ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЙ РАЗРЯДНИК Российский патент 2003 года по МПК H01T1/00 

Изобретение относится к области импульсной техники и предназначено для формирования высоковольтных сильноточных наносекундных импульсов напряжения, используемых в основном для электропитания сильноточных импульсных электрофизических устройства, например ускорителей заряженных частиц.

Известен трехэлектродный разрядник с кольцевыми электродами (М.В. Бабыкин и др., Долговечные малоиндуктивные разрядники с непрерывным потоком газа, Приборы и техника эксперимента, 1974, 2, стр. 105-107, рис.1). Разрядник включает размещенные на его цилиндрическом диэлектрическом корпусе соосно друг другу первый и второй основные электроды с осевыми отверстиями, снабженные электрическими выводами и закрепленные неподвижно относительно диэлектрического корпуса разрядника, и расположенный между основными электродами соосно им промежуточный (в данном случае поджигающий) электрод, закрепленный на диэлектрической втулке между двух ее конусообразных частей. Первый и второй концы диэлектрической втулки, соответствующие максимальным диаметрам конусообразных частей, размещены в сквозных осевых отверстиях соответственно первого и второго основных электродов. В разряднике также имеются съемные первый и второй металлические торцевые элементы в форме дисков, соответствующие первому и второму основным электродам, и электрически соединенный с промежуточным электродом стержень, пропущенный через осевые отверстия в частях диэлектрической втулки и торцевых элементах. Первый и второй концы стержня выступают наружу из торцевых элементов корпуса разрядника. Стержень выполняет функцию электрического вывода промежуточного электрода, с помощью стержня осуществляется закрепление разъемной конструкции разрядника путем использования резьбовых соединений торцевых элементов с концами стержня.

В указанном разборном разряднике имеется возможность изменения величины разрядных промежутков между электродами путем использования при его сборке диэлектрических деталей (корпус, конусообразные части втулки) с различными размерами. Недостатком разрядника-прототипа является отсутствие возможности регулировки величины разрядных промежутков без разборки разрядника.

Прототипом предложенного технического решения является трехэлектродный разрядник с кольцевыми электродами, включающий размещенные в его корпусе соосно друг другу первый и второй основные электроды с осевыми отверстиями, снабженные электрическими выводами, причем первый основной электрод установлен с возможностью перемещения относительно корпуса разрядника вдоль его оси, для чего взаимодействует со стержнем, выходящим за пределы корпуса разрядника (в данном случае жестко закреплен на этом трубчатом стержне), второй основной электрод жестко закреплен в корпусе разрядника, а расположенный между основными электродами соосно им промежуточный электрод имеет возможность перемещения относительно основных электродов вдоль оси разрядника и закреплен на диэлектрической втулке, первый конец которой размещен в осевом отверстии первого основного электрода, а другой конец выступает за пределы корпуса разрядника (а.с. СССР 1510655, Н 01 Т 1/00. oпубл. 20.02.95 г.).

Конструкция указанного разрядника обеспечивает возможность регулировки величины разрядных промежутков между электродами без разборки разрядника. Недостатком является сложность регулировки, так как при необходимости выдерживания требуемого соотношения между величинами изменяемых разрядных промежутков (первый основной электрод - промежуточный электрод, второй основной электрод - промежуточный электрод) требуется раздельно перемещать с помощью стержня и диэлектрической втулки два электрода - первый основной и промежуточный.

Задачей изобретения является обеспечение возможности согласованной регулировки величины обоих разрядных промежутков между электродами в процессе работы разрядника.

Для решения поставленной задачи в трехэлектродный разрядник, включающий размещенные в его корпусе соосно друг другу первый и второй основные электроды с осевыми отверстиями, снабженные электрическими выводами, причем первый основной электрод установлен с возможностью перемещения относительно корпуса разрядника вдоль его оси, для чего взаимодействует со стержнем, выходящим за пределы корпуса разрядника, а расположенный между основными электродами соосно им промежуточный электрод имеет возможность перемещения относительно основных электродов вдоль оси разрядника и закреплен на диэлектрической втулке, первый конец которой размещен в осевом отверстии первого основного электрода, введены две пружины, оба осевых отверстия в основных электродах выполнены глухими, промежуточный электрод закреплен в средней части диэлектрической втулки, второй конец этой втулки размещен в глухом осевом отверстии второго основного электрода, а каждая из указанных пружин размещена в глухом осевом отверстии одного из основных электродов между дном этого глухого отверстия и соответствующим концом диэлектрической втулки.

