Управляемый разрядник

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИПРИ ГКНТ СССР ИТЕТКРЫТИ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНДВТ 0 РСКОМУ ТЕЛ ЬСТ уч но-исследовакий институт 346, кл, 313-2 ание мощных М,: Советское аа во СС , 1982(56) Патент США М 288107.04,59,Месяц Г.А. Генерировносекундных импульсов. -дио, 1974, с. 88,Авторское свидетельсМ 1072727, кл; Н 01 Т 1/2 Изобретение относится к наносекундной высоковольтной импульсной технике, з именно к 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 разброс включения, дО- стигающий десятков НС, не позволяют использовать такое коммутирующее устрой(54) УПРАВЛЯЕМЫЙ РАЗРЯДНИК(57) 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 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, д содержащий три соосно расположенных сферических электрода с соотношением величин высоковольтного и низковольтного зазоров равным 2, облучаемых с целью ускорения и стабилизации коммутации Уф-лу- С чами от искры, возникающей во С) вспомогательном промежутке,:ключен ном 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 два основных и инициирующий электроды, инициирующий электрод выпол5 10 15 20 30 35 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 этойконструкции невозможно; б) 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 межэлектродного зазора, И то и другое не позволяет заметно снизить его омическое 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 промежутка.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 Ь которого и длина 32 кольцевого искрового промежутка выбраны в соотношении: 32-31(1+з п 2 а), 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 (сфера- плоскость) 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 острой кромки инициирующего электрода, ко- поджигающего импульса недостаточна для торая начинается с момента подачи пуско- пробоя Я. В момент пробоя зазора 51 Уфвого импульса и продолжается после излучение канала разряда, распространяпробояпервогозазораврезультатепоступ- ясь вдоль поверхности инициирующего лениянаинициируюшийэлектродвысокого 5 электрода, попадает на полированную конапряжения с высоковольтного основного ническую металлическуюповерхность низэлектрода вплоть до пробоя второго зазора ковольтного электроДа. Особенности разрядника. отражения света от металлической поверхТаким образом, предложенная конст- ности обусловлены наличием в металле сворукция по сравнению с прототипом позво боднцхисвязанныхэлектронов, Вторичные лила расширить диапазон рабочих волны, вызванные их вынужденными коле- напряжений управляющего разрядника на баниями, порождают сильную отраженную 30, который стал равен 25-98 от статиче- волну, интенсивность которой может достиского пробивного напряжения. . : гать 95 интенсивности падающей,На чертеже приведен управлямый раз Состояние пробоя межэлектродного зарядник. зора характеризуется резким изменениемУправляемый разрядник содержитвы- на много порядков"величиныегопроводисоковольтный плоский электрод 1 со сфери- мости, Оно достигается направлением отраческим выступом, служащим для создайия женного излучения в зазор 32 в торец однородного электрического поля и фикса инициирующего электрода, порождая доции центрального местоположения разряд- полнительную фотоионизацию рабочего ганого канала. Плоская часть электрода за в зоне зазора, граничащей с областью закрыта изолятором 2 для предотвращения автоэлектронной эмиссии. Чем больше серазрядов на другие элементы конструкции, чени этой зоны, тембольше именение проНа расстоянии Я 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 45а 90, чтобы отраженный свет попа- корпусу 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 52 происходит однии, боковая коническая поверхность кото- новременно в момент"пробоя Яиз находя- рого расположена на расстоянии 32 от щегося в центре устройства разрядного инициирующего электрода, Кабельные ли 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 следовэныквысоковольтномуэлектроду,аоплеткэ- тельно, и торец усеченного конуса ми - к корпусу разрядника. С помощью 40 низковольтного электрода должен нэхо- кабеля 8 источник постоянного напряжения диться по крайней мере за пределами высо- величиной О подключен к высоковольтному ковольтного зазора 51, отражая свес, 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 кони- управляемого 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 31. Полагая для напряжения Оп дующим образом. 50 величину пробойного расстояния рабочегоПуск осуществляется подачей на элект- зазора Я без облучения и автоэлектроннойрод 5 по кабелю 9 поджигающего импульса. эмиссии равной 31, 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 шириной 51 максимальная величина протродного зазора 3, Крутизна импульса до- бивного межэлектродного Зазора 3 станет статочна для начала эвтоэлектронной равной 2 31, С увеличениеми угла а плоэмиссии по всей периферии имеющего ма- щадьоблучаемой зоны снижается исоответлую кривизну торца тонкого диска иниции- ственно должен уменьшаться пробивной рующего электрода. Однако амплитудамежэлектродный зазор согласно формуле 32=31(1+эп 2 а ). Например, при а -90 в площадь зазора 32 может попадать УФ-излучение, лишь рассеянное от вертикальной цилиндрической поверхности низковольтного электродаСоответственно и величина межзлектродного зазора 32 должна быть минимальной и равной Я 1.Коммутация разрядника завершается к моменту окончания последовательного каскадного пробоя межзлектродных промежутков Я 1 и 32.Предложенная конструкция была проверена экспериментально. Пробой зазора Я 1 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 32=1,5. 31=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 31 и 32. 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 консгуктивные 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 не40 поверхности рабочего торца первого основного электрода установлена дополнительновведенная изоляционная накладка, электроды установлены в дополнительно введенном токопроводящем корпусе, на которомзакреплен 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. 5 10 15 20 25 30 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 ющ и й с я 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 31 которого и длина Я 2 кольцевого искрового промежутка выбраны в соотношении 32=31(1+з 1 п 2 а ), где а - угол между образующей полого усеченного конуса и его большим основанием, выбранный в пределах 45 а 90, причем на плоской1757001Составитель В, Модзолевскийедактор В. Бугренкова Техред М.Моргентал Корректор М. Керецма Заказ 3094 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10