Газоразрядный прибор с холодным катодом

 

Использование : в электронной технике, в газоразрядных приборах с холодным ненакаливаемым катодом, называемых "псевдоискровыми" коммутаторами. Сущность изобретения: в известном газоразрядном приборе с холодным катодом, содержащим расположеные в герметичной газонаполненной оболочке высоковольтные электроды - анод с полой камерой либо без нее и первый катод с полой камерой, ограниченной металлическими стенками с отверстиями, образующими высоковольтный разрядный промежуток, вспомогательный анод и второй катод, расположенные в противоположной от основного анода части прибора - узле управления, служащем для управления моментом включения разряда и сообщающимися с высоковольтным промежутком через отверстия в электродах, а также резервуар с запасом рабочего газа, первый катод выполняется смежно со вторым катодом, а вспомогательный анод располагается внутри второго катода, выполненного в виде одной или нескольких замкнутых полостей с одним или несколькими отверстиями. Второй катод выполнен в виде кольцеобразной замкнутой полости, ось которой совпадает с осью прибора, с отверстиями на торцевой и внутренней цилиндрической стенке, обращенной к вспомогательному аноду. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к газоразрядным приборам с холодным, ненакаливаемым катодом, за рубежом называемым " псевдоискровыми" коммутаторами (pseudospark switch) и может быть использовано в различных импульсных устройствах.

Известен псевдоискровой коммутатор, содержащий металлические электроды - катод и анод с соосными отверстиями, разделенными изолятором [1] Газовое наполнение и расстояние между электродами соответствует левой ветви кривой Пашена. В таком псевдоискровом коммутаторе ( далее ПК ) при подаче напряжения, превышающего напряжение пробоя, возникает быстрый искроподобный газовый разряд, который известен в литературе как псевдоискровой газовый разряд, имеющий очень малое время формирования.

Такой коммутатор предназначен для научных исследований, поэтому обеспечение срока службы, необходимого для промышленного применения, для него не имеет значения.

Известен псевдоискровой коммутатор [2] содержащий анод и катод с центральными отверстиями, соединяющими полости в этих электродах с основным разрядным промежутком. Со стороны катода расположен пусковой электрод с полой камерой по оси прибора. Роль анода в управляющем разрядом промежутке выполняет основной катод. Это позволяет получить простую и компактную конструкцию.

К недостаткам известной конструкции следует отнести недостаточный срок службы, который ограничивается эрозией материала катода вокруг центрального отверстия, к которому привязано горение разряда, а также низкую электропрочность, связанную с присутствием вблизи отверстия катода частиц, возникающих в подготовительном разряде.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является псевдоискровой коммутатор [3 содержащий расположение в герметичной газонаполненной оболочке анод и первый катод (основной) c полой камерой, ограниченной металлической стенкой с отверстиями, образующими основной разрядный промежуток. В противоположной от анода части коммутатора расположен управляющий разрядный промежуток между вспомогательным анодом (ВА) и вторым катодом ( 2К, являющимся в данном случае вспомогательным) в виде дисков с центральными цилиндрическими выступами, образующие полые электроды. Катодная камера через отверстия в стенках соединяется с основным и управляющим разрядными промежутками. Наличие ряда отверстий в катоде позволяет, распределив нагрузку на несколько каналов, снизить эрозию электродов и повысить срок службы прибора.