Трехэлектродный разрядник отличается также тем, что обе пружины имеют одинаковые упругие свойства.

Трехэлектродный разрядник отличается еще и тем, что пружины имеют разные упругие свойства или разные длины.

Кроме того, трехэлектродный разрядник отличается тем, что корпус разрядника выполнен из электропроводящего материала, второй основной электрод изолирован от корпуса разрядника, а стержень выполнен с возможностью осуществления им функции соединенного электрически с корпусом разрядника или изолированного от него электрического вывода первого основного электрода.

Далее, трехэлектродный разрядник отличается тем, что корпус разрядника выполнен из электропроводящего материала, второй основной электрод и корпус разрядника имеют электрический контакт между собой, например, выполнены в виде единого целого из электропроводящего материала, выполняющего функцию электрического вывода указанного электрода, а стержень выполнен с возможностью осуществления им функции изолированного от корпуса разрядника электрического вывода первого основного электрода.

Наконец, трехэлектродный разрядник отличается тем, что корпус разрядника выполнен из диэлектрического материала.

Введение в трехэлектродный разрядник по прототипу двух пружин и размещение каждой из них между концом диэлектрической втулки и дном глухого отверстия в соответствующем основном электроде обеспечивают получение нового технического результата - возможность согласованной регулировки величины обоих разрядных промежутков между электродами в процессе работы разрядника. Это упрощает регулировку величин разрядных промежутков разрядника, повышает удобство его эксплуатации.

Использование пружин с одинаковыми или разными упругими свойствами, а также с разными длинами обеспечивает либо постоянство, либо соответствующее изменение соотношения величин разрядных промежутков при их регулировке.

Выполнение корпуса разрядника из электропроводящего материала и изолирование от него первого или второго основного электрода и/или стержня, а также выполнение корпуса разрядника из диэлектрического материала являются вариантами выполнения конструкции разрядника для различных его применений, что расширяет область использования разрядника.

Изобретение поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид трехэлектродного разрядника цилиндрической формы с кольцевыми электродами в разрезе;
фиг. 2 - вариант выполнения трехэлектродного разрядника с разными по величине разрядными промежутками.

Представленный на фиг. 1 трехэлектродный разрядник с кольцевыми электродами содержит металлический цилиндрический корпус 1 с осью 2 и расположенные соосно друг другу (в данной конструкции и концентрично с корпусом разрядника) первый основной электрод 3 и второй основной электрод 4.

Второй основной электрод 4 состоит из кольцевой рабочей части 5, с помощью резьбового соединения 6 установленной на металлическом коническом держателе 7 этого электрода, который, в свою очередь, с помощью диэлектрической вставки 8 закреплен в круглом металлическом торцевом элементе (крышке) 9, соединенном с корпусом 1 болтами 10. Конический держатель 7 электрода 4 выступает за пределы торцевого элемента 9 корпуса 1 и имеет резьбовое соединение 11, являющееся выводом второго основного электрода 4. В глухом торцевом отверстии 12 электрода 4 расположена пружина 13, размещенная между дном 14 глухого отверстия 12 и расположенным в глухом отверстии 12 концом 15 диэлектрической втулки 16. На диэлектрической втулке 16 закреплен промежуточный электрод 17. Промежуточный электрод 17 состоит из двух симметричных одинаковых половин (частей), соединенных друг с другом, например, с помощью заклепок (на чертеже не показаны).

Первый основной электрод 3 также имеет рабочую часть 18, которая также с помощью резьбового соединения установлена на металлическом коническом держателе 19 этого электрода 3. В глухом торцевом отверстии 20 электрода 3 расположена пружина 21, размещенная между дном 22 глухого отверстия 20 и расположенным в глухом отверстии 20 концом 23 диэлектрической втулки 16. В коническом держателе 19 первого основного электрода 3, вдоль его оси 2, со стороны, противоположной дну 22 глухого отверстия 20 с пружиной 21, выполнено цилиндрическое отверстие 24, в котором размещен одним концом металлический цилиндрический вкладыш 25. Другой конец цилиндрического вкладыша 25 размещен в соответствующем цилиндрическом отверстии 26 металлического резьбового вкладыша 27, проходящего через металлический торцевой элемент 28 корпуса 1 и выступающего за пределы этого торцевого элемента. Выступающий за пределы торцевого элемента 28 конец резьбового вкладыша 27 выполнен в виде гайки 29. Торцевой элемент 28 закреплен на корпусе 1 болтами 30.

