Бесконтактный размыкатель

 

Изобретение используется в электротехнике для размыкания электрического тока и может быть использовано для формирования мощных электрических импульсов. Бесконтактный размыкатель содержит размыкающий элемент, который изготовлен из твердых растворов замещения (V_1-XM_X)₂O₃, где X - концентрация примеси, M - атом II, III или IV-валентного металла легирующей примеси, и источник импульсного магнитного поля, внутри которого установлен этот размыкающий элемент. При подаче импульса тока в источник магнитного поля размыкающий элемент скачком уменьшает свою проводимость и электрическая цепь размыкается. Технический результат - уменьшение времени размыкания. 1 ил.

Изобретение относится к мощной импульсной электротехнике, и может быть использовано для формирования мощных электрических импульсов.

Известен плазменный размыкатель тока [1] (А.И.Павловский и др., в сб. "Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение". Под ред. В.М. Титова и Г.А.Швецова. М.: Наука, 1984, С.410). Этот размыкатель состоит из тонкой алюминиевой пленки, напыленной на лавсановой пленке, и заряда взрывчатого вещества (ВВ), прилегающего к алюминиевой пленке. Алюминиевая пленка электрически подключена к внешнему импульсному источнику тока. Этот источник вырабатывает импульс тока. Одновременно инициируется ударная волна в заряде ВВ. Под действием тока алюминиевая пленка испаряется и образует проводящий плазменный канал. Ударная волна сжимает продуктами взрыва плазменный канал, что приводит к потере его проводимости. При этом время размыкания составило 0,3 мкс. Недостатками такого размыкателя является невозможность многократного использования и необходимость использования дополнительных технических средств для работы с взрывчатыми веществами.

Известно бесконтактное термореле (прототип) [2] (И.3.Окунь и др., Бесконтактное термореле, авт. свидетельство SU N 409307, опубл. БИ N 48, 1973), содержащее размыкающий (чувствительный) элемент, изготовленный из твердого раствора замещения полутора окиси хрома в полутора окиси ванадия типа (V_1-XCr_X)₂O₃, где X = 0,002 ^oC 0,015. Размыкающий элемент электрически подключен к внешней исполнительной цепи. При изменении температуры в таких растворах происходит один или два фазовых перехода металл-изолятор в диапазоне температур от 170 до 450 К [3] (Н.Ф.Мотт, Переходы металл-изолятор, M.: Наука, 1979). Причем фазовый переход происходит скачком. При фазовом переходе металл-изолятор происходит уменьшение проводимости размыкающего элемента, что приводит к размыканию цепи. Это реле допускает многократное использование.

Недостатком такого решения является то, что невозможно использовать такое реле для быстрого размыкания больших токов, потому что подвод тепла и равномерное его распределение в размыкающем (чувствительном) элементе большого объема происходит в течение длительного времени.

Технической задачей является создание быстродействующего бесконтактного размыкателя (с временем размыкания порядка нескольких микросекунд) многократного действия. Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение быстродействия размыкателя.

Сущностью изобретения является бесконтактный размыкатель, содержащий размыкающий элемент, который изготовлен из твердых растворов замещения (V_1-XM_X)₂O₃, где X - концентрация примеси, М - атом II, III или IV-валентного металла легирующей примеси, и включен в исполнительную цепь, и в отличие от известных размыкателей дополнительно снабжен источником импульсного магнитного поля, включенным в управляющую цепь, внутри которого установлен этот размыкающий элемент.

В твердых растворах типа (V_1-XM_X(₂O₃ легирующая примесь М (II, III или IV-валентного металла) позволяет плавно изменять свойства полуторной окиси ванадия. Под действием магнитного поля в этих растворах происходит скачкообразный фазовый переход металл-изолятор [3] (Кудасов Ю.Б., ФТТ (1996), т. 38, вып. 5, С. 1335). Величина магнитного поля перехода зависит от состава твердого раствора и лежит в пределах от 0 до нескольких сот Тл [3]. Поэтому дополнение размыкателя источником магнитного поля, включенным в управляющую цепь, позволяет управлять проводимостью размыкающего элемента. Состав раствора замещения должен быть выбран таким образом, чтобы при отсутствии магнитного поля размыкающий элемент находился в проводящем состоянии, а под действием магнитного поля источника переходил в диэлектрическое состояние.

Твердые растворы полутора окиси ванадия с легирующими примесями получают по стандартной керамической технологии [4] (Н.Ф.Мотт, Переходы металл-изолятор, М.: Наука, 1979).

Время размыкания предлагаемого размыкателя определяется скоростью диффузии магнитного поля в размыкающий элемент. Время размыкания прототипа определяется скоростью тепловой диффузии. Поскольку скорость диффузии магнитного поля для твердых растворов замещения (V_1-XM_X)₂O₃, (время магнитной диффузии составляет порядка нескольких микросекунд для характерного размера несколько миллиметров) много больше скорости тепловой диффузии (время тепловой диффузии - порядка секунды для характерного размера несколько миллиметров), быстродействие предлагаемого размыкателя больше, чем прототипа.

На чертеже изображен пример реализации бесконтактного размыкателя, где 1 - исполнительное устройство, 2 - стержни, 3 - управляющее устройство, 4 - соленоид. В полости соленоида (4), являющимся источником магнитного поля, расположены 7 одинаковых стержней (2), соединенных параллельно и образующих размыкающий элемент. Стержни изготовлены из твердого раствора состава (V_0,995Cr_0,005)₂O₃ соответствующего критической точке [3]. Стержни имеют круглое сечение диаметром 3 мм. Внутренний диаметр соленоида 30 мм, а его длина 200 мм. Длина стержней 250 мм. Стержни электрически подключены к исполнительному устройству (1), а соленоид - к управляющему устройству (3). Температура устройства перед началом работы устанавливается равной 350К. Проводимость стержней при этом составляет 10³ (Ом·см)^-1. Сопротивление параллельно соединенных стержней - 0,05 Ом.

Сначала со стороны исполнительного устройства (1) по стержням (2) начинает протекать импульс тока с временем нарастания 20 мкс и амплитудой 10 кА. При таком времени нарастания ток в стержнях распределяется практически равномерно. Затем управляющее устройство (3) подает импульс тока в соленоид (4), и в нем создается импульсное поле с амплитудой 50 Тл и скоростью нарастания 3,5 Тл/мкс. Причем время возбуждения магнитного поля выбирается так, чтобы оно достигало 30 Тл при максимуме тока в стержнях. При данных условиях, в поле 30 Тл твердый раствор (V_0,995Cr_0,005)₂O₃ скачком уменьшает свою проводимость [2] на 2 порядка. Время размыкания определяется неоднородностью магнитного поля при диффузии его в стержень. При указанных выше условиях глубина скин-слоя составляет 10 мм и неоднородность поля при 30 Тл составит 4,5 Тл. Отсюда получаем задержку фазового перехода во внутренних слоях относительно внешних, т.е. время размыкания около 1,5 мкс (отношение неоднородности магнитного поля по сечению к скорости нарастания).

Формула изобретения

Бесконтактный размыкатель, содержащий размыкающий элемент, изготовленный из твердых растворов замещения (V_1-xM_x)₂O₃, где X - концентрация примеси, M - атом II, III или IV -валентного металла легирующей примеси, который электрически включен в исполнительную цепь, отличающийся тем, что он дополнительно содержит источник импульсного магнитного поля, включенный в управляющую цепь, а размыкающий элемент расположен внутри источника магнитного поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1