ПСЕВДОИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК Российский патент 1997 года по МПК H01J17/00 H01J1/30 

Изобретение относится к области газоразрядных коммутирующих приборов тиратронного типа низкого давления с холодными катодами и предназначено для работы в качестве включающих элементов в устройствах высоковольтного импульсного электропитания технологических лазеров, плазмохимических установок, генераторов электромагнитной энергии и т.п. длительно работающих в режимах, характеризуемых высокими значениями и высокой скоростью нарастания напряжения и тока в нагрузке, большой частоты повторения импульсов.

В известном псевдоискровом разряднике пусковое устройство, состоящее из двух изолированных друг от друга электродов, располагается внутри полости катодного электрода псевдоискрового разрядника и осуществляет включение разрядника коротковолновым излучением, генерируемым искрой, возникающей при пробое между электродами по поверхности изолятора /1/. Импульсный ресурс такого пускового устройства оказывается значительно ниже импульсного ресурса основного разрядного промежутка псевдоискрового разрядника из-за постепенного разрушения и металлизации поверхности изолятора и самих электродов пускового устройства в результате образования катодных пятен.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является разрядник, в котором пусковое устройство, располагаемое внутри полости основного электрода, выполнено в виде цилиндрической чашки или закрытой цилиндрической полости с отверстием /2/. При такой конфигурации пускового устройства существенное влияние на пробивное напряжение разрядника возможно только при небольших /несколько миллиметров/ расстояниях пускового устройства от отверстий в основных электродах, из-за чего при малых размерах катодной полости или увеличении плотности разрядного тока увеличивается интенсивность эрозии поверхности основных электродов и, соответственно, снижается срок службы прибора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение ресурса псевдоискрового разрядника. Техническим результатом является увеличение импульсного ресурса пускового устройства до величины, сопоставимой или даже превышающей импульсный ресурс основного разрядного промежутка, а также улучшение коммутационных качеств разрядника.

Поставленная задача решается за счет того, что в разряднике, содержащем расположенные в герметичном корпусе основные электроды в виде соосных полых цилиндров с соосными соотверстиями на смежных торцах и пусковое устройство, размещенное соосно внутри одного из электродов, выполненное в виде изолированного от него металлического электрода в форме стакана с открытым торцом, обращенным к отверстиям в основных электродах разрядника, в пусковом устройстве, снаружи металлического электрода изолированно от него, размещен кольцевой металлический полый электрод, внутренняя боковая стенка которого расположена эквидистантно стенке внутреннего металлического электрода пускового устройства на расстоянии нескольких миллиметров. При этом в смежных стенках электродов пускового устройства выполнены соосные отверстия 3, а на торце внутреннего электрода пускового устройств, закреплен центральный стержень из тугоплавкого металла свободный конец которого выполнен закругленным и смещен в направлении к отверстиям в основных электродах разрядника от точки пересечения оси симметрии отверстий в основных электродах разрядника и осей отверстий в параллельных смежных стенках электродов пускового устройства на расстояние, меньшее радиуса закругления конца стержня. Кроме того, внутренний электрод пускового устройства со стороны торца снабжен радиальными выступами, которые через прорези, выполненные во внутренней стенке наружного электрода пускового устройства, введены в его объем.

Повышение импульсного ресурса разрядника обеспечивается за счет усовершенствования, пускового устройства, поскольку его действие основано на использовании свойств псевдоискрового разряда, который может существовать без образования катодных пятен на электродах и имеет растущую вольт-амперную характеристику, что позволяет использовать в самом разряднике и его пусковом устройстве такое количество параллельных токовых каналов, которое обеспечивает необходимую скорость износа электродов, позволяющую реализовать заданный импульсный ресурс прибора.