Недостатком известного коммутатора является наличие значительного по величине паразитного тока, возникающего между катодом (1К) и вспомогательным анодом. Паразитный ток понижает электрическую прочность, время восстановления электрической прочности и рабочую частоту прибора [ Бочков В.Д. Колесников А.В, Королев Ю.Д. и др. Исследование предпробойных токов, протекающих в псевдоискровых разрядах./ Тезисы докл. VII конференции по физике газового разряда/ Самарский Гос. Аэрокосмический университет Самара, 1994, с.123-124. Существенно уменьшить его в известной конструкции невозможно. Появление паразитного тока связано с тем, что ВА располагается между 1К и 2К, которые по постоянному напряжению находятся под одним потенциалом. Поэтому, несмотря на то, что за счет выбора расстояний между катодами и ВА при подаче питающих напряжений на электроды подготовительный разряд загорается с большей вероятностью между 2К И ВА, все равно при этом за счет фотоионизации и появления заряженных частиц у отверстия ВА вблизи 1К между ВА и 1К возникает паразитный ток. Более того, после прохождения импульса тока запуска, паразитный ток резко увеличивается и в течении сравнительно длительного времени между ВА и 1К горит разряд. Этот разряд существенно затягивает восстановление электрической прочности и снижает частотные свойства прибора. Необходимо отметить, что, кроме паразитного тока, на снижение электрической прочности ПК, как и других высоковольтных вакуумных и газонаполненных приборов, влияет предпробойный ток, обусловленный фотоионизацией при облучении полости 1К и полевой эмиссией в поле анод-1К. Предпробойный ток в системе полых электродов усиливается из-за эффекта "полого катода" и в результате достигает достаточно большой величены, чтобы поджечь разряд в промежутке анод 1К.

Другой недостаток известных ПК очень высокие значения плотности тока с катода( 10⁴ А/см²), помещенного в основной разрядный промежуток, который в течении срока службы ПК не должен уменьшать свою электропрочность. Однако в этом случае коммутация тока вызывает испарение с каждым импульсом части материала катода, что при высоких плотностях приводит к значительной эрозии катода в районе отверстий, увеличение эффективности расстояния между высоковольтными электродами и обуславливает уменьшение пробивного напряжения по закону Пашена, т.е. малый срок службы известных ПК.

Необходимость в разработке принципиально новых коммутаторов была вызвана тем фактом, что существующие коммутаторы, в том числе и тиратроны, не способны удовлетворить весьма жесткие требования по параметрам и надежной безостановочной работе в течении 3-7 тыс. ч в современных технологических установках, таких как мощные наносекундные источники питания стриммерной короны, перспективные для использования в установках плазменной химии, таких как установки очистки газопылевых выбросов предприятий промышленности и энергетики ( металлургия, химия, целлюлозно-бумажные и цементные заводы, тепловые электростанции и пр. ), в установках получения технологического озона с большой производительностью (свыше 1 кг/ч) для очистки питьевой воды, очистки бытовых и производственных сточных вод и др.

Эти режимы характеризуются высокими значениями средней коммутируемой мощности (до 200-300 кВт), анодного напряжения до 100-200 кВ, частоты следования до 2-3 кГц, при длительностях импульсов 200-400 нс, в условиях нестабильной нагрузки (плазмохимический реактор с постоянно меняющимися параметрами и составом газовой среды). Лучшие тиратроны в этих условиях имеют максимальную суммарную наработку (5-10)·10 ⁴ Кл (несколько сотен часов) [Neues " Lohg- Life Thyratron" erreicht eine Betriebsdauer von 1 Milliarde Schaltungen- Laser Magazin, 1994, N 2,3 p. 57] при требуемой наработке (1-4)·10⁷ Кл (2-7 тыс. ч). Поэтому одной из задач настоящего изобретения являются созданием ПК, отвечающего этим требованиям.

Существующие решения этой проблемы недостаточно эффективны. Значительно увеличить долговечность прибора за счет использования принципа многоканальности разряда невозможно. Увеличение долговечности не прямо пропорционально увеличению количества отверстий и даже использование тугоплавких материалов для электродов не может существенно снизить эрозию высоковольтных электродов (анода и 1К) в такой конструкции.

Задачей изобретения является создание газоразрядного прибора с холодным катодом (псевдоискрового коммутатора) с высокой электрической прочностью и долговечностью.

Это достигается тем, что в известном газоразрядном приборе с холодным катодом, содержащим расположенные в герметичной газонаполненной оболочке высоковольтные электроды анод с полой камерой либо без нее и первый катод с полой камерой, ограниченной металлическими стенками с отверстиями, образующими высоковольтный разрядный промежуток, вспомогательный анод и второй катод, расположенные в противоположной от анода части прибора узле управления, служащем для управления моментом включения разряда и сообщающимся с высоковольтным промежутком через отверстия в электродах, а также резервуар с запалом рабочего газа, первый катод выполняется смежно со вторым катодом, а вспомогательный анод располагается внутри второго катода, выполненного в виде одной или несколькихзамкнутых полостей с одним или несколькими отверстиями.

