СПОСОБ ВКЛЮЧЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ТИРИСТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01J17/40 

Изобретение относится к области газоразрядной техники, а более конкретно к управляемым газоразрядным приборам силовой электроники.

На практике довольно широко известен и применяется способ управления током газоразрядного прибора, заключающийся в том, что между положительным и отрицательным электродами прибора прикладывают напряжение, превышающее по величине напряжение зажигания самостоятельного дугового разряда (Калганов И. Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1970).

Недостатками указанного способа являются повышенные затраты энергии (мощности) и снижение надежности ввиду существенной разницы между напряжением зажигания разряда (сотни вольт) и его горения (несколько вольт - десятки вольт), что требует применения специальных мер и схем для снижения пиковых нагрузок в момент поджига разряда. Все это ограничивает возможности плазменных вентилей, особенно в диапазоне повышенных мощностей и напряжений при работе на нагрузку.

Данный способ на практике реализуется в двухэлектродных (диодных) устройствах, содержащих в диэлектрическом корпусе анод и катод, разделенные межэлектродным зазором, заполненным рабочим телом (газ или пары металла). Управление достигается приложением внешнего напряжения к электродам по величине, превышающей напряжение зажигания самостоятельного дугового разряда. Процесс сопровождается колебаниями тока, что отрицательно сказывается на ресурсе устройства и его надежности в связи с перенапряжениями, действующими на диэлектрический корпус (Каганов И.Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1970).

Наиболее близким к заявляемому является способ управления током газоразрядного вентиля, заключающийся в создании в межэлектродном зазоре самостоятельного дугового разряда из тлеющего при постоянном давлении рабочего тела путем приложения между анодом и катодом напряжения, а также положительного потенциала относительно катода на управляющий электрод вентиля (сетку) (Каганов И. Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1970). Способ применяется в таситронах, тиратронах, экзитронах и других типах вентилей. Он отличается достаточно высокой эффективностью, связанной с импульсным характером воздействия на разрядный промежуток, что снижает энергетические затраты на управление прибором (по отношению к мощности по цепи анод-катод величина управляющей на два - три порядка меньше). Однако, наличие электрической связи между цепями управления и силовой накладывает определенные ограничения на органы управления, обусловливает применение элементов защиты по ее цепи управления и т. д. Процесс управления током связан с созданием проводящей плазмы (то есть, ионизацией газа в межэлектродном зазоре управляющим импульсным воздействием, при которой энергия сообщается холодным атомам газа от электронной компоненты посредством соударений). Затраты складываются из затрат на увеличение внутренней энергии атомов и их ионизацию.

Данный способ реализуется в газоразрядном вентиле, содержащем в диэлектрическом корпусе катод, анод и управляющий электрод, разделенные межэлектродным зазором, заполненным рабочим телом, в котором управляющий электрод располагают ближе к катоду. Управление осуществляют путем приложения напряжения к аноду и катоду (не меньше напряжения горения самостоятельного дугового разряда) и между управляющим электродом и катодом подают импульс напряжения (превышающий по величине напряжение зажигания самостоятельного дугового разряда). В результате происходит ионизация части газа в зазоре между катодом и управляющим электродом, которая подхватывается внешним полем между анодом и катодом и способствует развитию и зажиганию самостоятельного дугового разряда (Каганов И. Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1970).

Недостаток указанного способа управления током заключается в увеличении энергетических затрат, обусловленном нагревом и ионизацией холодного газа в межэлектродном зазоре, а также наличием электрической связи основной цепи разряда с управляющей, что снижает надежность.

Недостатком данных устройств является низкая надежность по цепи управляющего электрода, связанная с утечкой основного тока в момент зажигания дугового разряда, а также затраты управляющей энергии на прогрев и ионизацию холодного рабочего тела в катодной области.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности управления и снижение энергетических затрат, что ведет к увеличению эффективности плазменного вентиля.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления током газонаполненного прибора, заключающемся в создании в межэлектродном зазоре самостоятельного дугового разряда из тлеющего при постоянном давлении рабочего тела путем приложения между анодом и катодом напряжения, величину прикладываемого напряжения устанавливают меньше, чем величина напряжения зажигания самостоятельного дугового разряда, при этом нагревают рабочее тело в области "Астонова свечения" ионного слоя тлеющего разряда у отрицательного электрода.

Кроме того, достижение технического результата обеспечивается тем, что в известном газоразрядном приборе, содержащем в диэлектрическом корпусе катод, анод и управляющий электрод, разделенные межэлектродным зазором, заполненным рабочим телом, управляющий электрод располагают у катода на расстоянии нескольких длин перезарядки иона рабочего тела, причем его цепь электрически изолирована от цепи анод - катод.