При этом высокие коммутационные качества разрядника /малое время задержки заключения, высокая стабильность включения, большая скорость нарастания тока/ достигается за счет возникновения в момент включения разряда в пусковом устройстве интенсивных пучков электронов большой энергии, распространяющихся вдоль оси отверстий в электродах пускового устройства. Закругленный конец стержня, выполненного из металла с большим атомным номером, в результате бомбардировки быстрыми электронами становится источником мягкого рентгеновского излучения с интенсивностью
I₀≈10^-9ZV²I Вт
/V и I-энергия и ток упомянутых электронных пучков, выраженные в электроновольтах и амперах, Z-атомный номер материала стержня/, которое через открытый торец внутреннего электрода пускового устройства, обращенного к отверстиям в основных электродах разрядника, проникает во внутреннее пространство основного катодного цилиндра, производит фотоионизацию в его объеме и вызывает фотоэмиссию в области токонесущих отверстий разрядника, что и обеспечивает его высокие коммутационные свойства.

Дополнительное улучшение коммутационных свойств разрядника, а именно: повышение синхронности развития разряда в отверстиях электродов пускового устройств при включении, а также уменьшение времени задержки включения самого пускового устройства может быть достигнуто размещение на внешней части основного электрода, напротив радиальных выступов на внутреннем электроде пускового устройства, кольцевого соленоида, обтекаемого током, или кольцевого постоянного магнита, намагниченного в направлении оси симметрии основных электродов разрядника, с помощью которых создается магнитное поле величиной в несколько миллитесла, при этом, часть поверхности внутреннего электрода пускового устройства напротив упомянутой катушки открыта для внутреннего объема внешней кольцевой полости, что способствует проникновению стартового электрического поля внутрь внешней полости, удлинению ионизационных путей первичных электронов, усилению стартового пускового тока.

Смежные стенки внутреннего и наружного электродов пускового устройства могут быть выполнены цилиндрическими, благодаря чему, достигается высокая концентрация потоков быстрых электронов на конце упомянутого стержня и, соответственно, высокая интенсивность рентгеновского излучения с его поверхности.

Смежные параллельные стенки внутреннего и наружного электродов пускового устройства могут быть выполнены коническими. При этом, благодаря улучшению условий бомбардировки конца упомянутого стержня быстрыми электронами, увеличивается интенсивность рентгеновского излучения, выходящего через открытый торец внутреннего электрода во внутреннее пространство основного электрода разрядника, что позволяет снизить затраты энергии на его включение.

В тех случаях, когда по схеме источника пусковых импульсов не требуется изолировать кольцевой электрод пускового устройства от основного электрода разрядника его объем может быть частью объема основного электрода, а сам он образован частью стенки пускового электрода разрядника, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию разрядника /за счет исключения из нее одного герметичного металлокерамического ввода/.

На фиг. 1 представляет вариант разрядника, у которого смежные стенки внутреннего и наружного электродов пускового устройства выполнены цилиндрическими.

На фиг. 2 представлен вариант разрядника, у которого смежные стенки внутреннего и наружного электродов выполнены коническими.

На фиг. 3 представлен вариант разрядника, у которого кольцевой полый электрод пускового устройства образован частью стенки основного электрода разрядника.

На фиг. 4 и на фиг. 5 представлены поперечные сечения катодной части разрядника, выполненного по варианту фиг.2, в области расположения электродов пускового устройства.

Разрядник /фиг. 1, 2, 3/ содержит армированный металлом герметичный керамический корпус 1, внутри которого размещены расположенные соосно два основных цилиндрических электрода /анодный 2 и катодный 3/, герметично соединенные с корпусом 1, в смежных торцах которых, выполненных из молибдена, поделаны соосные отверстия 4 диаметром 3-4 мм. Внутрь катодного цилиндрического электрода 3 введено изолированное от него с помощью металлокерамических вводов 5, 6 пусковое устройство, состоящее из внутреннего металлического электрода 7 с открытым торцом, обращенным к отверстиям 4 в основных электродах, и металлического кольцевого полого электрода 8, расположенного снаружи электрода 7. При этом в смежных стенках электродов 7 и 8, пускового устройства выполнено несколько пар ссосных отверстий диаметром 3-4 мм, оси которых с осью симметрии отверстий 4 в основных электродах разрядника в точке А. На закрытом торце внутреннего электрода 7 пускового устройства выполнены радиальные выступы 9, которые через радиальные прорези в наружном кольцевом электроде 8 введены в его объем. Кроме того, на оси внутреннего электрода 7 пускового устройства на торце, имеющем упомянутые выступы, закреплен центральный цилиндрический стержень 10, выполненный из молибдена, свободный конец которого выполнен закругленным. При этом закругленный конец упомянутого стержня смещен в направлении к отверстиям 4 в основных электродах разрядника от упомянутой точки А пересечения осей отверстий 11 в электродах пускового устройства на расстояние меньшее радиуса закругления конца упомянутого стержня.

