УПРАВЛЯЕМЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРИБОР Российский патент 2004 года по МПК H01J17/40 H01J17/44 

Изобретение относится к газоразрядной технике, а именно к газоразрядным приборам с холодным катодом и узлом управления, предназначенным для регулирования момента зажигания разряда.

Известны управляемые газоразрядные приборы с холодным катодом, наполненные газом (или паром) при низком давлении, управляемые путем возбуждения тлеющего разряда в цилиндрическом или призматическом пусковом электроде (см. авт. свид. СССР №313478, кл. H 01 J 17/44, опубл. 1972 г.).

К недостаткам следует отнести сильную зависимость от пусковых характеристик, времени запаздывания и разброса времени запаздывания от давления рабочего газа (или пара) в приборе, а также жесткие требования к переднему фронту запускающего импульса и его высокой амплитуде.

Известен управляемый газоразрядный прибор с холодным катодом, запускаемый разрядом, проходящим вдоль полупроводниковой пусковой поверхности из карбида кремния. Пусковая поверхность образуется между поджигающим электродом, проходящим через отверстие в изоляторе, и поверхностью катода (см. патент Великобритании №1103523, кл. H 1 D, опубл. 1968 г.).

К недостаткам следует отнести повышенную эрозию полупроводниковой пусковой поверхности, так как она находится в полости между анодом и катодом, образующей основной разрядный промежуток. Это явление существенно снижает долговечность прибора.

Наиболее близким прибором является управляемый газоразрядный прибор, содержащий анод, полый катод с обращенным к аноду основанием, в котором выполнены отверстия, и расположенный в полости катода поджигающий электрод, выполненный в виде двух параллельно расположенных и соединенных токопроводящими стойками пластин, одна из которых расположена у основания полого катода, а другая у противоположной стенки катода (см. авт. свид. СССР 329615, H 01 J 7/04, опубл. 09.11.1972 г.) выбран в качестве прототипа изобретения.

К недостаткам известного прибора следует отнести достаточно большую амплитуду запускающего импульса (не менее 10 кВ, при водородном наполнении 0,2-0,4 мм рт.ст.) и сильную зависимость времени запаздывания и разброса времени запаздывания от давления газа в приборе.

Задача изобретения - создание надежного управляемого газоразрядного прибора, со стабильным возбуждением разряда, минимальным временем запаздывания и низкой амплитудой запускающего импульса.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном управляемом газоразрядном приборе, содержащем анод, полый катод, с обращенным к аноду плоским основанием, в котором выполнены отверстия, и расположенный в полости катода поджигающий электрод, поджигающий электрод выполнен из зернисто-пористого полупроводникового материала с контактными элементами, установленными на поверхности поджигающего электрода на расстоянии 5-12 мм друг от друга, при этом пористость материала поджигающего электрода составляет 40-45%, а размер спеченных зерен не более 50 мкм.

Кроме того, контактные элементы выполнены в виде двух металлических держателей, например в виде двух металлических полуколец, охватывающих поверхность полупроводникового поджигающего электрода.

Указанный зернисто-пористый полупроводниковый поджигающий электрод образует с контактными элементами систему множества точечных микроконтактов. Микроконтакты образуются на границе зерен, из которых состоит пористый полупроводниковый поджигающий электрод, с металлической поверхностью контактных элементов. Площадь микроконтактов определяется размером зерен пористого полупроводникового поджигающего электрода и не зависит от размера и конфигурации контактных элементов. Таким образом, зерна микронного размера образуют с контактными элементами множество микроконтактов, которые обеспечивают высокую плотность тока, необходимую для стабильного возбуждения разряда. В результате для стабильного возбуждения разряда необходимая амплитуда запускающего импульса уменьшается в несколько раз.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня, заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлены решения, в которых для повышения надежности и долговечности прибора была бы обеспечена высокая плотность тока, необходимая для стабильного возбуждения разряда, уменьшена амплитуда запускающего импульса.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг.1 изображен управляемый газоразрядный прибор.

На фиг.2 представлен в увеличенном виде узел поджига.

Прибор содержит анод 1 и полый катод 2, образующий катодную полость 3. Катод 2 имеет плоское основание 4, обращенное к аноду 1. Пространство между анодом 1 и основанием 4 образует основной разрядный промежуток 5. В основании 4 выполнены отверстия 6, через которые основной разрядный промежуток 5 сообщается с катодной полостью 3. В катодной полости 3 напротив отверстий 6 расположен полупроводниковый поджигающий электрод 7, изготовленный из зернисто-пористого материала, в котором размер спеченных зерен, например карбида бора или карборунда, не более 50 мкм, а пористость составляет 40-45%. На поверхности зернисто-пористого полупроводникового поджигающего электрода 7 расположены контактные элементы 8, выполненные в виде двух металлических держателей, например в виде двух полуколец, охватывающих поверхность полупроводникового поджигающего электрода, расположенные на расстоянии 5-12 мм друг от друга.

