Сильноточный разрядник
Сущность: рабочая часть по крайней мере одного из электродов выполнена в виде слоистой структуры из металлов или сплавов металлов, расположенных в порядке уменьшения значения их теплоты сублимации в направлении к рабочей части этого электрода. 2 ил.
Изобретение относится к газоразрядной технике, а более конкретно, к области газонаполненных и вакуумных разрядников, предназначенных для коммутации больших импульсных токов. Известны сильноточные разрядники, содержащие корпус и установленные в нем электроды из однородных материалов. Недостатком таких разрядников является ограниченная долговечность, обусловленная тем, что в условиях коммутации больших импульсных токов разряд между электродами имеет свойство стягиваться в узкий токопроводящий канал под влиянием собственного магнитного поля. Это приводит к локализации разрушающего воздействия разряда на электроды и резко снижает ресурсные возможности прибора. Процесс воздействия разряда на электроды сопровождается испарением и ионизацией материала электрода, за счет чего поддерживается динамическое равновесие заряженных частиц в газоразрядной плазме между электродами и устанавливается минимально возможное падение напряжения в разряде. Образующийся при этом токопроводящий канал имеет малую подвижность. Он воздействует на ограниченный участок поверхности электрода в течение всего срока службы прибора. Поэтому увеличение рабочей поверхности электродов практически не приводит к увеличению долговечности разрядника, так как разрушению подвергается только определенный локальный участок электрода, в то время как остальные участки поверхности в течение всего срока службы оказываются почти незадействованными. Использование в качестве материала электрода тугоплавкого металла, например, молибдена или вольфрама, в расчете на то, что он должен лучше противостоять тепловому воздействию сильноточной дуги, не приводит к желаемому результату, а вызывает противоположный эффект, так как из-за худшей испаряемости тугоплавкого металла необходим большой вклад энергии для поддержания сильноточного разряда, горящего в парах этого металла. В результате, в разряде устанавливается более высокое падение напряжения, чем при использовании легкоплавкого металла. Это усиливает тепловое воздействие сильноточного импульсного разряда и приводит к изменению характера разрушения электрода: помимо испарения металла происходит разбрызгивание расплавленных жидких капель, растрескивание и сколы твердых частиц. В пространстве между электродами быстро накапливаются посторонние предметы, являющиеся продуктами эрозии, что влечет за собой нарушение электрической прочности разрядника и быстрый выход его из строя. Известны также сильноточные разрядники, содержащие корпус и установленные в нем электроды, причем, по крайней мере. один электрод выполнен и виде эрозионностойкой металлической композиции в виде спрессованной и спеченной губки из тугоплавкого металла, пропитанной легкоплавким металлом. Недостатком таких разрядников является пониженная долговечность при коммутации больших импульсных токов. Объясняется это следующим. В области воздействия на электрод сильноточного разрядного канала сначала происходит быстрое выпаривание легкоплавкой составляющей. Оставшаяся тугоплавкая губка, лишенная пропитывающего легкоплавкого металла, обладает значительно меньшей механической прочностью и теплопроводностью, чем компактная композиция. Поэтому губка значительно хуже противостоит воздействию сильноточного разряда и быстро разрушается. Известен сильноточный разрядник, содержащий установленные в корпусе противостоящие электроды, торцевая рабочая часть, по крайней мере, одного из которых выполнена из эрозионностойкой металлической композиции, состоящей из тугоплавкого и легкоплавкого металлов, при этом указанная металлическая композиция выполнена в виде слоистой структуры, состоящей из параллельных рабочих поверхностей электрода чередующихся слоев легкоплавкого металла и тугоплавкого металла, причем слой, обращенный к противоположному электроду, выполнен из легкоплавкого металла. По сравнению с вышеописанными конструкциями этот разрядник обладает более высокой долговечностью за счет постепенного разрушения