Металло-керамические вводы 5, 6 служат для подачи высоковольтного поджигающего импульса между электродами пускового устройства от генератора 12. Напротив выступов 9 внутреннего электрода пускового устройства на корпусе катода 3 с его внешней стороны может быть закреплен кольцевой соленоид 13, обтекаемый током, или кольцевой постоянный магнит, намагниченный в направлении оси симметрии разрядника.

Для финишной тремовакуумной обработки и отпайки разрядника в торец основного электрода 2 запаян штенгель 14. В центре упомянутого торца с внутренней стороны закреплен диск 15, выполненный из тугоплавкого металла /молибден, вольфрам/. Натекатель 16 и источник переменного тока 17 предназначены для заполнения разрядника рабочим газом /гелий, водород/, и корректировки давления газовой среды в процессе длительной работы.

Отверстия 18 в основных электродах разрядника выполнены для улучшения условий вентиляции закрытых полостей разрядника в процессе термовакуумной обработки и заполнения газом.

В варианте, представленном на фиг.3, наружный кольцевой электрод 8 пускового устройства разрядника образован цилиндрической металлической перегородкой 19, крышкой 20, частью поверхности несущего катодного фланца 21 и частью внутренней поверхности основного катодного электрода 3.

Разрядник работает следующим образом. После термовакуумной тренировки и обезгаживания штенгельная трубка 14 пережимается. Включается подогреватель натекателя 17 и в объеме разрядника устанавливается давление газа в диапазоне 1,33. 13,3 Па. В исходном состоянии к основным электродам разрядника аноду 2 и катоду 3 приложено напряжение, действующее в коммутируемой цепи, в которую включен разрядник. Включение разрядника происходит при подаче на вводы 5, 6 поджигающего импульса с напряжением несколько киловольт и длительностью несколько десятков наносекунд, так чтобы внутренний электрод пускового устройства 7 имел положительный потенциал относительно наружного кольцевого электрода 8. При этом в первый момент времени возникает первичный объемный разряд между выступами 9 и внутренней поверхностью кольцевого полого электрода пускового устройства. Поскольку упомянутый разрядный промежуток шунтирован псевдоискровым разрядным промежутком, образованным отверстиями 11 в электродах 7 и 8 пускового устройства, имеющим более низкий импеданс, в процессе развития первичного разряда, одновременно происходит перекачка разрядного тока в отверстия 11 этого псевдоискрового разрядного промежутка, что сопровождается возникновением интенсивных электронных пучков с энергией в несколько килоэлектровольт, распространяющихся в радиальном направлении в точке А на оси симметрии пускового устройства. Попадание упомянутых электронных пучков на закругленный конец молибденового стержня, помещенный в упомянутой точке А, сопровождается вспышкой мягкого рентгеновского излучения, которое через открытый торец внутреннего электрода 7, обращенный к основному псевдоискровому разрядному промежутку, образованному отверстиями 4 между электродами 2 и 3, проникает во внутреннее пространство электрода 3, вызывает фотоионизацию в объеме электрода 3 и в отверстиях 4, а также фотоэмиссию с внутренней поверхности электрода 3 в области отверстий 4, что обеспечивает четкое включение разрядника с минимальной временной задержкой относительно момента появления рентгеновского излучения из открытого торца электрода 4 пускового устройства разрядника. Необходимое соотношение импедансов упомянутых промежутков пускового устройства разрядника регулируется величиной магнитного поля, создаваемого катушкой или постоянным магнитом 13, которое имеет величину несколько миллитесла. Диск 15 из тугоплавкого металла предотвращает проплавление анода электронным пучком, кратковременно возникающим в отверстиях 4 основных электродов 2 и 3 при каждом включении коммутируемого тока, которое возможно при длительной, непрерывной работе разрядника.

