и низковольтным основным (коническим) электродами, вызвав существенное снижение его омического сопротивления. Допустимый угол образующей конической поверхности можно выбрать так, чтобы обеспечить УФ-облучение не части, а всего межэлектродного зазора; в) если в прототипе инициирующий электрод выполняет пассивную роль включателя УФ-подсветки, то в нашем предложении инициирующий электрод является активным элементом каскадного пробоя разрядника: сначала пробой происходит с высоковольтного основного электрода на инициирующий, а затем с инициирующего на низкОвольтный основной электрод. обеспечивая двухступенчатое замыкание всего разрядного промежутка, Этому способствует автоэлектронная эмиссия с кольцевой ос1757001 трой кромки инициирующего электрода, ко- поджигающего импульса недостаточна для торая начинается с момента подачи пуско- пробоя Sg. В момент пробоя зазора S> УФваго импульса и продолжается после излучение канала разряда, распространяпробоя первогозазора врезультатепоступ- ясь вдоль поверхности инициирующего лениянаинициируюшийэлектродвысокого 5 электрода, попадает на полированную конапряжения с высоковольтного основного ническую металлическую поверхность низэлектрода вплоть до пробоя второго зазора ковольтного электроДа. Особенности разрядника. отражения света от металлической поверхТаким образом, предложенная конст- ности обусловлены наличием в металле сворукция Ro сравнению с прототипом позво- 10 бодных и связанных электронов. Вторичные лила расширить диапазон рабочих волны, вызванные их вйнужденными коленапряжений управляющего разрядника на баниями, порождают сильную отраженную

30 Д, который стал равен 25-98 от статиче- волну, интенсивность которой может достиского пробивного напряжения. .:. - гать 95 интенсивности падающей, На чертеже приведен управлямый раз- 15 Состояние пробоя межэлектродного зарядник. зора характеризуется резким изменением

Управляемый разрядник содержит вы- на много порядков величины его проводисоковольтный плоский электрод 1 со сфери- мости, Оно достигается направлением отраческим выступом, служащим для создайия женного излучения в зазор Я в торец однородного электрического поля и фикса- 20 инициирующего электрода, порождая доции центрального местоположения разряд- полнительную фотоионизацию рабочего ганого канала. Плоская часть электрода за в зоне зазора, rpàíè÷àùåé с областью закрыта изолятором 2 для предотвращения автоэлектронной эмиссии. Чем больше серазрядов на другие элементы конструкции, чени этой зоны, тем больше именение проНа расстоянии S> от сферического выступа 25 водимости. В предложенной конструкции смонтирован на проходном профилирован- электродов угол наклона а образующей ном изоляторе 3, закрепленном в резьбо- конической поверхности низковольтного вом отверстии корпуса 4, инициирующий электрода должен удовлетворять условию электрод 5 в виде тонкого плоского диска. К 45 < а <90, чтобы отраженный свет попакорпусу разрядника изолятором плотно 30 дал в торец инициирующего электрода. Обприжат низковольтный электрод 6 в форме лучение всей площади кольцевого усеченного конуса с углом а при основа- межэлектродного зазора Sz происходит однии, боковая коническая поверхность кото- новременно в момент"пробоя S из находярого расположена на расстоянии Sz от щегося в центре устройства разрядного инициирующего электрода, Кабельные ли- 35 канала, в результате дополнительных источнии 7, служащие для пуска силовых разряд- ников УФ-излучения не требуется. Чтобы ников модулей емкостного накопителя, полнее использовать световой поток источцентральными проводниками приСоедийе- ника, отражающая поверхность, а следованыквысоковольтномуэлектроду,аоплетка- тельно, и торец усеченного конуса ми — к корпусу разрядника. С помощью 40 низковольтного электрода должен нахо- кабеля 8 источник постоянного напряжения диться по крайней мере за пределами высовеличиной 0 подключен к высоковольтному ковольтного зазора $1, отражая свет, электроду. По кабелю 9 подается высоко- испускаемый всей длиной искрового канавольтный сигнал от генератора поджигаю- ла,. щих импульсов для включения .45 Очевидно, что оптимальный угол кониуправляемого разрядника в требуемый мо- ческой поверхности для полного облучения мент времени. Амплитуда поджигающего межэлектродного зазора равен а =45 . В импульса равна Оп. этом случае ширина облучаемой зоны зазоУправляемый разрядник работает сле- ра равна S<. Полагая для напряжения U> дующим образом. 50 величину пробойного расстояния рабочего