первого слоя из легкоплавкого металла по всей рабочей поверхности электрода, а не отдельных, ограниченных ее участков. При этом, в начальный период работы разрядника происходит также, как у приведенного выше устройства, локальное разрушение отдельного участка рабочей поверхности электрода, который находится под непосредственным воздействием сильноточного разряда. Этот процесс сопровождается испарением легкоплавкого металла с участка, находящегося под воздействием разряда, с последующим высвобождением лежащего под ним слоя тугоплавкого металла, что приводит к ухудшению условий испарения материала. В результате возникает дефицит носителей заряда в плазме, повышается падение напряжения в разряде и ухудшаются условия его существования. Поскольку разряду энергетически выгоднее гореть на легкоплавком металле, создается ситуация, при которой разрядный канал перемещается на соседний участок рабочей поверхности, где слой легкоплавкого металла еще не выработан. В результате вырабатывается (испаряется) весь поверхностный слой, изготовленный из легкоплавкого металла. Недостатком же данной конструкции является следующее. После разрушения (испарения) легкоплавкого металла в первом слое, обращенном к противоположному электроду, в дальнейшем не происходит равномерного разрушения (испарения) второго тугоплавкого слоя по всей поверхности электрода. С этого момента разрушение его принимает характер, отмеченный выше для однородного компактного материала, т.е. разряд, испарив часть объема тугоплавкого материала в локальном месте, подверженном воздействию поджигающего фактора (искры, пучка заряженных частиц, импульса лазерного излучения и т.п.) например, вблизи отверстия, через которое осуществляется поджиг разряда посредством инжекции заряженных частиц из поджигающего устройства, и обнажив третий слой легкоплавкий металл, начинает гореть в его парах, "привязываясь" к этому месту, так как ему энергетически выгоднее гореть на легкоплавком металле. Происходит разрушение легкоплавкого металла у отверстия, что еще больше локализует разряд. Ввиду того, что легкоплавкий металл экранирован со стороны разряженного промежутка слоем тугоплавкого, полностью его разрушение (испарение) по всей поверхности, как в случае с первым слоем, произойти не может, поэтому его материал будет, подобно материалу второго тугоплавкого слоя, испаряться только вблизи отверстия. Этот процесс ведет к разрушению последовательно в локальном месте более глубоких слоев. Таким образом, главным недостатком данного решения является то, что после выработки разрушения первого слоя уже не происходит равномерной выработки последующих слоев и срок службы разрядника практически будет ограничен временем выработки этого первого легкоплавкого слоя. Целью изобретения является повышение долговечности разрядника. Цель достигается тем, что в известном разряднике, содержащем установленные в корпусе противостоящие электроды, рабочая часть, по крайней мере, одного из которых выполнена в виде слоистой металлической структуры, - указанная слоистая структура выполнена из слоев металлов или сплавов металлов, расположенных в порядке уменьшения значения теплоты сублимации, в направлении к рабочей части этого электрода. Повышение долговечности предлагаемого разрядника обеспечивается за счет последовательного ( поочередного) разрушения выработки поверхностных, обращенных к противоположному электроду слоев металлов с меньшей теплотой сублимации, чем расположенные под ним слои металлов. Процесс разрушения начинается с выработки первого слоя, выполненного из металла с наименьшей тепловой сублимацией. Сначала происходит локальное разрушение испарение участка рабочей поверхности электрода, находящегося вблизи от места инициирования разряда, у отверстия через которое осуществляется поджиг посредством инжекции заряженных частиц из поджигающего устройства. В этом месте в первую очередь образуется катодное пятно, происходит разогрев материала электрода и его разрушение. Постепенно объем материала первого слоя вблизи отверстия испаряется с высвобождением лежащего под ним слоя, выполненного из металла с большей теплотой сублимации, что приводит к ухудшению условий испарения материала. Поскольку разряду энергетически выгоднее гореть на относительно более легко испаряющемся металле, создается ситуация, при которой катодное пятно и разрядный канал перемещаются на соседний участок рабочей поверхности, где слой металла с меньшей теплотой сублимации еще не выработан. Таким образом, постепенно расходуется весь первый слой. После этого, наступает очередь разрушения более глубинного второго слоя, обладающего большей величиной теплоты сублимации. Процесс повторяется, так как под этим слоем лежит третий слой с еще большей теплотой сублимации. После полного разрушения второго слоя начинает разрушаться третий слой и т.