Поскольку на всех стадиях процесса включения разрядника, а также на стадии прохождения тока в основном промежутке, включенном в коммутируемую цепь, в рабочем объеме реализуются только объемные формы разряда, не сопровождающиеся возникновением катодных пятен, которые является главной причиной быстрого износа электродов и деградации внутренней изоляции, ограничивающих импульсный ресурс разрядника, при использовании описанного технического решения может быть реализован любой, сколь угодно большой срок службы. Увеличение износа электродов прибора при необходимости увеличения токовой нагрузки, может быть скомпенсировано количеством пар отверстий в основных и пусковых электродах разрядника. Возможное уменьшение давления в процессе длительной работы разрядника, вызванное необратимым поглощением и сорбцией атомов газа может быть скомпенсировано периодическим включением нагревательного элемента натекателя газа.

Назначение: изобретение относится к области газоразрядных коммутирующих приборов тиратронного типа низкого давления с холодными катодами. Сущность изобретения: пусковое устройство разводника размещено внутри одного из основных электродов и выполнено в виде изолированного от него и соосного с ним металлического электрода в виде стакана с открытым торцом, обращенным к отверстиям в основных электродах разрядника. Снаружи стакана изолированно от него, размещен металлический полый электрод, внутренняя боковая стенка которого выполнена эквидистантной стенке внутреннего электрода пускового устройства и отстоит от нее на расстоянии нескольких миллиметров. В упомянутых смежных стенках электродов выполнены отверстия, а по оси внутреннего электрода пускового устройства, на его закрытом торце закреплен дополнительно введенный стержень из тугоплавкого металла. Свободный конец стержня выполнен закругленным и смещен в направлении к отверстиям в торцах основных электродов разрядника от точки пересечения осей симметрии отверстий в основных электродах разрядника и осей отверстий в электродах пускового устройства на расстояние, меньшее радиуса закругления конца стержня. Внутренний электрод пускового устройства со стороны закрытого торца снабжен радиальными выступами, которые через прорези, выполненные во внутренней стенке наружного электрода, выдвинуты в его внутреннее пространство. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Псевдоискровой разрядник, содержащий расположенные в герметичном корпусе основные электроды в виде соосных полых цилиндров с соосными отверстиями на смежных торцах и пусковое устройство, размещенное соосно внутри одного из основных электродов, выполненное в виде изолированного от него металлического электрода в форме стакана с открытым торцом, обращенным к отверстиям в основных электродах разрядника, отличающийся тем, что в пусковом устройстве снаружи металлического электрода, изолированного от него, размещен кольцевой металлический полый электрод, внутренняя боковая стенка которого расположена эквидистантно стенке внутреннего металлического электрода на расстоянии нескольких миллиметров, при этом в смежных стенках электродов пускового устройства выполнены соосные отверстия, а на торце внутреннего электрода закреплен центральный стержень из тугоплавкого металла, свободный конец которого выполнен закругленным и смещен в направлении к отверстиям в торцах основных электродов разрядника от точки пересечения оси симметрии отверстий в основных электродах разрядника и осей отверстий в электродах пускового устройства на расстояние, меньшее радиуса закругления конца стержня, кроме того, внутренний электрод со стороны торца снабжен радиальными выступами, которые через прорези, выполненные во внутренней стенке наружного электрода, введены в его объем. 2. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что смежные стенки внутреннего и наружного электродов пускового устройства выполнены цилиндрическими. 3. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что смежные стенки внутреннего и наружного электродов пускового устройства выполнены коническими. 4. Разрядник по пп. 1 3, отличающийся тем, что наружная боковая стенка кольцевого металлического полого электрода образована частью стенки основного электрода разрядника. 5. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что напротив радиальных выступов на внутреннем электроде пускового устройства, на внешней части основного электрода разрядника расположен кольцевой соленоид или кольцевой постоянный магнит, намагниченный в направлении оси симметрии основных электродов.