Другим отличием является то, что вспомогательный анод (ВА) выполняется в виде одного или нескольких колец, расположенных симетрично оси прибора и отверстий, соединяющих полость второго катода с полостью первого катода, а один или несколько выводов вспомогательного анода выполнены в экране, имеющем потенциал второго катода.

Отличием является и то, что второй катод выполнен в виде кольцеобразной замкнутой полости, ось которой совпадает с осью прибора, с отверстиями на внутренней цилиндрической стенке, обращенным к вспомогательному аноду, размещенному коаксиально внутри второго катода и выполненному в виде цилиндра с отверстиями, расположенными симметрично относительно отверстий или кольцевой щели, обращенной к первому катоду и отверстий на внутренней стенки второго катода.

Следующим отличием является то, что полость катода образованна между внутренней поверхностью первого катода, ближайшей к аноду, и торцевой поверхностью второго катода. Кроме того, заявляемый ПК отличается тем, что полость второго катода разделена на сектора радиальными проводящими перемычками, размещенными между отверстиями в стенках второго катода.

Шестым отличием является и то, что какой-либо элемент второго катода, в том числе и элемент, размещенный внутри него, например, проводящая перемычка либо дополнительно внедренный в полость второго катода элемент, выполнены из материала с низкой работой выхода (из эмиссионно активного материала).

Седьмым отличием является то, что узел управления содержит один или несколько блокирующих электродов, внедренных в полость первого катода.

Восьмым отличием является то, что блокирующий электрод имеет электрический контакт со вспомогательным анодом либо выполнен в виде единой с ним детали.

Девятым отличием является то, что резервуар с запасом рабочего газа соединяется с основным объемом коммутатора через полый изолятор, имеющий длину, обеспечивающую электрическую прочность по внешней его поверхности со значением не менее разности потенциалов между заземленным корпусом установки и одним из электродов ПК, имеющим непосредственный контакт с изолятором резервуара, а электрическая прочность внутри объема изолятора обеспечивается посредством деления объема, заключенного между одним из электродов прибора и собственно резервуаром, на ряд высоковольтных промежутков, образованных экранирующей резервуар электродной системой, из электродов с отверстиями, обеспечивающими натекание рабочего газа в основной рабочий обьем прибора.

Десятым отличием является то, что отверстия в электродной системе резервуара выполняются диаметром менее 3 мм и располагаются несоосно с отверстиями в ближайших электродах.

Последнее отличие заключается в том, что электрическая прочность внутри объема изолятора резервуара обеспечивается посредством заполнения объема, заключенного между одним из электродов прибора и собственно резервуаром пористой массой из диэлектрика, имеющим коэффициент вторичной эмиссии 0,9 - 1,2 или диэлектрическими частицами, поверхность которых имеет указанный коэффициент вторичной эмиссии, например, кварцевым песком, покрытым окисью хрома.

Предлагаемое конструктивное выполнение и взаимное расположение основных и вспомогательных электродов позволяют практически исключить появление паразитного тока между ВА и 1К и тем самым существенно повысить электрическую прочность и частотные свойства коммутатора.

Отсутствие паразитного тока позволяет сделать еще одно весьма существенное изменение в конструкции ПК, а именно увеличить диаметр отверстия (6) в 1К (фиг.1), соединяющим узел поджига с полостью 1К. При этом небольшом изменении и более компактной конструкции прибора (уменьшенная длина) становится возможно в качестве основного катода, т.е. основного эмитирующего электрода, использовать второй катод. Этим достигается резкое, на несколько порядков, увеличение срока службы прибора за счет того, что выводится из высоковольтного промежутка основной эмитирующий электрод, эрозия которого, изменяя расстояние в промежутке за счет выработки материала, обуславливает малый срок службы, так как разряд, концентрируясь вблизи отверстий, при плотностях тока, характерных для псевдорзарядников (10⁴ А/см²), приводит к быстрому увеличению межэлектродного расстояния и выходу прибора из строя из-за снижения пробивного напряжения согласно закону Пашена; становится возможным существенно на несколько порядков увеличить эмитирующую поверхность основного эмитирующего электрода, снизить ее токовую нагрузку, распределив ее на большей поверхности, а также за счет того, что в замкнутой полости катода основным эрозионным процессом становится не просто распыление материала, а его перепыление с одного места на другое.