д. Таким образом, предлагаемая структура автоматически регулирует более равномерную, полную и последовательную выработку слоев, обращенных к противоположному электроду, позволяет увеличить объем рабочего слоя и в итоге обеспечивает более высокую долговечность разрядника, чем в известных устройствах. Выполнение рабочей части электродов в виде многослойной структуры позволяет получить еще один положительный эффект устранить деформацию поверхности электрода, в частности, катода, сильноточным разрядом, которая проявляется в виде волн на поверхности с чередующимися гребнями и впадинами. Волны возникают на катоде разрядника при работе в частотном режиме за счет термических напряжений и ударных волн при прохождении мощных импульсов тока. Высота этих волн, измеренная между уровнями гребней и впадин, может в зависимости от режима работы достигать1-2 мм. Появление волнистости поверхности крайне нежелательно по следующим причинам. Во-первых, изменение рельефа поверхности снижает электрическую прочность приборов. Во-вторых в управляемых приборах управление которыми осуществляется при поджиге в углублении электрода, либо за счет инжекции заряженных частиц через отверстие в электроде (триатроны, разрядники низкого давления, тиратроны с заземленной сеткой и др.) образование волн на поверхности приводит к уменьшению размеров углублений или отверстий, так как под действием ударных волн и термических напряжений металл становится пластичным и как бы "течет" и замазывает отверстия. Это явление в конечном итоге приводит к изменению параметров управления и даже к полной потере управляемости. Деформация поверхности (высота "волн" изменение размеров отверстий и углублений) тем больше, чем больше толщина поверхностного слоя однородного металла. Экспериментально установлено, что изготовление рабочего слоя электрода из нескольких слоев различных металлов обеспечивает существенное уменьшение деформации поверхности по сравнению со слоем такой же толщины, но выполненным из однородного материала. Таким образом. предлагаемое устройство позволяет стабилизировать электрическую прочность и временные характеристики прибора, что косвенно положительно влияет и на долговечность. На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого разрядника; на фиг. 2 - расположение слоев электрода. Устройство представляет собой сильноточный управляемый разрядник низкого давления. Цилиндрический корпус 1 разрядника выполнен из изолирующего материала керамики. Разрядник имеет установленные в корпус противостоящие чашеобразные анод 2 и катод 3. Торцевые части анода 2 и катода 3 являются рабочими. Они находятся друг от друга на определенном расстоянии, образующем основной разрядный промежуток 4. Прибор наполнен водородом при низком давлении, соответствующем высоковольтному участку левой ветви кривой Пашена. Торцевая рабочая часть катода 5 имеет сложную структуру, состоящую из шести слоев. Металлы, образующие эти слои в направлении от поверхностного слоя 6 к более глубинными слоям 7, 8, 9, 10 имеют последовательно увеличивающуюся теплоту сублимации. Верхний слой 6, обращенный к разрядному промежутку, выполнен из наиболее легкоиспаряемого а данной структуре металла магния, с теплотой сублимации -35 ккал/моль, второй, следующий за ним более глубинный слой 7 выполнен из металла с большей теплотой сублимации висмута (52 ккал/моль), затем следуют сломи 8, 9, 10, выполненные соответственно из меди(80 ккал/моль), железа ( 99,7 ккал/моль), молибдена (158 ккал/моль) или вольфрама (203 ккал/моль). Слой 11 выполняет функцию теплоотводящей подложки и не является рабочей, участвующей в разрядных процессах частью электрода. Он может быть изготовлен из меди. Рабочие слои электродов могут выполняться по различным технологиям, например, за счет пайки набора фольг, или за счет диффузионной свертки этих фольг. Они могут наносится на теплоотводящую подложку путем напыления в вакууме или в инертном газе различных металлов с последовательно уменьшающейся теплотой сублимации и т.