ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ КОММУТАТОР ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H01T1/20 H01T2/02 H01J17/00 

Изобретение относится к области газоразрядной техники, в частности к быстродействующим управляемым коммутаторам тока с расположением управляющего электрода и электродов, коммутирующих ток в изолированных друг от друга объемах.

Известны газоразрядные коммутаторы тока (тиратроны, таситроны, управляемые разрядники, псевдоискровые разрядники и др.), в которых управляющий электрод находится в одном объеме с катодом и анодом и расположен между ними /1,2,4/. Управление такими приборами осуществляется с помощью подачи импульса напряжения положительной /1/ или отрицательной /2/ полярности на управляющий электрод, который находится в одном объеме с электродами, проводящими ток (катодом и анодом). Для увеличения скорости перевода коммутатора в проводящее состояние используют, например, облучение межэлектродного промежутка ультрафиолетом, лазерным излучением, введением в разрядную камеру ВЧ- или СВЧ-излучений /3/. Перечисленные способы накладывают определенные условия на конструкцию коммутаторов и направлены на увеличение быстродействия коммутирующих приборов, т. к. приводят к практически одновременному образованию заряженных частиц во всем межэлектродном пространстве, но являются достаточно сложными при практической реализации.

Наибольшее распространения получили коммутаторы с расположением управляющего электрода в одном объеме с катодом и анодом (тиратронная конструкция) /1/ и подачей управляющего импульса на управляющий электрод.

Недостатками известных приборов являются:
1. Ограниченная скорость перехода прибора в проводящее состояние, связанная с тем, что образование плазмы происходит последовательно - сначала между катодом и управляющим электродом с дальнейшим переходом разряда на анод. Характерное время перехода в проводящее состояние приборов подобного класса составляет 15-100 нс /4/, что в ряде случаев снижает КПД устройства (например, при малой емкости накопителя энергии, при работе коммутаторов в схемах питания лазеров на самоограниченных переходах и др.).

2. Наличие управляющего электрода в межэлектродном пространстве приводит к дополнительным потерям, к выделению на нем мощности из разряда, что приводит к повышенной эрозии электрода и сокращению срока службы коммутатора.

Данное изобретение направлено на увеличение быстродействия газоразрядного коммутатора тока, уменьшение стартовых потерь, уменьшение тепловой нагрузки на электроды и увеличение временной стабильности параметров коммутатора.

Технический результат достигается за счет введения разделительной перегородки и разделения коммутатора на два объема, в одном из которых располагается управляющий электрод и формируется управляющее воздействие - волна ионизации /5/, а в другом располагаются электроды, коммутирующие ток - катод и анод. Давление в этих объемах может быть различным исходя из оптимальных условий формирования волны ионизации и назначения коммутатора.

Предлагаемый коммутатор показан на фиг. 1. Коммутатор состоит из двух изолированных объемов 1 и 2, первый из которых служит для формирования управляющего воздействия в виде волны ионизации, во втором объеме размещены электроды, коммутирующие электрический ток. Для стабилизации параметров волны ионизации и лучшего согласования генератора управляющих импульсов с первым объемом он окружен металлическим экраном 3, крепящимся на изоляторах 4. Управляющий импульс подается на электрод 5. Протяженность объема 1 должна быть не менее 6 диаметров этого объема, т. к. при этом происходит максимальное обострение градиента потенциала во фронте волны ионизации и формирующийся управляющий импульс имеет максимальную эффективность /6/.

Объемы разделены металлической пластиной (перегородкой) 6, которая разделяет коммутатор по газовому составу, но связывает по электрическому воздействию. Сильноточный разряд формируется между катодом 7 и анодом 8. Объем 1 заполнен неоном до давления 800 - 1100 Па, объем 2 - водородом до давления 50 - 200 Па. В объеме 1 при подаче слаботочного управляющего импульса U_упр отрицательной полярности амплитудой более 5 кВ при длительности переднего фронта менее 50 нс формируется волна ионизации. При перемещении в объеме 1 волны ионизации происходит обострение переднего фронта переносимого тока и градиента потенциала до 2-4 нс. При достижении пластины 6 волна ионизации наводит на ней потенциал U_R2, проникает в объем 2 и через отверстия в катоде в разрядную область между катодом и анодом - замыкает разрядный канал, что приводит к возникновению сильноточного разряда с током 1_н за 2-4 нс.

Один из вариантов включения газоразрядного коммутатора в электрическую цепь для коммутации электрического тока показан на фиг. 2. Электрическая схема включения состоит из генератора управляющих импульсов 9, источника питания 10, зарядного сопротивления R1, накопителя энергии С1, сопротивления в цепи перегородки R2 и нагрузки R3.

На фиг. 3. приведены временные диаграммы, поясняющие работу газоразрядного коммутатора тока: формы управляющего напряжения U_упр, формы напряжения на перегородке U_R2 и тока в нагрузке I_н, изменяющейся во времени t.

Список литературы
1. Ворончев Т.А. Импульсные тиратроны.-М.: Сов. радио. - 1958. -164 с. (прототип).

2. Киселев Ю.В., Черепанов В.П. Искровые разрядники. - М.: "Сов. радио", 1976. - 70 с.

3. Заявка 2.179.492, МКИ H 01 J 17/30, Великобритания, Тиратрон. Изобретение стран мира, 1988, вып. 128, N 2, с. 22, (прототип).

4. Головина Л.С., Полякова А.А. Обзоры по электронной технике. Сер. 4. ЭВ и ГРП. Вып. 1 (345). Водородные тиратроны за рубежом. - М., ЦНИИ "Электроника", 1976. - 37 с.

5. Василяк Л.М., Костюченко С.В., Кудрявцев Н. Н., Филюгин И. В. Высокоскоростные волны ионизации при электрическом пробое // УФН. 1994. Т. 164, N 3. С.263-285.

6. Юдаев Ю. А. Волны ионизации и их использование для управления быстродействующими газоразрядными коммутаторами: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Рязань: РГРТА. 1994. 16 с.

Изобретение относится к области газоразрядной техники и может быть использовано для создания управляемых сильноточных наносекундных коммутаторов тока. Техническим результатом является улучшение временных и энергетических характеристик газоразрядных коммутаторов тока. Это достигается за счет введения металлической перегородки, которая разделяет коммутатор на два объема по газовому составу, но связывает по электрическому воздействию, причем в одном объеме размещены электроды, коммутирующие электрический ток, - катод и анод, в другом объеме, окруженном металлическим экраном, находится управляющий электрод и происходит формирование управляющего воздействия в виде волны ионизации. 3 ил.

Газоразрядный коммутатор тока, содержащий катод, анод и управляющий электрод, отличающийся тем, что в него введена металлическая перегородка, которая разделяет газоразрядный коммутатор тока на два объема по газовому составу, но связывает по электрическому воздействию, причем в одном объеме, заполненном водородом до давления 50 - 200 Па, размещены коммутирующие электрический ток катод и анод, а в другом объеме протяженностью не менее шести диаметров объема, служащем для формирования управляющего воздействия в виде волны ионизации и заполненном неоном до давления 800 - 1100 Па, размещен управляющий электрод.