В известной конструкции использование 2К в качестве основного не представляется возможным из-за большой длины пути разряда, т.е. большей индуктивности прибора, а также из-за малых размеров отверстий в 1К, соединяющих узел поджига с полостью 1К, что при пропускании токов в сотни и тысячи ампер приводят к обрывам разряда в этих отверстиях. Увеличение же их размеров в известной конструкции приводят к резкому росту паразитного тока и снижению электропрочности.

Заявляемое изобретение направленно на создание приборов, отвечающих требованиям эксплуатации в технологическом оборудовании, т.е. обеспечивающих срок службы свыше 3000 ч, а также малые затраты энергии на управление, простоту и надежность схемы управления, отсутствие элементов, требующих развязок по высокому напряжению. Относительно последнего заметим, что все ПК, хотя и не имеют накаленного катода, но в силу того, что они являются ГРП с водородным наполнением при низком (0,1-0,6 мм рт.ст.) давлении, в них обязательным элементом является специальный резервуар, содержащий запас рабочего газа водорода или дейтерия. Во время работы прибора для поддержания стабильного давления водорода резервуар необходимо подогревать. И, хотя мощность нагрева мала (5-10 Вт), в схеме приходится использовать накальный трансформатор. При работе ПК с заземленным катодом это несущественно усложняет схему. Однако в случае, когда ПК приходится работать в схеме под высоким потенциалом катода и анода, тем более на нестабильную нагрузку, которой является, например, газовый разряд, питание накалом резервуара на высоком напряжении представляет серьезную проблему. Она заключается в том, что накальный трансформатор необходимо выполнять с высоковольтной (до значений максимального напряжения в схеме) изоляцией и со специальными элементами, снимающими перенапряжения, возникающие при работе газоразрядной нагрузки. Все это существенно снижает надежность схемы и удорожает устройство. Использование резервуара с изолятором согласно пп.10 и 11 настоящего изобретения позволяет существенно упростить цепи накала, повысить надежность устройства, расширить возможности ПК, придав ему качества искровых разрядников.

При проведении анализа уровня техники не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а сравнение предлагаемого решения с наиболее близким по совокупности признаков аналогом позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию " новизна" по действующему законодательству.

Анализ источников информации показал, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, в которых отличительные признаки заявляемого изобретения обеспечивали бы достижение того же технического результата. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию " изобретательский уровень".

На фиг. 1-9 показаны варианты псевдоискрового коммутатора предлагаемой конструкции и принципиальные электрические схемы их включения.

Прибор (фиг.1) содержит корпус 1, анод 2 с полостью, первый катод (1К) 3 имеющий отверстия 5, обращенные к аноду, с полой камерой 4, отделенной от узла управления перегородкой 12, с отверстиями 6, обращенными к узлу управления, состоящему из смежного с первым катодом полого второго катода(2К) 7, соединяющегося с основным разрядным промежутком ПК через отверстие 11, вспомогательного анода (ВА) 8, помещенного внутри второго катода и выполненного в виде кольца с выводом-держателем, заключенным в экран (9), имеющий потенциал 2К, и смещенным от оси прибора. Для снижения потерь энергии в ПК, внутрь полости 2К помещена активирующая поверхность 2К таблетка 10, содержащая щелочно-земельный металл, например, цезий.

