Газонаполненный разрядник

 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников-обострителей для малогабаритных импульсных генераторов рентгеновских и электронных пучков и импульсов высокого напряжения наносекундной длительности. Технический результат - повышение ресурса работы и стабильности напряжения срабатывания разрядника. Газонаполненный разрядник содержит оболочку, образованную металлическим корпусом и изолятором в виде полого усеченного конуса, на меньшем основании которого расположен один электрод в виде тела вращения. Другой электрод закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса. Электрод, расположенный на изоляторе, выполнен из двух сопряженных частей, образующая торообразной поверхности одной из которых выполнена как часть эллипса. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к газорязрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников-обострителей для малогабаритных импульсных генераторов рентгеновских и электронных пучков и импульсов высокого напряжения наносекундной длительности.

Известен газонаполненный разрядник (Белкин Н.В., Тараканов М.Ю. и Тарасов М.Д. Портативный генератор субнаносекундных импульсов быстрых электронов // ПТЭ 6, 1987 г., с.133-134), в металлическом корпусе которого расположены два электрода, один из которых расположен на меньшем основании конического изолятора. Оболочка, образованная корпусом и коническим изолятором, в которой расположены электроды, заполняется рабочим газом до высоких давлений - порядка 25-40 атм. Электрод, расположенный на изоляторе, имеет поверхность с профилем Брюса.

Недостатком аналога является большой диаметр корпуса, что ограничивает применение данного разрядника в портативных генераторах импульсных напряжений и рентгеновских и электронных пучков.

Наиболее близким к заявляемому является "Газонаполненный разрядник" (авторов Авилова Э.А., Эльяш С.Л. и Юрьева А.Л., RU 2120153 C1, кл. МПК Н 01 J 17/02, опубл. в Бюл. 28, 1998 г.), содержащий оболочку, образованную металлическим корпусом и изолятором в виде полого усеченного конуса, на меньшем основании которого расположен один электрод в виде тела вращения, а другой электрод закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса. Разрядник имеет диаметр корпуса примерно на 30% меньше, чем аналог, и поэтому позволяет в 1,5-2 раза снизить массу портативной высоковольтной аппаратуры, в которой применяются такие разрядники. Электрод, расположенный на изоляторе, имеет поверхность с профилем Брюса.

Недостатком прототипа является наличие несанкционированных пробоев с электрода, расположенного на меньшем основании конического изолятора, на стенку корпуса, а также то, что основная доля пробоев происходит вне центральной части межэлектродного промежутка (что легко определить визуально после вскрытия работавших разрядников, при этом следы пробоев на электродах расположены не внутри круга определенного диаметра, а по кольцевому участку (фиг. 3)). Это существенно снижает ресурс работы и стабильность напряжений срабатывания разрядника и вызвано тем, что профиль поверхности электрода на изоляторе не приспособлен для применения в разрядниках с металлическим корпусом.

При создании данного изобретения решалась задача создания надежного малогабаритного разрядника с высокими ресурсом работы и стабильностью напряжений срабатывания.

Техническим результатом является повышение ресурса работы и стабильности напряжений срабатывания разрядника.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газонаполненным разрядником, содержащим оболочку, образованную металлическим корпусом и изолятором в виде полого усеченного конуса, на меньшем основании которого расположен один электрод в виде тела вращения, а другой электрод закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса, новым является то, что электрод, расположенный на изоляторе, выполнен из двух сопряженных частей, образующая торообразной поверхности одной из которых выполнена как часть эллипса, а образующая поверхности другой части выполнена из условий Z = H•sin(φ)^k, где R - радиальные координаты точек образующей поверхности; Z - координаты точек образующей поверхности по оси вращения; D - диаметр электрода, расположенного на изоляторе; φ(0<φ<π/2) - аргумент, определяющий значения функций R и Z; Н - координата точки сопряжения образующих поверхностей по оси вращения; k - показатель степени.

Частным случаем достижения технического результата является вариант, при котором диаметр D электрода, расположенного на изоляторе, внутренний диаметр корпуса D₁ и величина межэлектродного зазора S соотносятся как D:D₁:S=5,4: 9,4:1, при этом показатель степени k равен 0,88.

