Рабочее тело твердотельных электрических разрядников

О и ю С А Н И Е п 1641570ИЗОБРЕТЕН ИЯ Своз СоеекиюСоцяапмститгг% иРиз;6.:йи лщнтельное авт. св гЗаявлено 24.05. 21) 236283 1/1 1)М, Кл 3 52 рисоедицеежем зая бщдзствввньФ ий.Вт".",т СИР В ДОЙм изеврВВзый в втквцтвй(088.8) 9,Бюллет я 08.01,79 публикования опис Да Авторыизобретения, 3. 11 овнпкий а В. Д. Сапун те 54) РА 1 ОЧЕЕ ТЕИ ТВГРДОТЕЛЬ 11 Ы З 1 КТРИЧ 1.СКИХ РА 3 Р ЛДНИКОИ казать бласть ич ба лягс Изобретение относится к области сильно- точной импульсной техники, в частности к твердотельным электрическим разрядникам.Известны разрядники различных типов: вакуумные, высокого или атмосферного давления, с твердым диэлектриком. Общие требования, предъявляемые к этим разрядникам, сводятся к следующему: выдерживать напряжение установки, иметь относительно малую инлуктивность по сравнению с индуктивностью нагрузки, обладать необходимой точностью срабатывания и относительно малым сопротивлением 111.Широкое распространение в различных. областях импульсной техники получили простейшие-.управляемые трехэлектролные разрядники (см. там же), Однако прн работе на высоком напряжении эти разрядники имеют ряд недостатков: узкий диапазон рабочих напряжений, большую амплитуду пускового импульса, сильную зависимость времени задержки срабатывания и его стабильности от рабочего и пускового напряжений, Разработка разрядников, лишенных указаины.; недостатков, на основе врименяемых в настоящее время технических решений яв.а достаточно трудной задачей. Известный твердотельный разрядник 7 содержит следующие основные элементы: сменная изоляция, генератор уларной волны и электроды, Конструкция этого разрядника выполнена следующим образом. В выемку верхнего, высоковольтного электрода встав. лена обойма с изолирующей втулкой и перекрестием из тонких проволочек, взрывакпиихся при разряде вспомогательной батареи с энергией 20 кДж. Диэлектрик из орг. стекла толщиной 1.3 мм разрушается уларной волной, образующейся при взрыве проволочек, за время 10 мкс. Пробой развивается по трещинам в лиэлектрике. Сопротивление области разряда падает до ничтожных величин спустя 0,51,0 мкс.Для этого разрядника можно у ряд недостатков, ограничивающих о его применения:необхолимость мех ан еского разрушения диэлектрика для сра тывания разряд. ника; большое время срабатывания (- 10 мкс); нестабильность срабатывания разрядника и, следовательно, сложность точнои синхронизации его работь; с работой других элементов импульсной схемы; зна чительиое сопротивление и индуктивность,канала разряда, что нсклк)чает од 10)кыгстьфорггироэания )1 стко 31)льт 1 их 37 п )гьст 13 (.кругьм фро ггои нарастании т ка,Все это игиестс взятое сн(1 ет ф)цкц 11.нальные в( зможцости указнного твердотельного раз)Илии кз,ель преллагемого гэзобретенця - агиЖЕНИЕ ВЕЛИЧИИЛ 1 УЦРТВ.1 ЯЮЩЕГО МЕХЗЦЦЧЕСкого или электрического импульса, расши.рение функциональных возможностей н по.вышение качества коммутации.Она доли. ется тем, что в качестье рабочего тела тве)лттельпьх разрядников применен электрически акти 3 цый материал, об.