На фиг. 2 показан второй вариант псевдоискрового коммутатора. Прибор отличается от первого варианта тем, что узел управления содержит ВА 8, выполненный в виде двух коаксиально расположенных колец, коаксиальных вывода анода и блокирующего электрода 14, внедренного в полость 1К (4). Кроме того, 2К радиальными пластинами 13 разделен на отдельные сектора, образующие элементарные эмитирующие полости со стенками 13, выполненными из эмиссионно активного вещества, например, из прессованного алюмината бария-кальция. Для защиты изолятора 1 в высоковольтный межэлектродный промежуток введен экран 15. Конструкция этого ПК отличается и тем, что с целью ее упрощения, а также уменьшения времени запаздывания разряда полость 1К не имеет своей перегородки 12 (как на фиг. 1), а эта полость образованна частью поверхности 2К с отверстиями 11.

Блокирующий электрод (БЭ) 14, введенный в полость 1К и имеющий небольшой положительный потенциал (100-400 В) относительно 1К, способствует повышению скорости диффузии заряженных частиц в полости (4),остающихся в послеразрядный период, и уменьшает тем самым время восстановления электрической прочности. Таким образом БЭ способствует повышению частотных параметров прибора. В паузе между импульсами БЭ способствует тому, что часть электронов предпробойного тока, генерируемых в полости 1К (4), оттягивается на БЭ. В результате эти электроны не принимают участия в актах ионизации, что снижает предпробойный ток и, следовательно, повышает электропрочность ПК. Введение БЭ внутрь полости (4), в отличие от известного ПК, где БЭ располагается снаружи этой полости, существенно повышает его эффективность, что сказывается на максимальном значении рабочего напряжения и расширении диапазона рабочих давлений ПК в сторону увеличения значения его верхнего предела. Тем самым улучшаются эксплуатационные качества ПК, уменьшаются потери в разряде, что также способствует повышению срока его службы.

На фиг. 3 показан третий вариант ПК, отличающийся от 1-го увеличенной рабочей поверхностью 2-го катода 7 и расположением активирующего элемента 10. Наличие двух полых камер у второго кадота центральной с расположенным в ней ВА 8 и коаксиальной с ней кольцеобразной замкнутой полостью, сообщающихся через отверстия 16, позволяет облегчить зажигание подготовительного разряда и распределить токовую нагрузку на внешнюю стенку, имеющую хорошее охлаждение.

На фиг. 4 изображен еще один вариант ПК с симметричным расположением ВА 8, имеющим две или более стоек на изоляторах 17. На этом же рисунке показано обычное расположение резервуара с запасом газа 18, имеющего непосредственный контакт со 2-м катодом через диск 19.

На фиг. 5 изображен вариант ПК, имеющий как и вариант фиг.3 полую кольцевую камеру 2-го катода 7 с отверстиями 16, соединяющими ее с ВА 8, отличающийся тем, что ВА выполнен в виде цилиндра с отверстиями 20 и 21, соосными с отверстиями 16 и 6 второго катода (п.3 формулы изобретения). Конструкция ПК с кольцевым полым катодом 7 и полым ВА дает возможность осуществить работу коммутатора как с поджигом электронным пучком, так и ионным пучком. Этот вариант эффективно может быть использован тогда, когда возникает необходимость включения коммутатора с заземленными анодом и катодом, находящимися под высоким напряжением. В этом случае удобно управлять работой ПК со стороны анода 2. Это упрощает элементы схемы, так как не требуется усиления их изоляции.

На фиг. 6 показана схема включения ПК, обычная для псевдоискровых коммутаторов, т. е. схема характерная для тиратронов с заземленной сеткой, когда основной ток с коммутируемой емкости С, заряженной от источника питания U_a, замыкается на сопротивление нагрузки Rn через анод 2 и первый катод 3 (являющийся для классических тиратронов сеткой). Напряжение поджига U_ип отрицательной полярности подается на 2-й катод 7, являющийся в данном случае вспомогательным катодом, служащим для управления работой прибора. Для стабилизации характеристик ПК между 2К 7 и ВА 8 подается напряжение подготовительного разряда U_подг через балластное сопротивление R2. Это же напряжение подается на блокирующий электрод 14.

