УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПРИБОРА Российский патент 1998 года по МПК H01J17/34 H01J17/40 

Изобретение относится к электронной технике, более конкретно к устройствам питания импульсных высоковольтных приборов с накаливаемыми или холодными катодами, в том числе газоразрядных.

Известно устройство питания импульсного высоковольтного газоразрядного прибора [1] содержащее потенциальный делитель, подключенный между катодом и анодом газоразрядного прибора и состоящий из резисторов, конденсаторов и нескольких разрядников, связывающих градиентные сетки прибора с делителем и шунтированных высокоомными резисторами. Потенциальный делитель обеспечивает равномерное распределение потенциалов на градиентных сетках, а разрядники способствуют повышению скорости выравнивания напряжения и ускорению деионизации высоковольтных промежутков при работе в режимах с отрицательным напряжением на аноде.

Недостатком данного устройства является потребление значительной мощности, чрезмерная сложность и стоимость схемы, состоящей из большого числа высоковольтных резисторов, конденсаторов, диодов и недолговечных элементов - искровых разрядников, обычно выдерживающих не более 10⁶ срабатываний. Кроме того, устройство обеспечивает ускорение деионизации высоковольтных промежутков только при наличие отрицательной полярности напряжения анода.

Известно также устройство питания многосеточного тиратрона [2] имеющего хотя бы одну пару сеток, находящихся под разными потенциалами. Напряжение питания на такую пару сеток подают таким образом, чтобы ближайший к аноду электрод этой или каждой пары сеток являлся отрицательным по отношению к ближайшему к катоду электроду. Напряжение на пару сеток подается с конденсатора, который заряжается от анодного источника с делителя, состоящего либо из высоковольтных конденсаторов, либо с обычного делителя напряжения, устанавливающего напряжение пары сеток. Данное устройство несколько проще первого, однако использование высоковольтных конденсаторов с рабочим напряжением до значения анодного напряжения тиратрона сильно увеличивает его габариты, а энергия, запасенная в этих конденсаторах, выделяясь в послеразрядный период в тиратронах, нагружает тиратрон ненужной мощностью. Так, при емкости этих конденсаторов 20 пФ и анодном напряжении 100 кВ в тиратроне на рабочей частоте 1 кГц дополнительно выделяется мощность
CU²f/2 20•10^-12•10¹⁰•10³/2 - 100 Вт.

Наиболее близким устройством является устройство питания импульсного высоковольтного тиратрона, взятое в качестве прототипа изобретения, содержащее схемы питания высоковольтных и вспомогательных электродов с помешаю делителя напряжения, составленного из цепочек резисторов и конденсаторов [3] В данном случае высоковольтными электродами являются анод и катод прибора, а вспомогательными градиентные электроды, делящие разрядный объем тиратрона на ряд промежутков, в число которых могут входить как короткие (КП), выполняющие основную функцию деления полного напряжения прибора, так и промежутки с пространством дрейфа (ППД), Назначение ППД обеспечение сочетания размеров коротких промежутков, обычно составляющих 2 4 мм, с размерами секций изоляторов (секций оболочки приборов), которые должны обеспечивать злектропрочность каждой секции при работе ее снаружи прибора в воздушной среде или среде жидкого диэлектрика. Электропрочность наружной изоляции существенно ниже, чем злектропрочность газа, заполняющего КП, и поэтому размеры этих секций намного больше, чем размеры КП. ППД таким образом компенсирует разницу между размерами секций изоляторов и размерами КП, обеспечивая возможность реализации данной конструкции прибора.

Известный способ питания электродов в многосекционных приборах является по существу способом пассивного деления напряжения между секциями с помощью высоковольтного резистивного делителя напряжения или делителя, имеющего резистивно-емкостные элементы, распределяющие анодное напряжение прибора равномерно по высоковольтным секциям.