лалаоЦий сш)йс-вом спонтанной поляриза.ции. Последнее храк)еризустся векторной 15ВРЛЦЧИнойВажной особенностью электрически дктнвцьх материалов являегся то, что привоздсгэствии механического нли электричес.КО 0 ИМ ПУЛ ЬСЗ ГРРЛСЛЬ Н НСЙ ИЦТРНСИ ВНОСТИсцонтднцзи поляризация в этих материалахэзмецяе снок нгличшу или направление,При изменении по 7 риззции в обьеме диэлектрика и в окружакцгем 3 осгрднствегенсрируктся электрические поля, д на егоповерхностях, когорые ло Си)дачи уцранлян). 2 Бщего мехяццческого импульса не были параллельны вектору поляризации, высвобождаются ранее связанные электрические заряды.Если поверхцость диэлектрика, на когоройпри воздейстнци механического импульсапоявлян)тся свободные ззрилц, пересекает.ЭОГИ Г 111 ЕРХНОСТЪК) ЭЛЕКТРОДОВ, ТО ТРИ Нали;1 нирнженцн на этих электролах прои. й 1ргэгз) ь,гнгьцгэе разрядника и комму.тз 11 нн лктрцчесчой цепи, В которую Оивключен, 351 ри конструиронзнии тверлотельных разрядников с электрически активным диэлек.трик э, управляемых механическим импульс О ы, н 0 3 х 0 ж н ы т р и Ос н О В и ы х в 3 ) и 3 н т э в 3 гэ и м"ного рзсноложеиця электродов, вектора цоляри .Нии и бъеме материала и выходной47нов. рхцн ти генератора гисхгническогд импульс:1) вхгльэзя пгверхиость генератора ме.7 ческ о Импульса перпендикулярна пр.:"1 ХНгСТЯМ, НЗ КОТорцс НЗНЕСРНЫ ЭЛСКТродц 15р;арялцикд, и параллельна вектору цоляри.здцни Р;2) иыхолцзя цоверхность генератора механического импульса параллельна поверхистям, на которые нанесени электролы, нвектору Р,;3) выходная поверхность генератора механического импульса перпенлэкулярна повсрхцгст 3 и, нз котрые нанесены электролы,и всктгру Рэ.При этом в качестве элекрически активного материала, обладаюНего спонтаннойполяризацией, тгэерлотсльияЙззрядник со.держит кристалл или предварительно поляризопзьтц к) керамику, например, метзниобатз .тия,3 эх 1,к)ыые .л.:.лрическт)33 неци гэ каждом Из ЭТИХ ,еь Зе 3 и роне ходи) за сче1 Ого лосьог)ожьгэегЫР нтл действием мехднич. Ск 10 нмнульса электрические заряды ока. зывдОтся инжектировзннымц в разрядный ПОМРж)ТТ)К. ЕСЛИ СПОЬТацЗя ПОЛНцэацИЯ при механическом воздействии улТеыг,ш)ется ло гуля, то для кристалла ниобатз литиЯ, например, на 1 см может выделяться до 0 э носителей. Это обеспечивает высокую электроцроводность в разрядном промежутке без прелварительиой фазы развития электрического пробоя, характерной практически для всех известных типов разрядэээков, включая и твердотельные.Прц конструировании тверлст.льыгг разрядника, управляемого электри эеским импульсом, электрически активный материзл сегцетоэлектрик может быть 31 иОлнен в ниле двух пластин из электрггческэ актиного материала - ссгнетоэлсктрика, облздзкцего свойстэц . спонтзнн)й по Ирызацгэц, между которыми пцрдллельно высоковольтному и ггулев)у:лектодам размещен управляюцтээй электрод, а плоскости всех элсктртлов параллельны вектору спонтанной поляризации.