На фиг. 7 показана схема включения ПК, характерная для классических тиратронов, т.е. схема с заземленным катодом. В этом случае ток с коммутируемой емкости С замыкается на R_н через анод 2 и второй катод 7, являющийся в данном случае основным эмитирующим электродом. Первый катод 3 в этом случае может играть роль управляющей сетки, когда на него ( как у классического тиратрона) подается напряжение +U_ип (показано пунктиром), либо роль экрана, соединенного со 2К 7 через балластное сопротивление R_g. В последнем случае +U_ип подается на ВА (8). При этом напряжение U_подг. может не подаваться на ВА. На блокирующий электрод 14 подается U_блок. через балластное сопротивление R_блок.

На фиг. 8 показана конструкция резервуара с запасом рабочего газа 18, изолированного от высоковольтного электрода (например, торцевой части 19 катода 7) c помощью керамических изоляторов 25 и электродов 22, составляющих систему с числом таких электродов, определяемых рабочим напряжением на катоде 7. Обычно число это кратно U_раб. /25, где U_раб. имеет размерность киловольт. Резервуар 18 сообщается с рабочим объемом ПК через отверстия 23 диаметром 1 мм. На фиг.8 показана ассиммитричная конструкция электродной системы, изолирующей резервуар при рабочем напряжении на 2К относительно земли 75 кВ. Пунктиром показана симметричная конструкция на напряжение 150 кВ. Напряжение для нагрева резервуара подается на вывод 24.

На фиг. 9 показана конструкция резервуара с запасом рабочего газа 18, изолированного от высоковольтного электрода с помощью кварцевого песка 26, с нанесенным на поверхность песчинок покрытием на основе окиси хрома Cr₂0₃, имеющим коэффициент вторичной эмиссии, близкий к единице (0,98). Рабочий газ (водород или дейтерий) поступает из резервуара 18 к межэлектродному пространству ПК через малые отверстия 27 в высоковольтном электроде 19, через отверстия в заземленном электроде 28 и через промежутки между песчинками. Электропрочность внутренней изоляции резервуара обеспечивается за счет подавления процессов вторичной эмиссии на поверхности, покрытой окисью хрома.

Прибор наполняется водородом или действием при давлении 0,1-0,5 мм рт. ст. для обеспечения высоких пробивных напряжений на левой ветви кривой Пашена.

Прибор работает следующим образом. Рассмотрим два варианта его включения в электрическую схему.

1. При подключении прибора по схеме тиратрона с заземленной сеткой (фиг. 6), обычной для известного псевдоразрядника, основным эмитирующим электродом является первый катод 3, включенный в цепь разряда основного накопителя конденсатора С. В исходном состоянии между ним и анодом 2 подано напряжение порядка 25-30 кВ. При расстояниях между 1К и анодом 2-4 мм и давлении водорода 0,1-0,5 мм рт.ст. прибор выдерживает это напряжение, пока не приходит управляющий импульс на узел поджига. На ВА узла поджига 8 подается постоянное напряжение 1-3 кВ. За счет создаваемой ВА конфигурации поля в полости 2К 7 возникают условия для осцилляций электронов, увеличивающих эффективность ионизации молекул газа, что приводит к зажиганию в этой полости подготовительного аномального разряда.

Разряд в основном рабочем пространстве прибора между анодом и 1-м катодом инициируется при подаче управляющего импульса поджига отрицательной полярности на 2-й катод. При этом из плазмы подготовительного разряда, усиленной энергией поджигающего импульса, формируется пучек заряженных частиц ( электронов), инжектируемых в полость 1К. Появление этих частиц у отверстий катода, соединяющих полость 1К с высоковольтным промежутком анод-1К, приводит к искроподобному разряду, развивающемуся с большой скоростью в этом промежутке и коммутирующему энергию, накопленную в конденсаторе С в нагрузку R.