Пуск осуществляется подачей на элект- зазора Я без облучения и автоэлектронной род5покабелю9поджигающегоимпульса. эмиссии равной S>, найдем, что в случае

его полярность противоположна знаку на- предварительногосуммарного воздействия пряжения на высоковольтном электроде, а автоэлектронной эмиссии и облучения эоны амплитуда достаточна для пробоя межэлек- 55 шириной S3 максимальная величина протродного зазора S1, Крутизна импульса до- бивного межэлектродного Зазора S2 станет статочна для начала автоэлектронной равной 2 S>, С увеличениеми угла а плоэмиссии Ilo всей периферии имеющего ма- щадьоблучаемойзоныснижаетсяисоответлую кривизну торца тонкого диска иниции- cTBGHHO должен уменьшаться пробивной рующего электрода. Однако амплитуда

1757001 межэлектродный зазор согласно формуле

Sz=S>(1+sln2a ). Например, при а -90 в площадь зазора Sz может попадать УФ-излучение, лишь рассеянное от вертикальной цилиндрической поверхности низковольтного электрода. Соответственно и величина межзлектродного зазора $ должна быть минимальной и равной S>.

Коммутация разрядника завершается к моменту окончания последовательного каскадного пробоя межзлектродных промежутков S> и Sz.

Предложенная конструкция была проверена экспериментально. Пробой зазора

S> величиной 8 мм наступал на постоянном напряжении положительной полярности равном 0=72 кВ, когда давление рабочего газа — азота внутри корпуса разрядника было 4,0 атм. Для а =75 Sz=1,5. $ =12 мм.

Диаметр инициирующего электрода был равен 110 мм. Поджигающий импульс отрицательной полярности имел параметры: амплитуда 40 кВ, длительность на полувысоте амплитуды 0,5 мкс, крутизна фронта 50 нс. В результате удвоения на разомкнутом конце кабеля, присоединенного к инициирующему электроду, амплитуда удваивалась, при этом снижались длительность перенапряжения на промежутках S> и S2.

Полный пробой разрядника происходил, начиная с напряжения 0=18 кВ. Таким образом, и редложенная конструкция обеспечивает четырехкратный диапазон рабочих напряжений коммутации, что в 2 раза превышает известные достигнутые величины.

Новые констуктивные элементы разрядника, работая во взаимодействии, как например, диск инициирующего электрода и отражающая поверхность низковольтного электрода, обеспечивают возникновение автоэлектронйой эмиссии и УФ-облучения в зоне каскадного пробоя. В результате существенно возросла стабильность коммутации, разброс которой во времени не превышал 2-3 нс.

Наконец, УФ-облучение второго рабочего зазора разрядника происходит автоматически из канала разряда в результате пробоя первого зазора, что существенно упрощает конструкцию в целом, так как не

40 поверхности рабочего торца первого основного электрода установлена дополнительно введенная изоляционная накладка, электроды установлены в дополнительно введенном токопроводящем корпусе, на котором закреплен второй основной электрод, а токоподвод к основным электродам выполнен с помощью дополнительно введенных кабелей, жилы которых подключены к периферийной части первого основного электрода, а оплетки которых подключены к указанному корпусу.

35 требуется дополнительного источника УФизлучения.

Формула изобретения

Управляемый разрядник, содержащий соосно установленные два основных электрода и инициирующий электрод, выполненный в виде диска с центральным токоподводом для подключения к генератору поджигающих импульсов и образующий инициирующий искровой промежуток с первым из основных электродов, второй из которых выполнен с зеркальной поверхностью, расположенной в области прямой видимости из укаэанного инициирующего искрового промежутка, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения стабильности срабатывания в широком диапазоне рабочих напряжений, первый основной электрод выполнен в виде плоского диска со сферическим центральным рабочим выступом, образующим указанный инициирующий искровой промежуток с обращенным к нему торцом инициирующего электрода, который выполнен с кольцевой острой кромкой; а второй основной электрод выполнен в виде полого усеченного конуса с зеркальной внутренней поверхностью, суживающегося в направлении к первому основному электроду и охватывающего инициирующий электрод с образованием кольцевого искрового промежутка, второй основной электрод по высоте перекрывает инициирующий искровой промежуток, длина S> которого и длина $ кольцевого искрового промежутка выбраны в соотношении Sz=S>(1+sln2a ), где а — угол между образующей полого усеченного конуса и его большим основанием, выбранный в пределах 45 а<90, причем на плоской

1757001

Составитель В, Модзолевский

Редактор В. Бугренкова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М. Керецман

Заказ 3094 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101