Резьбовой вкладыш 27 и цилиндрический вкладыш 25 образуют стержень 31, предназначенный для перемещения первого основного электрода 3 относительно корпуса 1 и второго основного электрода 4 и промежуточного электрода 17. В данном случае стержень 31 играет также роль электрического вывода основного электрода 3, соединяющего этот электрод с корпусом 1. Резьбовой вкладыш 27 при вращении его относительно резьбовой втулки 33 имеет возможность соответствующего перемещения по резьбе вдоль оси 2 разрядника. Цилиндрический вкладыш 25, взаимодействуя с резьбовым вкладышем 27 и держателем 19, обеспечивает передачу перемещения вкладыша 27 на первый основной электрод 3 и сжатие пружин 13, 21 при вращении вкладыша 27 в одну из сторон. При вращении вкладыша 27 в другую сторону вкладыш 25 обеспечивает ограничение перемещения в обратном направлении первого основного электрода 3 под действием разжимающихся пружин 13, 21. При вращении резьбового вкладыша 27 цилиндрический вкладыш 25 также может проворачиваться за счет сил трения между поверхностями вкладыша 27 и вкладыша 25. Для исключения вращения цилиндрического вкладыша 25 может быть установлена шпонка в отверстии 24 держателя 19 (на чертежах не показано). Величина перемещения резьбового вкладыша 27 и, соответственно, величина изменения разрядных промежутков контролируется с помощью нониусного приспособления, установленного на выступающем из торцевого элемента 28 конце резьбового вкладыша 27 (на чертежах не показано). При необходимости цилиндрический вкладыш 25 может отсутствовать как отдельный элемент в конструкции разрядника. Тогда цилиндрический вкладыш 25 и резьбовой вкладыш 27 представляют собой стержень 31 как единое целое. В этом случае в отверстие 24 держателя 19 вставлен соответствующей формы конец резьбового вкладыша (на чертежах не показано).

Резьбовой вкладыш 27 закреплен в торцевом элементе 28 корпуса 1 с помощью герметизированного резьбового узла 32. Узел 32 содержит резьбовую втулку 33, ввернутую в торцевой элемент 28 и закрепленную на нем гайкой 34. В резьбовую втулку 33 ввернут резьбовой вкладыш 27. Соприкасающиеся поверхности торцевого элемента 28 и резьбовой втулки 33, прижатые друг к другу гайкой 34, герметизированы с помощью расположенного между ними кольцевого уплотнения 35. Соприкасающиеся поверхности резьбовой втулки 33 и резьбового вкладыша 27 герметизированы кольцевым уплотнением 36, прижатым с помощью кольца 37 и гайки 38.

Для обеспечения герметичности внутреннего пространства 39 корпуса 1 разрядника используются уплотнения 40, 41 между корпусом 1 и торцевыми элементами 28, 9. Необходимый электрический контакт между основными электродами 3, 4 и их коническими держателями 6, 10 обеспечивается с помощью медных прокладок 42. Торцевой элемент 9 имеет кольцевой формы прилив 43 с отверстиями для соединения, например, с корпусом коаксиальной формирующей линии при использовании разрядника в качестве коммутатора соответствующего импульсного источника питания.

Соотношение между собой величин разрядных промежутков между электродами 3-17 и 4-17 определяется взаимным размещением промежуточного электрода 17 относительно основных электродов 3, 4. Взаимное размещение электродов на фиг. 1 соответствует равенству между собой величин разрядных промежутков между промежуточным (17) и каждым из основных (3, 4) электродов. На фиг.2 показано взаимное положение электродов, при котором разрядный промежуток между промежуточным электродом 17 и первым основным электродом 3 больше разрядного промежутка между промежуточным электродом 17 и вторым основным электродом 4.