п. Для защиты внутренней поверхности корпуса 1 от воздействия сильноточного разряда служит экран 12. Разрядник снабжен системой зажигания 13, расположенной в специальной камере 14, корпус которой соединен с катодом, а ее внутренняя полость сообщается с разрядным промежутком через отверстия 15. Прибор работает следующим образом. При наличии разности потенциалов между анодом 2 и катодом 3 без подачи управляющего импульса на систему зажигания 13, прибор сохраняет непроводящее состояние благодаря хорошим изолирующим свойствам межэлектродного промежутка, заполненного газом при низком давлении. После подачи управляющего импульса на систему зажигания 13 возбуждается поджигающий разряд, заряженные частицы которого диффундируют из камеры зажигания 14 в основной разрядный промежуток 4 и инициирует пробой. Между анодом 2 и катодом 3, включенными в сильноточную разрядную цепь, развивается газовый разряд и формируется разрядный канал. Участок рабочей поверхности, находящийся под непосредственным воздействием разрядного канала, подвергается эрозии. На катоде 3 таким участком оказывается ограниченная по площади зона, находящаяся вблизи одного из отверстий 15, соединяющих основной промежуток 4 с камерой зажигания 14. В течение некоторого времени в этой зоне происходит испарение верхнего слоя магния 6 и обнажается находящийся под ним слой висмута 7. После этого за счет пониженной испаряемости висмута относительно магния возникает дефицит металлического пара и несколько ухудшаются условия существования разряда. В результате разрядный канал автоматически перемещается на соседний участок поверхности электрода, на котором слой магния еще не выработан. После того, как вокруг отверстия 15 будет разрушен весь магний, разряд перемещается на участок вблизи соседнего отверстия и т.д. пока не будет израсходован весь поверхностный слой магния. После этого начинает работать слой висмута 7, испаряясь и поставляя свое вещество в плазму разряда, обеспечивая этим его существование. Как при работе слоя магния 6, происходит вначале выработка слоя 7 у отверстия 15 с постепенным обнаружением поверхности слоя меди 8. Процесс повторяется по очереди при работе всех последующих слоев, пока разрушение не дойдет до подложки 11. На этом процесс автоматической полной выработки слоев прервется, так как после обнаружения слоя подложки 11, выполненного из материала с большей теплотой сублимации, чем слой молибдена 10, начнется разрешение слоя 11 с увеличением размеров отверстия 15 практически одновременно в слоях 10 и 11. Изобретение обладает определенными технико-экономическими преимуществами по сравнению с лучшими разрядниками подобного типа. Технические преимущества изобретения по сравнению с прототипом, являющимся вполне прогрессивным техническим решением, заключаются в том, что повышается долговечность разрядника. Так, при проведении экспериментальных исследований разрядников в качестве коммутаторов мощного емкостного накопителя в режиме напряжения анода 25 кВ, тока анода в импульсе 50 кА, коммутируемой энергии в импульсе 1 кДж, частоте повторения импульсов 15 Гц, было установлено, что для технического решения взятого за прототип, долговечность составила 1,5
106 для предлагаемого технического решения 3106 импульсов.
Формула изобретения
Сильноточный разрядник, содержащий установленные в корпусе противостоящие электроды, рабочая часть по крайней мере одного из которых выполнена в виде слоистой металлической структуры, отличающийся тем, что, с целью повышения долговечности, указанная слоистая структура выполнена из слоев металлов и сплавов металлов, расположенных в порядке уменьшения значения их теплоты сублимации в направлении к рабочей части этого электрода.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 02.04.2006
Извещение опубликовано: 20.03.2007 БИ: 08/2007