В прототипе электрод, расположенный на изоляторе, имеет поверхность с профилем Брюса [Высоковольтное испытательное оборудование и измерения под ред. проф. А.А. Воробьева, Госэнергоиздат, Москва-Ленинград, 1960 г., с.451] . Но электроды с такой поверхностью, так же как и с другими известными поверхностями, - Роговского, Фелиси и сферической - предназначены для измерительных разрядников, в которых два электрода одинаковой конфигурации расположены по одной оси напротив друг друга и должны быть удалены от окружающих их металлических предметов на значительное расстояние; поэтому они малопригодны для применения в компактных газовых разрядниках высокого давления.

Электродная поверхность с профилем Брюса состоит из трех сопряженных частей: плоской, части с образующей в виде участка синусоиды и замыкающей тороидальной части. Плоская часть поверхности является рабочей, а на синусоидальной и тороидальной частях поверхности должно обеспечиваться монотонное убывание напряженности электрического поля к периферии электрода, чего не происходит в разрядниках с металлическим корпусом.

Наличие корпуса в виде металлического стакана приводит к повышению напряженности электрического поля на боковой поверхности электрода, расположенного на изоляторе, что значительно увеличивает вероятность пробоя с электрода на стенку корпуса и приводит к интенсивному запылению изолятора, снижению ресурса работы и ограничению максимального напряжения срабатывания разрядника. Кроме того, происходит смещение пробоев из центра межэлектродного зазора к периферийной части электрода и вследствие этого уменьшается стабильность напряжений срабатывания разрядника. Как показали расчеты и эксперименты, для ликвидации пробоев с указанного электрода на стенку разрядника и привязки пробоев к площадке в виде круга, расположенной по центру торцевой поверхности электрода, диаметром не менее 10 мм, необходимо подобрать такой профиль поверхности электрода, который обеспечит максимальную напряженность электрического поля в центральной области межэлектродного зазора с монотонным спадом ее к периферии электрода.

С этой целью была предложена новая форма электрода, образующая которой показана на фиг.1 (ось Z соответствует оси вращения электрода).

На фиг. 2 изображен заявляемый разрядник, в котором электрод, расположенный на изоляторе, выполнен с заявляемой поверхностью.

На фиг. 3 показана фотография разрядника по прототипу с электродом на изоляторе, имеющим поверхность с профилем Брюса.

На фиг. 4 показана фотография разрядника с электродом на изоляторе, имеющим заявляемую поверхность.

Как видно из фиг.1, электрод состоит из двух сопряженных частей, представленных их образующими АВ и ВС. Участок АВ от центра электрода до точки сопряжения описывается вышеприведенными формулами, а участок ВС является частью эллипса. Для того чтобы в месте сопряжения не было скачков напряженности электрического поля, сопряжение поверхностей в этом месте выполнено без разрывов производных второго порядка. Это означает, что в точке В сопряжения образующих АВ и ВС радиуса кривизны сопрягаемых кривых должны быть равны.

Выполнение электрода с предложенной поверхностью позволяет получить оптимальное распределение электрического поля по поверхности электрода. При этом напряженность поля максимальна в центральной области межэлектродного зазора, монотонно уменьшается к периферии электрода и имеет минимальное значение на участке крепления к меньшему основанию изолятора.

Газонаполненный разрядник (фиг.2) содержит оболочку, образованную металлическим корпусом 1 и изолятором 2 в виде полого усеченного конуса, на меньшем основании которого расположен один электрод 3 в виде тела вращения, а другой электрод 4 закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса 1. Электрод 3, расположенный на изоляторе 2, выполнен из двух сопряженных частей, образующая торообразной поверхности одной из которых выполнена как часть эллипса, а образующая поверхности другой части выполнена из условий
Z = H•sin(φ)^k,
где R - радиальные координаты точек образующей поверхности;
Z - координаты точек образующей поверхности по оси вращения;
D - диаметр электрода, расположенного на изоляторе;
φ(0<φ<π/2) - аргумент, определяющий значения функций R и Z;
Н - координата точки сопряжения образующих поверхностей по оси вращения;
k - показатель степени.