Вся система электродов помещена в герметичный диэлектрический корпус 9, через стенки которого впаяны выводы 10 анода, 11 катода и выводы 12 контактных элементов, 13 - изолирующая подставка. Прибор наполнен газом при давлении, необходимом для обеспечения требуемой электропрочности.

При наличии разности потенциалов между анодом 1 и катодом 2, без подачи запускающего импульса на контактные элементы 8, прибор сохраняет непроводящее состояние. При подаче импульса запуска на контактные элементы 8 из-за высокой плотности тока, малого размера зерен и достаточно низкой электропроводности происходит мгновенный разогрев отдельных зерен до температуры, при которой появляются термоэлектроны (Т>2000°С). Это приводит к быстрому развитию разряда вдоль поверхности поджигающего электрода 7, плазма которого диффундирует через отверстия 6 в основной разрядный промежуток 5, что приводит к развитию основного разряда между анодом 1 и катодом 2. За счет использования пористого полупроводникового поджигающего электрода 7 контактные металлические элементы 8 соприкасаются с зернами микронного размера, что обеспечивает микронную площадь контакта. При этом для надежного срабатывания прибора (с малым временем разброса срабатывания) амплитуду управляющего импульса можно уменьшать до 2-3 кВ. Расстояние между контактными элементами 8 выбрано из условия развития разряда при низком давлении газа (левая ветвь кривой Пашена). При расстояниях менее 5 мм и более 12 мм затрудняется развитие разряда и требуется увеличивать амплитуду импульса. Пористость материала полупроводникового поджигающего электрода 40-45% и размер спеченных зерен не более 50 мкм выбраны из условия обеспечения механической прочности поджигающего электрода и сохранения зернистой структуры материала. За счет использования зернисто-пористого полупроводникового поджигающего электрода уменьшается разброс времени запаздывания пробоя и появляется возможность снизить амплитуду запускающего импульса.

Проверка технической эффективности изобретения проводилась путем сравнения работоспособности образца предложенной конструкции и образца, выполненного по конструкции прототипа. Оба прибора имели металлокерамическое исполнение и содержали анод, катод и поджигающий электрод. Образец предложенной конструкции имел пористый полупроводниковый поджигающий электрод с контактными элементами, особенности конструкции которого отражены выше в описании и на чертежах. Оба образца имели водородное наполнение, которое создавалось с помощью генератора водорода.

Образцы опробованы в режиме мощного емкостного накопителя. Параметры режима:

Напряжение анода 20 кВ

Ток анода в импульсе 120 кА

Коммутируемая энергия в импульсе 1 кДж

Частота следования импульсов 1 Гц

Критерий сравнения - разброс времени запаздывания не более 20 нс. Сравнительные испытания по определению наименьшей амплитуды запускающего импульса показали, что для стабильной работы прибора предложенной конструкции в указанном режиме амплитуда запускающего импульса составила 3 кВ, в то время как для прототипа амплитуда составила 12 кВ.

Таким образом, эффект уменьшения амплитуды запускающего импульса при сохранении стабильного и минимального времени запаздывания у образца предложенной конструкции по сравнению с прототипом подтвердился.

Следовательно заявленное изобретение обеспечивает высокую надежность и минимальный разброс времени запаздывания.

Таким образом, вышеприведенные сведения показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к газоразрядной технике, а именно к газоразрядным приборам с холодным катодом и узлам управления, предназначенным для регулирования момента зажигания и может быть использовано для работы в высоковольтных установках в качестве коммутирующих элементов. Сущность: прибор содержит анод 1, полый катод 2. В основании полого катода 2 выполнены отверстия 6. Полупроводниковый поджигатель 7 с контактными элементами 8 расположен в полости катода 2. Контактные элементы 8 установлены на поверхности полупроводникового поджигателя 7 на расстоянии 5-12 мм друг от друга для обеспечения лучших условий развития разряда при низком давлении газа. Поджигатель изготовлен из зернисто-пористого материала, пористость которого составляет 40-45%, а размер спеченных зерен не более 50 мкм, что обеспечивает микронную площадь контакта и высокую плотность тока. Технический результат: создание прибора с повышенной надежностью и долговечностью за счет обеспечения стабильного возбуждение разряда, низкой энергии запускающего импульса и увеличенной частоты срабатывания. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Управляемый газоразрядный прибор, содержащий анод, полый катод с обращенным к аноду плоским основанием, в котором выполнены отверстия, и расположенный в полости катода поджигающий электрод, отличающийся тем, что поджигающий электрод выполнен из зернисто-пористого полупроводникового материала с контактными элементами, установленными на расстоянии 5-12 мм друг от друга на поверхности полупроводникового поджигающего электрода, при этом пористость материала поджигающего электрода составляет 40-45%, а размер спеченных зерен не более 50 мкм.2. Управляемый газоразрядный прибор по п.1, отличающийся тем, что контактные элементы выполнены в виде двух металлических держателей, например, в виде двух полуколец, охватывающих поверхность полупроводникового поджигающего электрода.