Пассивный способ применен и для борьбы с эрозией приемной поверхности анода. Особенно сильно это явление влияет на срок службы приборов, работающих в режимах с коммутацией коротких длительностей тока с крутизной переднего фронта свыше 10¹⁰ А/с. При этом энергия бомбардирующих анод электронов во время развития разряда, т.е. на фронте импульса может достигать значений в десятки кэВ, что при токах, обычных для режимов эксимерных лазеров порядка нескольких тысяч или десятков тысяч ампер, вызывает локальный нагрев, испарение материала анода, вплоть до прожигания сквозного отверстия в нем, приводящего к потере герметичности и выходу прибора из строя. До настоящего времени с этим явлением в большинстве конструкций тиратронов боролись посредством применения вкладышей из тугоплавких материалов, помещаемых на аноде в месте падения электронного пучка, что обеспечивает в течение до 10⁸ импульсов защиту анода от прожига при токах в импульсе до 10 кА. В то же время сильный нагрев анодной поверхности в месте бомбардировки отрицательно влияет на многие характеристики прибора, так как повышает газоотделение в рабочий объем, а наличие разогретого до температуры плавления вольфрама или молибдена пятна, являющегося эффективным эмиттером, увеличивает время восстановления электрической прочности, т.е. снижает частотные свойства прибора. При токах же больших 10 кА и анодных напряжениях свыше 25 кВ использование тугоплавких материалов не обеспечивает защиты анода даже на срок до 10⁷ импульсов.

К недостаткам известного устройства питания относятся:
напряжение питания высоковольтных электродов вследствие того, что делитель подключается параллельно прибору, сразу же после его срабатывания становится довольно малой величины (±100 В, т.е. между секциями прибора с четырьмя высоковольтными промежутками не более 0 25 В) и нарастает синхронно с ростом анодного напряжения. В то же время для обеспечения быстрой деионизации в послеразрядный период, особенно деионизации пространства дрейфа, т.е. быстрому восстановлению его первоначальной электрической прочности, что необходимо для повышения рабочих частот, требуется приложение между секциями достаточно большого (200 300)В "рассасывающего" напряжения сразу же после прохождения импульса тока или еще во время спада импульса тока;
наличие громоздкого делителя напряжения, потребляющего сотни ватт мощности (токи в делителе 1 30 мА при напряжениях от 30 до 250 кВ);
невозможность динамичного регулирования уровня напряжения на электродах в процессе импульсной работы приборов, как для эффективного ускорения деионизации и, что также весьма важно, для подавления процессов эрозии анода, резко снижающей долговечность. Эти процессы особенно интенсивны в приборах, работающих в режимах с наносекундной и субмикросекундной длительностью импульсов тока.

Задачей изобретения является создание устройства, динамично регулирующего уровень питающих напряжений на электродах высоковольтного импульсного прибора для обеспечения повышения рабочих частот коммутируемого прибором тока, увеличения долговечности прибора, а также уменьшение потребления энергии питания электродной системы прибора.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве питания импульсного высоковольтного прибора, например газоразрядного, питание высоковольтных и вспомогательных электродов осуществляется от коаксиально относительно прибора расположенных одной или нескольких вторичных обмоток трансформатора, нагруженных на пары смежных электродов прибора, при этом первичной обмоткой трансформатора служит анодная цепь прибора.

Другим отличием является то, что в схемы питания смежных электродов включена интегрирующая цепочка.

Следующим отличием является то, что в схемы питания смежных электродов включен выпрямитель.

Еще одним отличием является использование в качестве емкости интегрирующей цепочки схемы питания электродов, например анода и смежного с ним вспомогательного электрода, паразитной емкости прибора и схемы.

При проведении анализа уровня техники не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а сравнение предлагаемого решения с наиболее близким по совокупности признаков аналогом позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Анализ источников информации показал, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, в которых отличительные признаки заявляемого изобретения обеспечивали бы достижение того же технического результата. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На Фиг. 1 показана конструкция секционированного коммутатора и принципиальная электрическая схема устройства питания его высоковольтных электродов; на фиг. 2 другой вариант предлагаемого устройства.