Оптимальное значение коэффициента k зависит от выбора соотношения диаметра D электрода, расположенного на изоляторе, внутреннего диаметра корпуса D₁ и величины межэлектродного зазора S.

При минимально допустимом значении диаметра корпуса D₁ (при котором достигается технический результат), это соотношение имеет вид D:D₁:S=5,4:9,4:1, и показатель степени k равен 0,88.

Работает заявляемый газонаполненный разрядник следующим образом. При подаче высокого напряжения к электродам разрядника в межэлектродном промежутке возникает электрическое поле, напряженность которого определяется величиной приложенного напряжения, величиной межэлектродного зазора и конфигурацией электрического поля в зазоре. Когда напряженность поля достигает пробивной для данного газа, создаются условия для быстрого формирования канала разряда. При этом происходит быстрое увеличение проводимости разрядника и вследствие этого подключение источника высоковольтного питания к нагрузке. В условиях высокого давления разряд носит искровой характер с диаметром канала порядка 1 мм.

В примере конкретного выполнения разрядника-обострителя на импульсные напряжения 200-210 кВ разрядник содержит цилиндрический корпус из нержавеющей стали с внутренним диаметром D1=47 мм и длиной 66 мм с толщиной стенки 1,5 мм. Внутри корпуса соосно расположены два электрода из тугоплавкого сплава ВНЖ7-3, образующие межэлектродный промежуток длиной S=5 мм.

Один из электродов расположен на меньшем основании полого конического изолятора из керамики типа ВК 94-1, его диаметр D=27 мм, другой выполнен плоским и расположен на внутренней торцевой поверхности металлического корпуса. Электрод на изоляторе выполнен из двух сопряженных частей, образующая торообразной поверхности одной из которых выполнена как часть эллипса, а образующая поверхности другой части описывается вышеприведенными формулами. Показатель степени k= 0,88. Этот электрод может изготавливаться с помощью фасонных резцов, на станках с числовым программным управлением и т.д. Контроль профиля электродной поверхности может быть проведен с помощью шаблонов или координатно-измерительной машины.

Диаметр D электрода, расположенного на изоляторе, внутренний диаметр D1 корпуса и величина межэлектродного зазора S соотносятся как 27:47:5=5,4:9,4: 1. Разрядник заполнен техническим водородом до давления 40 атм.

Результаты испытаний разрядников по прототипу и заявляемого приведены в сравнительной таблице.

Из таблицы видно, что предложенное изменение профиля поверхности электрода на изоляторе улучшает картину распределения пробоев по поверхности электродов, увеличивает стабильность напряжений срабатывания разрядника и ликвидирует пробои с электрода на стенку корпуса. Разрядник с электродом, расположенным на изоляторе и выполненным с поверхностью по профилю Брюса (прототип), имеет распределение пробоев по поверхности электродов в виде кольца, поэтому стабильность напряжений срабатывания несколько пониженная. У заявляемого разрядника пробои почти равномерно распределены внутри круга диаметром примерно 12 мм, и стабильность напряжений срабатывания почти в 2 раза выше, чем у прототипа.

Формула изобретения

1. Газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, образованную металлическим корпусом и изолятором в виде полого усеченного конуса, на меньшем основании которого расположен один электрод в виде тела вращения, а другой электрод закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса, отличающийся тем, что электрод, расположенный на изоляторе, выполнен из двух сопряженных частей, образующая торообразной поверхности одной из которых выполнена как часть эллипса, а образующая поверхности другой части выполнена из условий

где R - радиальные координаты точек образующей поверхности;

Z - координаты точек образующей поверхности по оси вращения;

D - диаметр электрода, расположенного на изоляторе;

φ (0<φ<π/2) - аргумент, определяющий значения функций R и Z;

Н - координата точки сопряжения образующих поверхностей по оси вращения;

k - показатель степени.

2. Газонаполненный разрядник по п.1, отличающийся тем, что диаметр D электрода, расположенного на изоляторе, внутренний диаметр корпуса D₁ и величина межэлектродного зазора S соотносятся как D:D₁:S=5,4:9,4:l, при этом показатель степени k=0,88.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5