При необходимости формы рабочих поверхностей электродов 3, 4, 17 разрядника могут быть другими (на чертежах не показано). Например, рабочие части электродов могут иметь в поперечном сечении форму треугольника, а в плоскости, перпендикулярной оси 2 разрядника, электроды могут иметь прямоугольную форму. Держатели 7, 19 основных электродов 3, 4 могут иметь цилиндрическую или другую форму; корпус 1 разрядника может быть выполнен коническим, овальным или, например, в виде шара или прямоугольника. Основной электрод 3 может быть электрически изолирован от металлического торцевого элемента 28 (и от металлического корпуса 1 разрядника), например, при использовании разрядника в качестве промежуточного коммутатора на высоковольтном конце коаксиальной формирующей линии (на чертежах не показано). Для использования стержня 31 в качестве электрического вывода изолированного от корпуса 1 основного электрода 3 торцевой элемент 28 может быть выполнен из диэлектрического материала. Цилиндрический вкладыш 25 может быть выполнен из диэлектрического материала, а электрический вывод первого основного электрода 3 может быть выполнен гибким и пропущен через корпус 1 через вставку из диэлектрического материала (на чертежах не показано). Корпус 1 разрядника также может быть выполнен из диэлектрического материала. В качестве диэлектрического материала может быть использован фторопласт.

При использовании предложенного трехэлектродного разрядника в качестве коммутатора тока в источнике высоковольтных импульсов с коаксиальной формирующей линией, совмещенной с трансформатором Тесла (см., например, патент РФ 2111607, Н 03 К 3/53, опубл. 20.05.1998 г., фиг.3), роль держателя 19 первого основного электрода 3 может выполнять внутренний проводник указанной линии, с которым будет взаимодействовать цилиндрический вкладыш 25 или непосредственно резьбовой вкладыш 27 (на чертежах не показано).

При сборке разрядника (фиг.1) на закрепленный в торцевом элементе 9 держатель 7 основного электрода 4 навинчивают его рабочую часть 5 и соединяют торцевой элемент 9 болтами 10 с корпусом 1 разрядника. В глухое отверстие электрода 4 вставляют пружину 13 и один из концов диэлектрической втулки 16 с установленным на ней промежуточным электродом 17. Навинчивают рабочую часть 18 основного электрода 4 на его держатель 19, вставляют в глухое отверстие этого электрода пружину 21 и надвигают этот электрод указанным отверстием на свободный конец диэлектрической втулки 16. В отверстие 24 держателя 19 электрода 3 вставляют цилиндрический вкладыш 25. На торцевом элементе 28 корпуса 1 собирают резьбовой узел 32, для чего в торцевой элемент 28 вворачивают резьбовое кольцо 33 с уплотняющим кольцом 35 и закрепляют его гайкой 34. В резьбовое кольцо 33 вворачивают резьбовой вкладыш 27, вставляют уплотнительное кольцо 36, затем кольцо 37 и наворачивают гайку 38. Устанавливают торцевой элемент 28 с соединительным узлом 32 на корпус 1, обеспечивая соединение между собой резьбового вкладыша 27 и цилиндрического вкладыша 25 с помощью отверстия 26 в резьбовом вкладыше 27. Закрепляют торцевой элемент 28 на корпусе 1 болтами 30. Внутреннее пространство 39 разрядника заполняют диэлектрической рабочей средой (газом или жидкостью) или вакуумируют (соответствующие приспособления на чертежах не показаны). Разборка трехэлектродного разрядника производится в обратном порядке.