Важной особенностью сегнстоэлсктрнческих материалов являетсн то, что пол лсйсгвием электрического поля с цапряжеьиостью Е, больше величины коэрцитивного поля Е, определенной для каждого сегнетоэлектрцкз, СПОНтациаЯ ПОЛЯРИЗаЦИЯ ИЗМЕгяст СВОЬО эеличину и направлеаье. Прц изменении поля. ризациц, кзк и в прелылуцем случР. и объеме сегнетоэлектрика и в окружающем пространстве генерцруктся электрические полн, з из поверхностях, которые ло подачи угравлин)него элсктриче кого импульса не были пзраллельцы вектору нольризагии, высвобождаются ранее сняззцньге электрические здрялы. Если эти поверхцостгэ пересекаются с поверхностями электролов рзз. рялникз, то при наличии нз этих элекгролзх напряжения произойдет срабатывание рдзрялннкз и коммутация солержзцх й его электрической цепи.Электрические поля, генерируемые в объеме сегнстоэлектрнкз, цри наличии нзпряжэ ннн кдк на высоковольтном электроде раз.рялннкз, тзк и на упр 1 влян)цгем Рго электроле одинаково действуют нз поляриздТию сегиет)электрика. Поэтому срзбдтцвагие разрялника происходит, кзк только напряженность рсзультирук)щего поля в пластине СегистОЭЛРКтРИКЗ, РаСНОЛОжЕЬЦОй МежЛУ НУ- левым и управлянццим электродом, превысит коэрцитивное поле. Чем выше величина напряжегэир ца высоковольтном электроле разрядника, тем меньшее значение может иметь электрическое поле, создаваемое управляющим электродом. В пределе срабатывание разрядника может происходить при нулевом напряжении из управляющем элек б)4б 70троде, если собственное иоле разрядника больше коэритэОго. оскольку в к 1 ест. ве электрически активного материала взята керамик метаннобата свинца, то при ново. рОтЕ ВШ(ГОра ПОЛярнэацнн На 90 ПО ОтиоШЕИИЮ К ПЕрВОНаИЛЫОМу В раэряЛНЫИ ПрО- межуток инжессгирхются свободные заряды с плотностью - 1 Сносителей наСм). Указанная концентрация носителей обеспечиВаЕт СЭСТИТОсиуО С.-:.с:,Л)иуЮ ЭЛЕКтрОПрОВОд- НОСТЬ В раэрядО:; Нс)ОМЕжутКЕ И, СЛЕдОВа. тел о, качественное замыкание электричес- коЙ це иэ 3;3 ) яди к а.Г)тметих( положительный эффект применения г)ерлс)телыых разрялников на основе электрически активных материалов - сегнетоэлс.ктриков:1) как при импульсном механическомвоздействии, так и при импульсном электрическом Воздействии на электрически аэИНЫЙ Мстсрал ИМЕЛ МЕСТО ИЗМСНЕ,ННЕ. ВЕЛИ. чины и 1 Нре)Есле 1 с я ВГО поли) и.(аци и, а не 15 ме.ханичсское: Е)аз)унение сенсстОэлектрика;2) при работе разрядника с электрически йктивнм мат(риалом особенности рабты разрядника с)н)эеделяэся не характеи)м развития прс)боя пс) трещинал( в лиэ;ектрике, а здданной формой поверхности разрядного яромжутк 3, на кс)торОЙ нри ВсэздгЙствии МЕХаНИЧЕСКОГО И,Н ЭЛЕКтрн (ЕСКОГО ИМНуЛЬ. са.высвобождается ранее связанный электрический зарнл;3) в отличие от протс)тина время сраба ЗОтьнания разрядника определяется толькоодновременностью механического нагруже. ния сегнетоэлектрика и может достигать ВеЛИЧИН П(рядна НЕСКОЛЬКИХ ЛЕСяэнссн НПНО- секунд;4) и отличие От прототипа может достигаться Высокая степень синхронизации ра.боты нескольких разрядников как одновременно, так и В заданной последовательности;сэ) нри работе разрядника с сегнетоэлектриком м:)льс активное сопротнВление и и(- дуктгии)сть разрядного промежутка лостн.