Поскольку предложенный способ может быть реализован лишь в предлагаемом устройстве, характеризуемом определенными конструктивными признаками, заявленными в ФИ, поэтому оба объекта объединены в группу изобретений, что дает возможность при реализации достичь указанного технического результата.

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Его отличает новая совокупность существенных признаков в отличительной части патентной формулы: величину прикладываемого напряжения устанавливают меньше, чем напряжение зажигания самостоятельного дугового разряда, при этом нагревают рабочее тело в области "Астонова свечения" ионного слоя тлеющего разряда у отрицательного электрода.

При этом новая совокупность признаков в заявляемом устройстве выражается в том, что управляющий электрод располагают у катода на расстоянии нескольких длин перезарядки иона рабочего тела, что обеспечивает подогрев рабочего тела в области "Астонова свечения" при реализации способа. При этом напряжение на электродах устройства устанавливают меньше, чем напряжение зажигания самостоятельного дугового разряда. Новую совокупность признаков устройства дополняет и то, что управляющий электрод не имеет прямой электрической связи с цепью катода и анода, причем сам электрод изолирован электрически от разряда в межэлектродном зазоре. В заявляемом устройстве управляющий электрод приобретает новое качество - становится источником подвода энергии к "Астонову свечению", то есть он может быть выполнен из диэлектрика, прозрачного для электромагнитного излучения (видимого, инфракрасного или иного диапазонов); позволяет транспортировать поток энергии в область "Астонова свечения".

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень". Новая совокупность существенных признаков: а именно - величину прикладываемого напряжения устанавливают меньше, чем напряжение зажигания самостоятельного дугового разряда, при этом нагревают рабочее тело в области "Астонова свечения" ионного слоя тлеющего разряда у отрицательного электрода, дает новый ранее неизвестный эффект - управление осуществляется неэлектрическим путем (отсутствует прямая электрическая связь между основным разрядом и управляющим воздействием, что существенно повышает надежность управления прибором на больших мощностях, где возможны пробои по цепи управления в известных технических решениях), причем воздействие осуществляется достаточно тонко и избирательно - подогревается область "Астонова свечения", где температура атомов рабочего тела уже достигает нескольких тысяч градусов (о чем свидетельствует выход излучения), что повышает экономичность управления разрядом (прибором).

Новая совокупность существенных признаков устройства позволяет реализовать предлагаемый способ управления током: расположение управляющего электрода (источника нагрева рабочего тела) на указанном расстоянии у катода позволяет осуществить зажигание самостоятельного дугового разряда при напряжении, меньшем по величине пробойного (напряжение зажигания самостоятельного дугового разряда) за счет энергетического воздействия на малую часть рабочего тела в межэлектродном зазоре (которое находится в состоянии тлеющего разряда вследствие приложенного напряжения).

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость". Данный способ может применяться в газоразрядной технике при разработке мощных (силовых) вентилей, в элементах автоматики (трансформирование сигнала датчика в электрический для исполнительных органов) и т.д., особенно эффективно в автономных устройствах.

Материалы заявки содержат достаточное и необходимое количество сведений, которые с полной ясностью раскрывают возможность реализации предлагаемого изобретения.

В настоящее время разработана и испытана конструкция образца плазменного тиристора, подтвердившая эффективность управления.

На фиг. 1 приведены распределения потенциала, температуры атомов рабочего тела в межэлектродном зазоре для состояния тлеющего разряда, поясняющие физическую суть предлагаемого способа. На фиг. 2 приведена схема межэлектродного зазора для тлеющего разряда. На фиг. 3 приведены результаты испытаний.

Физическая сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. Ионный слой у отрицательного электрода в тлеющем разряде обладает достаточно высоким сопротивлением - до 10⁵ ... 10⁶ Ом, то есть может быть рассмотрен как диэлектрик в сильном электрическом поле в дрейфовом приближении и описан следующими уравнениями:





или

которые преобразуются с учетом уравнения Пуассона к виду:

или

С учетом (5^*) решение принимает вид:
(8)
где E_A - напряженность поля на отрицательном электроде, d_k - протяженность ионного слоя, n_a - концентрация атомов рабочего тела в зазоре, Q_ia - сечение перезарядки, m_a - масса атома, κ_a - теплопроводность рабочего вещества, к - постоянная Больцмана, e - заряд электрона, ε_o - диэлектрическая постоянная, T_a - температура атомов. Вид распределения дан на фиг. 1.

Характерно, что все изменение поля и потенциала приходится на узкую область ионного слоя - протяженностью (5...7)λ_ia, где сосредоточено "Астоново свечение". В ней же имеет место резкое увеличение температуры рабочего тела в силу.

