ПЛАЗМЕННЫЙ КОММУТАТОР Российский патент 2014 года по МПК H01J17/02 H01P1/14 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электрическим газоразрядным электронным приборам, и может быть использовано при создании импульсных устройств, в частности, импульсных генераторов, источников питания импульсных устройств, импульсных лазеров и других приборов.

Известен плазменный коммутатор - тиратрон (Фогельсон Т.Б., Бреусова Л.Н., Вагин Л.Н. Импульсные водородные тиратроны. М.: «Советское радио», 1974 г., 211 с.), содержащий герметизируемую камеру, заполненную рабочим газом - водородом - с давлением в десятки Па, в камере выполнены электроды: накаливаемый катод, анод, и сетка, расположенная между ними.

При подаче электрического импульса на сетку между сеткой и катодом тиратрона зажигается газовый разряд. Плазма разряда проникает за сетку, в пространство сетка-анод, в результате чего оно становится проводящим, замыкая электрическую цепь на нагрузку.

К причинам, препятствующим достижению нижеуказанного технического результата, относится следующее:

характерное для тиратрона большое энергопотребление на подогрев катода, большое время с момента подачи питания к подогревателю катода до готовности прибора к коммутации импульса (минуты) и большое время перехода тиратрона из непроводящего в проводящее состояние (фронт коммутации), обычно от 10 до 50 нс, в зависимости от размера тиратрона и коммутируемого тока. В результате при коммутации импульсов длительностью менее 100 нс в тиратроне возникают большие потери мощности.

Например, в блоках возбуждения лазера на парах меди, использующих в качестве коммутатора тиратрон ТГИ 1-1000/25, в тиратроне теряется более 30% мощности, потребляемой от источника питания (Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: Научная книга, 1998 г.).

Стремление улучшить устройства для коммутации привело к разработке коммутаторов с холодным полым катодом (pseudospark switches) (Bochkov V.D., Dyagilov V.M., Ushich V.G., et al. IEEE Transaction Plasma Science, 29, 802 (2001)).

Так, известен плазменный коммутатор (см. описание к патенту РФ №2089003, МПК: 6 H01J 17/02, 6 H01T 2/00), содержащий герметизируемую камеру, заполненную рабочим газом, в которой расположены высоковольтные электроды - анод с полой камерой либо без нее и первый катод с полой камерой, ограниченной металлическими стенками с отверстиями, образующие высоковольтный разрядный промежуток, вспомогательный анод и второй катод, расположенные в противоположной от основного анода части устройства - узле управления моментом включения разряда, сообщающемся с высоковольтным промежутком через отверстия в электродах, а также содержащей резервуар с запасом рабочего газа, при этом первый катод выполнен смежно со вторым катодом, сформированным в виде одной или нескольких замкнутых полостей с одним или несколькими отверстиями, а вспомогательный анод размещен внутри второго катода. В качестве рабочего газа использован водород или дейтерий. В устройстве вспомогательный анод выполнен в виде одного или нескольких колец, расположенных симметрично относительно оси прибора, с отверстиями, соединяющими полость второго катода с полостью первого катода, а один или несколько выводов вспомогательного анода выполнены в экране, на который подан электрический потенциал второго катода. Второй катод выполнен в виде кольцеобразной замкнутой полости, ось которой совпадает с осью устройства, с отверстиями в стенке, обращенной к первому катоду, и во внутренней цилиндрической стенке, обращенной к вспомогательному аноду, размещенному коаксиально внутри второго катода и выполненному в виде цилиндра с отверстиями, расположенными симметрично относительно отверстий во втором катоде. Отверстия в стенках вспомогательного анода и второго катода, обращенных к первому катоду, выполнены в виде кольцевой щели. Между торцевыми стенками первого и второго катодов установлена перегородка с отверстиями. Полость второго катода разделена на секторы радиальными проводящими перемычками, размещенными между отверстиями в стенках второго катода. Часть поверхности второго катода выполнена из эмиссионно-активного материала или внутри его полости установлена таблетка из указанного материала. Узел управления выполнен в составе одного или нескольких блокирующих электродов, размещенных в полости первого катода. Блокирующий электрод выполнен с возможностью электрического контакта со вспомогательным анодом или выполнен с возможностью образования с ним единого элемента. Резервуар с запасом рабочего газа соединен с герметизируемой камерой через полый изолятор, длина которого выбрана обеспечивающей электрическую прочность по внешней его поверхности, а полость внутри изолятора разделена электродами с отверстиями на ряд высоковольтных промежутков, обеспечивающих электрическую прочность резервуара с запасом рабочего газа. Отверстия в конструктивных элементах устройства выполнены диаметром менее 3 мм и расположены несоосно относительно друг друга. Объем между одним из электродов устройства и резервуаром с запасом рабочего газа заполнен пористой массой из диэлектрика с коэффициентом вторичной эмиссии от 0,9 до 1,2 или диэлектрическими частицами с указанным значением поверхностного коэффициента вторичной эмиссии, например кварцевым песком, покрытым окисью хрома.