гак)тся за счет того, что электрический разрял прс)исходит по поверхности заданной геолетр 1 и площади, иа котс)рои при воздействии электрического управляюцего импульса Высвобожлается ранее связанный ЭЛЕКТРССКИ 1 ЗаРЯД (с(Р 1 МЕхаНИЧЕСКОМ Раэруненни диэлектрика самопроизволы(ыи разрял происходит по узкому кана)у);6) в сравнении с прототипом энергия электрического управляющего сигнала составляет величину 0,035 Дж См. ниже), в то время как в прототипе необходимо запасти во вспомогательной конденсаторной бата. рее энергию в 20 краж;7) твердотельный электрическии разрядник с мех)1 (ессил( управлением обеспечи.вает надежнукэ коммутацию электрических ЦЕПЕЙ С Х)ЛЫл( НаПРЯжЕИИЕМ, ПОСКОЛЬКУ ПРО- нодимогть разрядного промежутка опреде- )1)ется велнчи(с)й изменения поляризации диэлектрика, а инжекция свободных заря. ЛОИ В ЗаРЯЛНЫй ПРОМЕЖУТОК Мс)жЕт ОСУЩЕСт. влятьсн, при Опрелеленных условиях, в те. чение всего яремени работь: разрядника.а фиг.изображен электрический раз. рялник, электроды которого перпенликулярны выходной поверхности генератора механического импульса, а вектор поляризации Р, параллелен ей;.на фиг. 2 - электрическийразрядник, электроды которого и вектор по.ляризации Р, параллельны Выходной поверхности генератора механического импульса; на фиг, 3 - электрический разрядник, элек. троды котороо и нектор поляризации Р перпендикулярны выходной поверхности ге. нератора мсханического импульса; на фиг. 4 дана конструксшя тверлсэтельшио разрядника, управляемого электрическим полем.В каждом нз трех основных Вариантов расположения тнердотельного разрядника, ВЫПОЛНЕННс)ГО ДЛЯ ПРОСтОтЫ а ВИДЕ ПаРаЛ- лслепипеда, Одна из граней параллелепипеда располагается Внлс)тнукэ к Выхолнс)й поверхностиГене.1)тОЕ)а мс.ханиВскогс) импульса. Эл(ктролы 2 разрядника параллель. ны Некто)у поляризации Е) и р(сположены Внлотнук) к соовегс Гвук)цил раям параллелеэиеда. Гр 1 и на)лл(лен 11 еэ, перпен. лнкулярныс вектору Р, и ээсктролал( раз. рялника, обр 1)э его разрядный промежуток э. 1 ос(с)льс(у илсно на этих гранях ВЫЛЕЛИЮтСя С;.)СООНЬ)Е ЗарядЫ Прн ИЗМЕНЕ. нии пол(ризани диэлектрики.Раз)Илник с(сэнстр) кинно вы)олнен нз ДВУХ СЛОЕВ СЕГНСТЭЛЕКТ)НКВ Н ВИДЕ ПаРаЛ. ЛЕЛЕПИПЕЛОВ С ОЛНВКСЛсИ ОСНОВВНИЯМИ, К 1(ОТОЭЫМ НЛОТ 1 УЮ НЭслс.ГаСЭТ: ВЬСОКОВОЛЬТ- ный 1, управляк)щий 2 и улсэо 3 электроды. Суммнсэе расстояние межлу электродами 1 и 2, 2 и 3 равно шиинс разряс)ного прс)лс жутка 4. Который геометрически сов. НалаЕГ С РаилИ ИВРаЛЛЕЛЕПИПЕДОВ, ПЕР- пенликулярнымн В(ктору поляризации Р в КаждОМ Слс)Е С( НстОЭЛЕКтрКО фИГ. 4).Р 3 ссмотрим В кзссств(. ИЕ)1 Мсэа разрялника, унрзи,яс мого механическим им. пульсом, задачу, В которой требуется Обеч:. печить палс)(ную коммутацию цепи с напряжением порядка О кВ непрерывно в тече. ние 10 мкс. В ээол( случае В качестве рабочего тела выбсрем кристалл метанобата лития и нронзвелем расчет размеров разрядника 1)иг.) .. Высота разрядника определяется по рсбру, перпсндикллнрному иыходной поверхностигенератора механического импульса, Она находится как нроизиеление ско. рости распространесня механического импульса сжатия В кристалле ( скорость про. дольных КО.