2. При подключении прибора по схеме классического тиратрона (фиг. 7 ), когда 1К 3 заполняет функцию высоковольтного электрода, находящегося под отрицательным относительно анода 2 потенциалом ( в данном случае под потенциалом земли) и функцию управляющего электрода, а основным эмитирующим электродом является 2К 7, включенный в цепь разряда C. При этом, в отличие от предыдущего случая, 1К уже не совмещает самые ответственные функции эмитирующего и высоковольтного электродов. Разделение этих функций между 1К И 2К весьма благоприятно сказывается на надежности работы прибора. Запуск прибора происходит при подаче положительного импульса на 1К (возможен и вариант, когда положительный импульс запуска подается на ВА).

Таким образом, данное изобретение позволяет с преимуществами (указаны ниже) по сравнению с известными ПК реализовать несколько схем работы в качестве коммутатора.

1. Существенно повышается электропрочность и частотные свойства в схеме с заземленной сеткой.

2. В схеме с заземленным катодом, характерной для классических тиратронов с накаленным катодом, изобретение позволяет существенно увеличить срок службы ПК, что весьма важно для использования его в аппаратуре, особенно технологической.

3. В схеме с заземленным анодом изобретение позволяет осуществить управление прибором в его заземленной части. Преимущество перед известным ПК в этом случае меньшее напряжение запуска, т.к. нет необходимости подавать положительный импульс запуска с амплитудой, увеличенной на значение статистического потенциала ВА. Вариант, предлагаемый в данном изобретении, позволяет осуществить запуск ПК с обычным значением амплитуды, т.к. потенциал 2К близок к потенциалу земли, а поле ВА слабо проникает в полость 2К. Кроме того, инжекция ионов происходит по более короткому пути из полости 2К в полость 1К, что снижает время коммутации.

Предлагаемый ПК, конструкция которого соответствовала фиг.1 с размерами 27х87 мм был испытан при анодном напряжение 10 кВ, импульсном токе кА, длительности импульса 400 нс, частоте 2 кГц, амплитуде импульса запуска 1,5 кВ, токе импульса запуска <30 А, длительности импульса запуска 1 мкс. Испытания проводились в схеме идентичной фиг.7. ПК проработал в этом режиме в течении 1500 ч (> 1·10¹⁰ импульсов или суммарно коммутировал заряд более 4,4·10^б Кл) без деградации параметров, с джиттером менее 2 нс. Этот срок службы более чем на порядок превосходит известные результаты Frank K. Almen O. Bickel р. Christiansen J. et al. Pseudospark switches for high repetition rates and high current applications/Froc. IEEE,1992, 80, N 6, p.958-970 Исследование поверхности электродов этого ПК показало, что эрозия электродов незначительна, при этом поверхность 1К, обращенная к аноду, не имеет заметных следов эрозии. Эти факты, а также теоретические расчеты позволяют ожидать долговечность заявляемого ПК более 10 тыс. ч (10⁸ Кл).

ПК по данному изобретению (фиг. 2), на напряжении 25 кВ был испытан вместе с ПК известной конструкции в схеме фиг.6 в режиме, соответствующем условиям эксплуатации эксимерного лазера при анодном напряжении 25 кВ, токе 10 кА, длительности импульса 300 нс и частоте 10 Гц. Испытуемые ПК имели одинаковую конструкцию высоковольтного анодно-катодного узла. С зарядным дросселем при значении постоянной времени заряда коммутируемой емкости 150 мкс и закороченной нагрузке наблюдался колебательный режим разряда с реверсированием тока, когда амплитуда второй половины составляла 90% от первой при длительности полуволны 150 нс. В это время ПК известной конструкции имел максимальное рабочее напряжение 18 кВ при диапазоне рабочих давлений 0,32-0,33 мм рт.ст. и джиттер ±30 нс. Разрядник предлагаемой конструкции устойчиво работает при анодном напряжении 25 кВ с диапазоном рабочих давлений 0,22-0,54 мм рт.ст. и с джиттером ±3 нс.