В качестве причин, препятствующих достижению нижеуказанного технического результата в приведенном аналоге, следует отметить следующее:

использование холодного полого катода, в результате чего не требуется подогрев катода, не устраняет необходимости подогрева генератора водорода. Хотя время подготовки коммутатора к работе уменьшено в сравнении с первым аналогом, время коммутации благодаря его конструктивным особенностям и использованию в качестве рабочего газа водорода или дейтерия составляет от 3 до 10 нс, обеспечивая низкую скорость коммутации. Переход из непроводящего в проводящее состояние достаточно длителен.

В качестве ближайшего аналога взят плазменный коммутатор (а.с. СССР №1644686, МПК: 8 H01J 63/00), содержащий герметизируемую камеру, заполненную рабочим газом, в которой расположены сетчатый анод и катод, катод выполнен в виде обечайки, охватывающей разрядную область, а сетчатый анод - с поверхностью, эквидистантной внутренней поверхности катода, в качестве рабочего газа использована смесь, содержащая гелий, неон или азот, при этом анод и катод расположены на расстоянии, которое больше характерного размера ячеек сетки-анода, величина диаметра анода больше расстояния между анодом и катодом не менее чем в 10 раз, а давление в смеси Р выбрано, удовлетворяющим условиям:

$$P<\frac{U_p}{{\left(\frac{E}{P}\right)}_{кр}d}$$ , $$d<0.5\frac{{\epsilon }_0}{d\epsilon /dx}$$

где U_p - рабочее напряжение, В;

$${\left(\frac{E}{P}\right)}_{кр}$$ - критерий Драйсера для убегания электронов, В/м·Па;

d - расстояние между анодом и катодом, м;

ε₀ - среднее значение затрат энергии на образование иона при движении электрона eU_p (е - заряд электрона) в смеси, эВ;

$$\frac{d\epsilon }{dx}$$ - скорость изменения энергии электрона (эВ/м) с энергией eU_p при движении его в смеси.

В коммутаторе анод-сетка выполнен с прозрачностью более 0,3.

В рассматриваемом коммутаторе при подаче высокого напряжения (несколько киловольт) на промежутке катод-анод (на катоде - «минус»), при котором выполняется критерий Драйсера для убегания электронов, генерируется электронный пучок. Электронный пучок, проникая за анод, возбуждает рабочий газ. Резонансное излучение этого газа, попадая на катод, вызывает фотоэмиссию и генерацию новых электронов, процесс развивается экспоненциально, и промежуток катод-анод становится высокопроводящим за короткое время.

В качестве причин, препятствующих повышению скорости коммутации, увеличению скорости нарастания плотности тока и общего тока в ближайшем аналоге, отметим следующее.

Использование приведенной конструкции приводит к тому, что резонансное излучение из объема полости вследствие реабсорбции излучения медленно доходит до поверхности катода. Поэтому происходит сравнительно медленное нарастание тока и напряжения на нагрузке. Медленные нарастания фронтов импульсов тока dI/dt и напряжения на нагрузке dU/dl составляют соответственно dI/dt=1,25×10¹¹ А/с и dU/dt=10¹¹ В/с при плотности тока в максимуме j=1 А/см² и скорости ее нарастания dj/dt=1,25×10⁸ А/см² с. Вероятность достижения фотоном катода из точки, расположенной на расстоянии R от него, выражается формулой A=1,1×10⁶/Rc^-1 (Phelps A.V. Phys. Rev., V.117, №3, P.P.619-632. (1960)) при R=1 см A=1,1×10⁶ с^-1. Это означает, что до катода доходит только 1% фотонов за время 10 нc, что и определяет сравнительно медленное развитие тока.

Кроме того, существенным оказывается также то, что в результате использования коаксиальной конструкции невозможна реализация коммутатора с низкой индуктивностью, что в свою очередь затрудняет получение больших токов с крутым фронтом нарастания, снижает временя коммутации.