Устройство питания импульсного высоковольтного прибора 1 содержит схемы питания: высоковольтных (анод 2 и катод 3) от источника анодного напряжения U_а и вспомогательных (4, 5, 6, 7, 8) электродов от коаксиально расположенной вторичной обмотки 9 из изолированного медного провода, намотанного на ферритовый сердечник 10, которая надевается на корпус прибора 1 вблизи от выводов электродов, в данном случае электродов ППД 5 и 6. На каркасе обмотки 9 смонтирована схема выпрямителя D с интегрирующей цепочкой, состоящей из конденсатора C и резистора R. Вывод устройства питания отрицательной полярности подключается к ближайшему к аноду 2 электроду ППД 5, а положительной полярности к смежному с ним ближайшему к катоду 3 электроду ППД 6. Электроды 2, 4 и 5, а также 6, 7 и 8 образуют между собой короткие межэлектродные промежутки, а 5 и 6 промежутки с пространством дрейфа 11. Устройство может также включать (Фиг. 2) вспомогательный электрод 12 с выводом 13, на котором размещены вторичные обмотки Т 1 и Т 2 трансформатора. Вторичная обмотка Т 3 трансформатора расположена аналогично фиг. 1, 14 электронный пучок, 15 диод, 16 изолятор, отделяющий анод 2 от вспомогательного электрода 12.

Устройство работает следующим образом. В статическом состоянии потенциалы катода 3 и соединенного с ним через резистор R_g электрода 8 одинаковы. На высоковольтные электроды анод 2 и катод 3 подается напряжение питания U_а. При этом за счет токов утечки и межэлектродных емкостей в статическом состоянии устанавливается равномерное распределение потенциалов между электродами коротких промежутков. Потенциалы электродов ППД, соединенных между собой через обмотку 9 и диод D, приблизительно равны. Включение прибора происходит при подаче управляющего импульса напряжения U_tr на электрод 8. При этом в приборе происходит пробой всех межэлектродных промежутков и начинает идти ток на анод 2.

При прохождении импульса анодного тока на обмотки 9 возникает индуцированное напряжение, которое подается через выпрямитель D, конденсатор C и резистор R на электроды ППД 5 и 6. Это напряжение достигает максимального значения ко времени окончания импульса тока, заряжающего конденсатор C, и остается некоторое время, зависящее от выбора параметров R и C, на электродах ППД. Величина напряжения на ППД в период между импульсами также в зависимости от выбора значений R и C устанавливается на уровне ниже напряжения поддержания горения разряда, с полярностью минус на электроде 5, относительно электрода 6. Все это способствует распаду плазмы в объеме ППД и запиранию ППД в период непосредственно после прохождения импульса тока, т.е. быстрому восстановлению электрической прочности прибора и поддержанию ее в остальное время.

Поскольку проблем с электропрочностью импульсных трансформаторов тока не существует, данный способ позволяет обеспечить питание любого количества секций и под любым потенциалом за счет включения к электродам ППД соответствующего количества импульсных трансформаторов тока (например, см. фиг. 2). В отличие от известного данное устройство является "активным" источником, так как напряжение питания электродов зависит от динамики изменения тока,проходящего через прибор, и увеличивается при увеличении амплитуды и крутизны фронта импульса тока. Устройство таким образом автоматически компенсирует изменение плотности заряженных частиц при изменении режимов работы прибора, что способствует сохранению его электрической прочности и частотных свойств. При необходимости может быть применено ограничение напряжения на ППД посредством включения в схему стабилитронов.

Заявляемая схема источника питания эффективно работает и в режимах с коммутацией коротких длительностей тока с крутизной переднего фронта свыше 10¹⁰ А/с. За счет применения "активного" источника можно эффективно снизить эрозию поверхности анода, подавая между анодом и вспомогательным, смежным с анодом электродом напряжение с полярностью, тормозящим электронный пучок, бомбардирующий анод.

Вариант такого использования изобретения показан на Фиг. 2.

Конструкция прибора и схема питания электродов ППД и высоковольтных электродов 2 и 3 в принципе аналогична схеме, показанной на фиг. 1. С помощью обмотки Т 1 осуществляется питание межэлектродного пространства между анодом 2 и вспомогательным электродом (ВЭ) 12, разделенных изолятором 16, в послеразрядный период, обеспечивающее быструю его деионизацию. Отличие состоит в том, что анод 2 и вспомогательный электрод 12 запитаны также и от еще одного "активного" источника,состоящего из вторичной обмотки трансформатора Т 2 (первичной обмоткой, как и на фиг. 1 служит цепь тока анода). Причем в качестве емкости в данном случае используется паразитная емкость прибора и схемы (на фиг. 2 не показана), что определяет минимальную инерционность срабатывания этого источника питания. Диод 15 служит для того, чтобы емкость C 1 не разряжалась через обмотку Т 2. Обмотки Т 1 и Т 2 расположены на выводе 13 вспомогательного электрода 12.