Таким образом, баланс теплового состояния рабочего тела в "Астоновом свечении" определяет устойчивость тлеющего разряда в целом, а воздействие на эту область может привести к переходу в дуговой разряд.

Реализация предлагаемого способа и работа устройства осуществляется следующим образом.

За счет приложения внешнего напряжения к электродам в тиристоре реализуется тлеющий разряд. При этом межэлектродный зазор газоразрядного тиристора, разрез которого приведен на фиг. 2, a, представляет собой чередование "p" и "n" слоев: положительный электрод - анод (поз. 1) - "p" слой, слой отрицательного объемного заряда (поз.2) - "n" слой, ионный слой (поз. 3) - "p" слой, отрицательный электрод (поз. 4) - "n" слой, то есть аналогична полупроводниковому тиристору. Управляющий электрод (поз. 5) располагается у поверхности катода 4, в области "Астонова свечения" ионного слоя 3. При пропускании через управляющий электрод 5 импульса тока в нем выделяется тепло, которое теплопроводностью передается атомам газа и увеличивает их энергию. Таким образом при определенной величине подводного тепла к области "Астонова свечения" можно осуществить ионизацию и зажечь самостоятельный дуговой разряд в устройстве. Поверхность управляющего электрода покрыта диэлектриком для предотвращения электрической связи между ним и основными электродами устройства. Управление в предлагаемом техническом решении носит схожий характер (воздействие на "p" слой), но в отличие от известных, генерация носителей тока достигается неэлектрическим воздействием и может быть дозировано само воздействие. Источник подвода энергии - управляющий электрод может быть выполнен в виде кольца 5, прозрачного для инфракрасного излучения (в ином конкретном случае, фиг. 2, б), которое подводится в область "Астонова свечения". В этом случае подогрев рабочего тела происходит излучением, транспортируемым извне. При приложении к аноду 1 и катоду 4 напряжения определенной величины можно зажечь самостоятельно дуговой разряд в плазменном тиристоре.

Данный способ регулирования тока проверен экспериментально на паронаполненном приборе (с цезиевым наполнителем). Результаты испытаний приведены на фиг. 3. При регулировании импульса тока, пропускаемого через электрически изолированный, покрытый диэлектриком кольцевой электрод, расположенный у поверхности катода, обеспечивалось зажигание дугового разряда в приборе при разных величинах приложенного напряжения между катодом и анодом, которые меньше величины напряжения пробоя (поджига самостоятельного дугового разряда без дополнительного воздействия). Характерно, что таким образом удается понизить напряжение зажигания почти на порядок. Импульс тока имел длительность 0,05 с, что позволяет поддерживать давление постоянным, поверхность кольцевого электрода составляет около 5% от поверхности катода, то есть локального изменения концентрации пара почти не наблюдается. Так как при малых величинах перегрева кольцевого электрода зажигание дугового разряда происходит при напряжениях U_вкл= 200 ... 250 В, то эмиссионный характер пробоя отсутствует.

Данный способ и устройство существенно расширяют возможности плазменных приборов.

Существо изобретения. Величину напряжения, прикладываемого между анодом и катодом газонаполненного прибора, устанавливают меньше, чем величина напряжения зажигания самостоятельного дугового разряда. Рабочий газ нагревают в области "Астонова свечения" лонного слоя тлеющего разряда у отрицательного электрода. В газонаполненном приборе управляющий электрод располагают у катода на расстоянии нескольких длин перезарядки иона рабочего газа, причем его цепь электрически изолирована от цепи анод - катод. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ включения газонаполненного прибора, при котором создают в межэлектродном зазоре самостоятельный разряд из тлеющего при постоянном давлении рабочего газа (пара) путем приложения между анодом и катодом напряжения, отличающийся тем, что величину прикладываемого напряжения устанавливают меньше, чем величина напряжения зажигания самостоятельного дугового разряда, при этом нагревают рабочий газ (пар) в области "Астонова свечения" ионного слоя тлеющего разряда у отрицательного электрода. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочий газ (пар) нагревают длинноволновым излучением, подводимым в область "Астонова свечения", или теплопроводностью от тела, помещенного в нее. 3. Газонаполненный прибор для осуществления способа по п.1, содержащий в диэлектрическом корпусе катод, анод и управляющий электрод, разделенные межэлектродным зазором, заполненным рабочим газом (паром), отличающийся тем, что управляющий электрод расположен у катода на расстоянии нескольких длин перезарядки иона рабочего газа (пара), причем его цепь электрически изолирована от цепи анод - катод. 4. Газонаполненный прибор по п.3, отличающийся тем, что управляющий электрод покрыт диэлектриком. 5. Газонаполненный прибор по п.3, отличающийся тем, что управляющий электрод выполнен в виде диэлектрического кольца из материала, прозрачного для электромагнитного излучения.