Регулировка величины разрядных промежутков в разряднике по фиг.1 или 2 производится при поданном на разрядник напряжении (или при выключенном напряжении) путем вращения в соответствующую сторону стержня 31 с помощью гайки 29. В исходном состоянии обе пружины 13 и 21 находятся в одинаковом упругом состоянии, каждая из них зажата между одним из концов диэлектрической втулки 17 и дном глухого отверстия соответствующего основного электрода (3, 4). Концы (торцы) цилиндрического вкладыша 25 упираются в дно соответствующих цилиндрических отверстий в резьбовом вкладыше 27 и держателе 19 электрода 3. При вращении резьбового вкладыша 27 стержня 31 в соответствующую сторону этот вкладыш 27 перемещается вдоль оси 2 разрядника относительно закрепленной в торцевом элементе 28 резьбовой втулки 33 и корпуса 1. При этом соответственно перемещаются цилиндрический вкладыш 25 и первый основной электрод 3. Например, при перемещении электрода 3 вправо относительно исходного состояния по фиг.1 (или фиг.2) происходит сжатие пружины 21, перемещение диэлектрической втулки 16 также вправо и сжатие пружины 13. При одинаковом сопротивлении указанных пружин сжатию в направлении оси 2 разрядника (одинаковых упругих свойствах пружин) и одинаковой длине обоих пружин первый основной электрод 3 и установленный на диэлектрической втулке 16 промежуточный электрод 17 перемещаются таким образом, что величины обоих разрядных промежутков уменьшаются при сохранении установленного между ними в исходном состоянии соотношения. Например, сохраняется равенство указанных разрядных промежутков (фиг.1) или постоянство установленного соотношения величин этих промежутков (фиг. 2). При вращении резьбового вкладыша 27 в другую сторону цилиндрический вкладыш 25, первый основной электрод 3 и промежуточный электрод 17 перемещаются влево (фиг.1, 2), соответственно увеличивая разрядные промежутки при сохранении соотношения их величин. При использовании пружин 13, 21 с различным сопротивлением сжатию в направлении оси 2 разрядника (разными упругими свойствами) возможно соответствующее изменение соотношения между величинами разрядных промежутков в процессе регулировки этих промежутков. Так, если упругость пружины 13 выше упругости пружины 21, то разрядный промежуток между вторым основным электродом 4 и промежуточным электродом 17 будет изменяться при регулировке в меньшей степени, чем разрядный промежуток между первым основным электродом 3 и промежуточным электродом 17. При использовании пружин 13, 21 с одинаковой упругостью, но разных по длине, обеспечивается разность величин указанных разрядных промежутков как в исходном состоянии, так и в процессе регулировки.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для формирования высоковольтных сильноточных наносекундных импульсов напряжения, используемых в основном для электропитания сильноточных импульсных электрофизических устройств, например ускорителей заряженных частиц. Трехэлектродный разрядник включает соосно размещенные в его корпусе первый и второй основные электроды с глухими осевыми отверстиями и электрическими выводами и промежуточный электрод. Первый основной электрод установлен с возможностью осевого перемещения относительно корпуса. Промежуточный электрод установлен с возможностью осевого перемещения относительно основных электродов и закреплен на диэлектрической втулке, первый конец которой размещен в осевом отверстии первого основного электрода. В разрядник введены две пружины, промежуточный электрод закреплен в средней части диэлектрической втулки, второй конец которой размещен в глухом осевом отверстии второго основного электрода, а каждая из указанных пружин размещена в глухом осевом отверстии одного из основных электродов между дном этого глухого отверстия и соответствующим концом диэлектрической втулки. Технический результат - возможность согласованной регулировки величины разрядных промежутков в процессе работы, что повышает удобство в эксплуатации. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Трехэлектродный разрядник, включающий размещенные в его корпусе соосно друг другу первый и второй основные электроды с осевыми отверстиями, снабженные электрическими выводами, причем первый основной электрод установлен с возможностью перемещения относительно корпуса разрядника вдоль его оси, для чего взаимодействует со стержнем, выходящим за пределы корпуса разрядника, а расположенный между основными электродами соосно им промежуточный электрод имеет возможность перемещения относительно основных электродов вдоль оси разрядника и закреплен на диэлектрической втулке, первый конец которой размещен в осевом отверстии первого основного электрода, отличающийся тем, что в него введены две пружины, оба осевых отверстия в основных электродах выполнены глухими, промежуточный электрод закреплен в средней части диэлектрической втулки, второй конец этой втулки размещен в глухом осевом отверстии второго основного электрода, а каждая из указанных пружин размещена в глухом осевом отверстии одного из основных электродов между дном этого глухого отверстия и соответствующим концом диэлектрической втулки. 2. Трехэлектродный разрядник по п. 1, отличающийся тем, что обе пружины имеют одинаковые упругие свойства. 3. Трехэлектродный разрядник по п. 1, отличающийся тем, что пружины имеют разные упругие свойства или разные длины. 4. Трехэлектродный разрядник по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что корпус разрядника выполнен из электропроводящего материала, второй основной электрод изолирован от корпуса разрядника, а стержень выполнен с возможностью осуществления им функции соединенного электрически с корпусом разрядника или изолированного от него электрического вывода первого основного электрода. 5. Трехэлектродный разрядник по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что корпус разрядника выполнен из электропроводящего материала, второй основной электрод и корпус разрядника имеют электрический контакт между собой, например выполнены в виде единого целого из электропроводящего материала, выполняющего функцию электрического вывода указанного электрода, а стержень выполнен с возможностью осуществления им функции изолированного от корпуса разрядника электрического вывода первого основного электрода. 6. Трехэлектродный разрядник по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что корпус разрядника выполнен из диэлектрического материала.