Известно (Фогельсон Т.В. Бреусова Л.И. Вагин Л.H.Импульсные водородные тиратроны. -М. Сов. радио. 1974.), что показателем электропрочности приборов низкого давления (тиратронов и таситронов), к которым относится и ПК, является величина диапазона рабочих давлений наполняющего газа (водорода) при постоянном анодном напряжении. Известные ПК имеют очень небольшой диапазон Δp менее 0,1 мм рт. ст. при рабочих напряжениях 10-25 кВ. Заявляемый ПК, выполненный как по фиг. 1, так и по фиг.2, имеет диапазон Δp не менее 0,3 мм при работе в указанном диапазоне рабочих напряжений как в схеме с общим катодом фиг. 7, так и в схеме с общей сеткой фиг. 6, что обеспечивает ему высокие эксплутационные качества.

Таким образом, заявляемый ПК имеет существенные преимущества перед известными аналогами он обладает большей электропрочностью, лучшими временными характеристиками и большей долговечностью.

Формула изобретения

1. Газоразрядный прибор с холодным катодом, содержащий расположенные в герметичной газонаполненной оболочке высоковольтные электроды анод с полой камерой либо без нее и первый катод с полой камерой, ограниченной металлическими стенками с отверстиями, образующие высоковольтный разрядный промежуток, вспомогательный анод и второй катод, расположенные в противоположной от основного анода части прибора узле управления, служащей для управления моментом включения разряда и сообщающейся с высоковольтным промежутком через отверстия в электродах, а также резервуар с запасом рабочего газа, отличающийся тем, что первый катод выполнен смежно с вторым катодом, выполненным в виде одной или нескольких замкнутых полостей с одним или несколькими отверстиями, а вспомогательный анод расположен внутри второго катода.

2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что вспомогательный анод выполнен в виде одного или нескольких колец, расположенных симметрично относительно оси прибора и отверстий, соединяющих полость второго катода с полостью первого катода, а один или несколько выводов вспомогательного анода выполнены в экране, имеющем потенциал второго катода.

3. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что второй катод выполнен в виде кольцеобразной замкнутой полости, ось которой совпадает с осью прибора, с отверстиями на стенке, обращенной к первому катоду, и на внутренней цилиндрической стенке, обращенной к вспомогательному аноду, размещенному коаксиально внутри второго катода и выполненому в виде цилиндра с отверстиями, расположенными симметрично относительно отверстий во втором катоде.

4. Прибор по п. 3, отличающийся тем, что отверстия на стенках вспомогательного анода и второго катода, обращенных к первому катоду, выполнены в виде кольцевой щели.

5. Прибор по пп. 1 4, отличающийся тем, что между торцевыми стенками первого и второго катодов введена перегородка с отверстиями.

6. Прибор по пп. 2 5, отличающийся тем, что полость второго катода разделена на сектора радиальными проводящими перемычками, размещенными между отверстиями в стенках второго катода.

7. Прибор по пп. 1 6, отличающийся тем, что часть поверхности второго катода выполнена из эмиссионно-активного материала или внутрь его полости введена таблетка из этого материала.

8. Прибор по пп. 1 7, отличающийся тем, что узел управления содержит один или несколько блокирующих электродов, введенных в полость первого катода.

9. Прибор по п. 8, отличающийся тем, что блокирующий электрод имеет электрический контакт со вспомогательным анодом либо выполнен в виде единой с ним детали.

10. Прибор по пп. 1 9, отличающийся тем, что резервуар с запасом рабочего газа соединен с основным объемом прибора через полый изолятор, имеющий длину, обеспечивающую электрическую прочность по внешней его поверхности, а полость внутри изолятора разделена электродами с отверстиями на ряд высоковольтных промежутков, обеспечивающих электрическую прочность резервуара с запасом рабочего газа.

11. Прибор по п. 10, отличающийся тем, что отверстия выполнены диаметром менее 3 мм и расположены несоосно с отверстиями в ближайших электродах.

12. Прибор по пп. 1 9, отличающийся тем, что объем, заключенный между одним из электродов прибора и резервуаром с запасом рабочего газа, заполнен пористой массой из диэлектрика с коэффициентом вторичной эмиссии 0,9 1,2 или диэлектрическими частицами, поверхность которых имеет указанный коэффициент вторичной эмиссии, например кварцевым песком, покрытым окисью хрома.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9