Устройство работает следующим образом. При включении прибора с катода эмитируется электронный пучок 14. При прохождении импульса тока этого пучка на обмотках Т 1 и Т 2 возникают индуцированные напряжения, которые подаются на анод 2 и вспомогательный электрод (ВЭ) 12 в полярности (минус на ВЭ), тормозящей влетевшие в пространство между ними электроны. Напряжение, снимаемое с Т2, достигает максимального значения на фронте импульса тока за время "тау" порядка единиц наносекунд. Таким образом, при длительности фронта импульса тока до 100 нс, характерной для режимов эксимерных лазеров,между анодом и ВЭ появится напряжение (до нескольких десятков киловольт), достаточное для торможения электронного пучка уже на начальной стадии развития разряда. После окончания импульса тока анода, за счет напряжения, накопленного на C1, в пространстве между анодом 2 и ВЭ 12 происходит интенсивная деионизация, быстро восстанавливающая электропрочность прибора. Обмотка Т3, как и на фиг. 1, совместно с интегрирующей цепочкой C2 R2 и диодным мостом D2 служит для обеспечения деионизации дрейфового пространства ВЭ 5 и 6.

Применение схемы питания с активным источником позволяет за счет торможения электронов уменьшить выделяющуюся на аноде мощность, существенно повысить срок службы и повысить частотные свойства прибора.

Если мощность выделяется в основном только на переднем фронте или только на спаде импульса тока, возможно достичь желаемого результата за счет простой фазировки напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора, т. е. подавая его таким образом, что во время, соответствующее прохождению фронта (спада) импульса анодного тока в приборе, на анод подается отрицательная полярность напряжения относительно вспомогательного электрода.

Если же мощность выделяется как на фронте, так и на спаде импульса тока, то необходимо применить схему источника питания смежных анода 2 и вспомогательного электрода (ВЭ) 12 с выпрямителем, с которого напряжение в отрицательной относительно анода полярности подается на ВЭ.

В тиратронах такое включение изолированных друг от друга смежных анода и вспомогательного электрода при подаче на них высоких импульсных напряжений, возникающих на обмотке трансформатора за счет индуктивной связи с током анода, позволяет:
используя более эффективное торможение электронов в течение длительности переднего фронта импульса тока, снизить эрозию поверхности анода;
после прохождения импульса тока анода, за счет оставшегося на емкости C1 напряжения обеспечить быструю деионизацию пространства между анодом и смежным с ним вспомогательным электродом;
за счет ограничения с помощью резистора R1 тока, идущего на поверхность анода 2, по постоянному напряжению имеющего одинаковый потенциал с ВЭ 12, существенно уменьшить эрозию его поверхности, обращенной к КП с более высоким уровнем рабочего напряжения, который весьма чувствителен к изменению своих размеров (т.к. работает на круто спадающей ветви кривой Пашена). Важно также, что в случае работы прибора в колебательном режиме токопрохождения (например, на низкоимпедансную нагрузку, характерную для лазеров, электрофильтров со стриммерной короной и пр.), эрозия уменьшается как в прямых, так и обратных полупериодах тока. Отметим, что во время обратной полуволны тока эрозия обусловлена не электронной бомбардировкой, а совершенно иным физическим процессом возникновением взрывной эмиссии и катодных пятен на поверхности анода. Поэтому использование за счет предлагаемой схемы в качестве токоприемного (в положительном полупериоде) и эмиттирующего (в отрицательном полупериоде) электрода ВЭ 12, разделенного от анода 2 пространством дрейфа и одной из секций 16 изолирующей оболочки, позволяет существенно повысить срок службы прибора.

Предлагаемое устройство позволяет устранить основные недостатки известного устройства питания электродов тиратронов, так как оно практически не потребляет энергию в период между импульсами анодного тока, а, обеспечивая появление напряжения на электродах прибора, каждый раз при прохождении импульса тока и его наличие непосредственно в течение достаточного времени в послеразрядный период позволяет ускорить деионизацию межэлектродного пространства, что особенно важно для промежутков с большими размерами, таких как ППД (которым является и пространство между анодом и смежным с ним вспомогательным электродом в так называемых полых анодах), существенно повысить значения рабочих частот прибора, а также снизить эрозию токоприемной поверхности анода.