Индуктивность L коаксиального устройства выражается формулой:

L=2×10^-7l ln(d₂/d₁), (1)

где L - индуктивность, Гн;

l - длина коаксиала, м;

d₂ и d₁ - соответственно внешний и внутренний диаметры коаксиала, м;

d₂ и d₁ - в прототипе соответственно диаметры катода и анода.

Для получения большой амплитуды тока при заданной его плотности необходимо увеличение длины или диаметра устройства. Увеличение диаметра приводит к замедлению скорости коммутации, а увеличение длины - к эквивалентному увеличению индуктивности. В результате этого скорость нарастания общего тока в устройстве остается неизменной при увеличении длины l.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение скорости коммутации;

- увеличение скорости нарастания плотности тока и общего тока.

Технический результат достигается в плазменном коммутаторе, содержащем герметизируемую камеру, заполненную рабочим газом, с катодом и сетчатым анодом с поверхностью, эквидистантной внутренней поверхности катода, причем катод выполнен в составе пластин катода, расположенных напротив друг друга с зазором.

В плазменном коммутаторе катод выполнен в составе плоских пластин катода, расположенных относительно друг друга параллельно, на расстоянии, между пластинами катода на равном расстоянии установлен сетчатый анод, выполненный в составе рамки и сетки из намотанной на рамку проволоки или выполненный в составе рамки и сетки, которая предварительно изготовлена из проволоки, а затем прикреплена к рамке.

В плазменном коммутаторе в качестве материала пластин катода использован карбид кремния или металл - титан, тантал, молибден, нержавеющая сталь, пластины катода выполнены размером 16×3 см², рамка сетчатого анода выполнена из металлического тантала, сетка - из молибденовой проволоки диаметром до 30 мкм с шагом до 0,15 см и геометрической прозрачностью до 98%.

В плазменном коммутаторе катод в составе пластин катода, расположенных напротив друг друга с зазором, выполнен с возможностью одновременной подачи на пластины коммутируемого напряжения отрицательной полярности, а сетчатый анод - с возможностью подачи на него напряжения положительной полярности.

В плазменном коммутаторе в продольном направлении по краям пластин катода, расположенных напротив друг друга с зазором, выполнены изоляторы, отделяющие пластины катода и сетчатый анод друг от друга, в форме примыкающих к сетчатому аноду и пластинам катода пластинчатых вставок, у которых для электрической прочности в направлении от краев пластин катода к центральной области сформированы скосы с образованием острого угла в месте примыкания к поверхности сетчатого анода, на торцевых концах пластины катода состыкованы со стеклянными пластинами с выполненным вакуумным вводом и герметизированы герметизирующими элементами - окнами.

В плазменном коммутаторе в качестве материала изоляторов использовано техническое стекло.

В плазменном коммутаторе пластинчатые вставки выполнены геометрией, обуславливающей в поперечном сечении форму прямоугольной трапеции с острым углом, составляющим 15°, при большем основании, примыкающим к сетчатому аноду.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На Фиг.1 показана конструкция плазменного коммутатора: а) вид спереди в разрезе, б) вид сбоку в разрезе, в) общий вид в разрезе, где 1 и 2 - пластины катода; 3 - рамка; 4 - сетка; 5, 6, 7, 8 - изоляторы; 9, 10, 11, 12 - стеклянные пластины; 13, 14 - герметизирующие элементы-окна; 15 - вакуумный ввод.

На Фиг.2 приведена схема подключения, реализующая подачу к плазменному коммутатору коммутируемого напряжения, в которой к импульсному источнику питания подключены обкладки малоиндуктивных емкостей С₁ и C₂, к обкладкам емкостей С₁ и С₂ подключена цепь из токового шунта R_ш, одним концом подсоединенного к сетчатому аноду плазменного коммутатора, пластины катода плазменного коммутатора подсоединены к нагрузке R_н, другой конец нагрузки R_н соединен с одними обкладками малоиндуктивных емкостей C₁ и C₂, другие обкладки емкостей С₁ и С₂ соединены с концом токового шунта R_ш, являющимся земляным выводом емкостей С₁ и С₂, к обкладкам емкости С₂ подсоединен омический делитель в составе R₁, R₂, кроме того, второй омический делитель в составе R₃, R₄ соединен с концом токового шунта R_ш, являющимся земляным выводом емкостей С₁ и С₂, и пластинами катода.

На Фиг.3 представлена фотография свечения рабочего газа (вид с торца) при работе устройства.

На Фиг.4 приведены осциллограммы, характеризующие работу устройства, его коммутационные характеристики.