ебс)н 6 кмсс) на время работы разрядника и составляет в нашем случае величину, равную б см.2. Ширина разрядного пр.:4 сжутка расстояние между электролами, один из ли. нейиых размеров разрядника, находится из33;1 Е(т(,ГО 3( сс (ссНЦ с 1 НИЕ(:КОН ЦРОсНОС 11 Нй сс(:;".(НСХ.Тц ДНЗЛК) ссцкз, 1 ак,. /1 ЛЯСЛ)СЧ 235 с КО 1 С 12 с)ЗЗ)ГДН 31 К НсС.3 З 1 ТС,1 В 1,ОЗДУХЕ Ц)3 НОПМВЛЬ 1 Ни ДЗВЛЕНИИ, ЭТЗ 1)Ес(:,1 иа составлнсг,) 1.ВЬ,)1. Г 13 н( знацеыци рзЫ).ЧвсГО 13 с)1)Р 51)К(.(И 5 30 К 3 В(ЛННЦНЗ )а:1)БДНОГО црв."4(сЖссткс Со( ТНВНТ )с М 4 И МО)кст Гсс(т)сувелнчсцз до 812 мм длц обесценении двойНОГО ИЛН Трс)с(НОГО ЗЗ 1)ЗСЗ рос(НЙ(.Т 13,;) 1)тз 1,;ео элск; 1 О(ОВ и цзтрзалениицзРаЛЛЕЗ(Ь(ГМ ЕктОРсс , Иа Рабо)У РаЗРЯД.НИКа ЦС )(с 15 Ет и .О .ВЕТС бытЬ ВЬ 6 Раи Раа 33 Ь)М, сгаПРН)ИЕР 5.10 ММ,4. 3)ЕКТРОД(с) РЗЗЦНЛИИКа ВЬ)ЦО 13 Е(1 Ь) Иа1)ср)КН 1(СЮПЕс СтаЛИ МарЮЕ Х 38 Н 9 Т, тОЛ.И)31)О 33 2 МЧ. 3 ББ Кас)(.С 3)(Р ЦРЦ(ссРа Рс 13)сс)К 33 нкс), УЦРсццс.Д)с(Ос) 3(сс"Р)(с 1 сс"сс)3 НМЦУЧ сОй ЗсссСессО.Р)4 Ч )З.1)ссДННК, (ОТОГЬ)Сс ДОЛ)3(Е)2 И ааЗИИс(13МО)3 ЕН Г ВРЕМЕНИ ( Кос(ссмУТ)1 РОВат Зс 3 ЕКТТ)нс(ссс.ку)О 1),Рь с цасцряже 333 ес,) 1 О кВ п,4)3 ампли"23туде импульса тока И)О ИД.ДЛЯ ИС 1(О)3 ЬЗУЕ 13 ОГО В КО 3(стс)У)(Ц 32 И ТВЕРДОтельного ра:)ря(2 И 3(ка сегетовлектр 1)ка - кеРа)с)ИКИ Мста К)ссОГ)ата СВИНИ З - КОЭРНН.,ТИВНОЕ 33 ОЛ Рс ВЦО 1 с 7 КВ)3 М. ДЛЯИСКЛ 1 ОЧЕИИЯ Сасс(ОН)ОИЗВОТ)ьОГО СРаоать)" 23взниЯ )аз)ЯД 21)еа ИРОбхойи)с(ос с)то.бь 3 1(апс)(си" ГЦНОс"1 ПОЛЯ СОс(аиаЕ)с)аиВ 3 с(.ОЬОВОЛ с Н)сМ З(.сСГродО,(1 ОЬ(Ла (С),у131(с КоссРР 11 Т 31 ВНОГОПОЛЯ СЕГНЕТОВЛСКТРИКа И сс( сс(ссйссс(Злсз 3,) КЛМ(с. етсДХЙ ГЗК)КЕС 1)с(ЭЬ св( О)ССГЕ рааЯРСНКЗ С(ТО у(1)ацЛцстсц(3 Э)с(ц(Т 3)од рсасс(ОЛс(ГсЗЕТСя 13 О(Еродсс(сс)3) и сс)с 1. ссГО (3 О( НсЕи 1 с )с".с Г Е. 3)3 с)СОТ)с 1 ОООН Х3+сссс 3(сс;3с)сс)с( " .СОГссссЕТО 4 ЛЕКс с)с(К)3 5(сссснак; (,:,.О .Ос)1 стс(1)НИ С Закс)ННЫ(С 3 ВЕЛНЧННЗН, 35ссатсрс)с(.сц(51 1 в Вс,(с с)сс)В) )сс 1 сс)сс З ссс(1 ОтЕи лоцустнмои цацряукеццастн поля в сегнсто.% =- Р:.) 33 Е(где 3) - поляризации сегцс гозлектрнка;5 - цло)надь электродов;- н)т(р 33 иа рззрядного промеукуткз от нулевого до управляк)него электрода:Е- - - 312113) ЯЖ(Е 2123 ОСТЬ КО 32) Н И ТИННОГО (1" с Р В рассмзтривасчом иримере Эти вел ( (и.13 Ь 3 ИйЕКЭТ ЗНЯНЕНИЯ: Р -- 0,6 30 6 КЛСс: Б =.- 3 см; 3 = 0,35 сч и Е. = 3,7 10 Вем.Тогда Энергия уцравляк)щего сип(зла % = =- 0,6 10 ф 0,35 1,7 104 = 0,035 Д)К, (3 ТО иа 5 - 6 Порядков 3132)ке, неу у црОтотипа,Раара(эотка и применение твердотель 23 ь 3 хразрядников с электрически актвиь(м мате)31 ас(ОМ, ОЛ аДсЗ К) Ш 12 М С 301)та ИНОЙ ПОЛ и РИЗаццеч, позволяет суиествен)О расюирить сферу ик применения, особенно в тех областях эксяериецтальной фцзцкц. Где тре. ОЕТСЯ ВЬЦ."ОКаи НЗДЕ)КНОС) ЬТТс(Н "Тсс ГНЦ ХРО 13 И 31)ЦИ 33 РЗОТЬ 3 Отйс,(31 с(Х ЭЛЕМ(и Оз СИЛ(ЬНОТОЧИО)3 БМГсУЛЬСОЙ С:(Е", Ь( СЕЕУЕ с Гассн(Е Ц(Э 33 сЕ 1)К(СУТЬ ЦЕ)СЦЕС ГСГНС;С,Т(, ЦРМЕ.Вдн Медвенн таинтел,1 ткрол О. ЛуТираж 322 т д 4/5 ектная,нз .бЖ 3нтъ,немо кои етенн 6 нРаупгх 1 н горо вК рргктор Л Влэ еолпнсноее,Ретэ .- о крыли я ндб,ул Пр