В некоторых случаях питание электродов ППД с помощью трансформатора тока может сочетаться с известным способом питания, используя резистивно-емкостной делитель. При этом сохраняется эффект, получаемый за счет ускорения деионизации ППД.

Существенный эффект от данного изобретения наблюдается как при питании анодной цепи прибора от источника постоянного напряжения, так и при импульсном питании.

Предлагаемое устройство было использовано для питания секционированного тиратрона с холодным катодом,работающим при импульсном напряжении (100 кВ, с длительностью 40 мкс) питания анода и импульсном токе в нагрузке R_а до 10000 А с длительностью 300 нс. Тиратрон имеет четыре коротких и два межэлектродных промежутка с пространством дрейфа, питающийся от трех "активных" источников, как показано на фиг.2. На коротких промежутках напряжение устанавливается (распределяется) автоматически за счет токов утечки (в случае питания прибора от источника постоянного напряжения) или за счет емкостного деления на межэлектродных емкостях (в случае питания от импульсного источника). Параметры вторичных обмоток трансформаторов: Т1 внутренний диаметр 28 мм, Т2 и Т3 внутренний диаметр 85 мм, длина каркаса обмоток 15 мм, количество витков повода МГТФЛ у Т1 и Т3 50 витков, у Т2 100 витков. В схеме использован диоды типа КД-213, конденсаторы C1 и C2 МБМ 2 мкФ, резисторы R1 и R2 МЛТ-2 9,1 кОм. Тиратрон для сравнения испытывался и в схеме с известным способом питания электродов посредством резистивного делителя напряжения из четырех резисторов типа КЭВ-60 по 7 МОм и двух резисторов МЛТ-2 по 470 0м, подключенных от одной точки основного делителя из резисторов КЭВ к электродам ППД. В этом случае мощность, потребляемая делителем напряжения, была около 300 Вт, максимальная рабочая частота, достигнутая прибором, составила 470 Гц, а наработка в данном режиме 1,8•10⁷ импульсов, после чего прибор вышел из строя из-за прожига анода. В схеме питания по предлагаемому способу мощность, потребляемая для питания ППД, составила менее 8 Вт, рабочая частота 800 Гц, а наработка составила в данном режиме 10⁸ импульсов без деградации каких-либо параметров прибора.

Таким образом, предлагаемое устройство питания электродов секционированного газоразрядного прибора позволяет получить существенные преимущества перед известным способом -уменьшить потребляемую мощность, снизить эрозию анода и повысить частотные параметры прибора, что весьма важно для различных областей применения.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Существо изобретения: в устройстве питания импульсного высоковольтного прибора, например газоразрядного, питание высоковольтных и вспомогательных электродов осуществляется от коаксиально относительно прибора расположенных одной или нескольких вторичных обмоток трансформатора, нагруженных на пары смежных электродов прибора, при этом первичной обмоткой трансформатора служит анодная цепь прибора. Другим отличием является то, что в схемы питания смежных электродов включена интегрирующая цепочка. Следующим отличием является то, что в схемы питания смежных электродов включен выпрямитель. Еще одним отличием является использование в качестве емкости интегрирующей цепочки схемы питания электродов, например анода и смежного с ним вспомогательного электрода, паразитной емкости прибора и схемы. 3 з.п.ф-лы,2 ил.

1. Устройство питания импульсного высоковольтного прибора, например газоразрядного, содержащее схемы питания высоковольтных и вспомогательных электродов, отличающееся тем, что коаксиально прибору расположены нагруженные на пары его смежных электродов одна или несколько вторичных обмоток трансформатора, при этом витком первичной обмотки трансформатора служит анодная цепь прибора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в схемы питания электродов включена интегрирующая цепочка. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в схемы питания электродов включен выпрямитель. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве емкости интегрирующей цепочки схемы питания электродов, например анода и смежного с ним вспомогательного электрода, используется паразитная емкость прибора и схемы.