На Фиг.5 показаны зависимости времени коммутации от величины амплитуды коммутируемого напряжения при использовании в качестве рабочего газа гелия и при выполнении пластин катодов из карбида кремния SiC и титана Ti.

Достижение технического результата базируется на использовании конструктивного подхода к выполнению катода и сетчатого анода с геометрией, отличной от коаксиальной, с катодом в составе пары пластин, между которыми расположен сетчатый анод с поверхностью, эквидистантной внутренней поверхности катода, то есть внутренней поверхности пластин катода, расположенных напротив друг друга. В общем случае, в используемой геометрической конфигурации пластин катода и анода внутренние поверхности катода и поверхности анода должны иметь конфигурацию, соответствующую условию эквидистантности внутренних поверхностей катода поверхностям анода. В самом геометрически простом случае, катод выполняют в составе двух плоских пластин, расположенных параллельно относительно друг друга, а сетчатый анод - с плоской сеткой, расположенной между пластин катода на равном расстоянии относительно внутренних поверхностей пластин катода.

Благодаря отказу от коаксиальной геометрии реализован коммутатор планарного типа с низкой индуктивностью. В плазменном коммутаторе катод выполнен в составе (см. Фиг.1) пластин катода 1 и 2, расположенных относительно друг друга на расстоянии, между которыми установлен сетчатый анод, выполненный, в частности, в составе рамки 3 с намотанной на нее из проволоки сеткой 4 или с прикрепленной к ней готовой сеткой 4.

В соответствии с типом используемой конструкции устройства и при двустороннем боковом подключении коммутируемого напряжения (Фиг.2) индуктивность устройства рассчитывается как индуктивность четырех одновитковых соленоидов, подключенных параллельно:

L_max=µµ₀N²S/4l, (2)

где L_max - индуктивность коммутатора, Гн;

µ₀ - магнитная постоянная, µ₀=4π10^-7 Гн/м;

µ - магнитная постоянная рабочего газа, µ=1 (рабочий газ);

N - количество витков;

S - площадь одного витка, м²;

l - длина соленоида, м.

Из формулы (2) видно, что в отличие от конструкции коаксиального типа (формула (1)) индуктивность устройства обратно пропорциональна его длине l. В соответствии с Фиг.1 при l=10 см и S=(3×25) мм² индуктивность равна: L=µµ₀N² S/2l=4×3,14×10^-7×3×25×10^-6/(4×0,1)=2,36×10^-10 Гн. В прототипе же при коаксиальной геометрии для диаметра катода 10 см и анода 9,4 см на основании формулы (1) L=2×10^-7×0,1×ln(10/9,4)=1,24×10^-9 Гн или в примерно 5 раз больше. Для l=20 см различие достигает примерно в 20 раз.

Согласно схеме подключения коммутируемого напряжения (см. Фиг.2) малоиндуктивные емкости С₁ и C₂ заряжаются от источника импульсного напряжения. Земляной вывод емкостей через токовый шунт R_ш подсоединяется к сетчатому аноду. Сигнал с токового шунта подается на вход широкополосного стробоскопического осциллографа C1-70 с полосой пропускания 3 ГГц или на вход осциллографа LeCroy WaveJet 354А с полосой пропускания 500 МГц. Сигнал с емкостей С₁, С₂ с помощью омического делителя R₁, R₂ подается на вход осциллографа, и он характеризует падение напряжения на емкостях С₁, C₂ по мере их разряда через рабочую нагрузку R_н, предлагаемое коммутирующее устройство и токовый шунт R_ш. С пластин катода коммутирующего устройства с помощью омического делителя R₃, R₄ сигнал также подается на вход осциллографа. Аналоговое вычитание сигналов делителей R₁, R₂ при регистрации сигналов с помощью стробоскопического осциллографа С1-70 и R₃, R₄ или цифровое вычитание, встроенное в осциллограф LeCroy Wave Jet 354А, также отображается на экране и измеряется.

После подачи напряжения на емкости С₁, С₂ через некоторое время, называемое временем задержки, происходит загорание разряда между пластинами катода и сетчатым анодом, что подтверждает фотография свечения разрядных промежутков, выполненная при установке фотокамеры с торца устройства (см. Фиг.3).

О рабочих характеристиках устройства, его возможностях, дают представление приведенные осциллограммы напряжения (см. Фиг.4), в частности напряжения на делителе R₁R₂ - U_R1R2, представляющего собой напряжение на емкостях C₁ и С₂, а также представляющего собой напряжение импульсного источника питания; напряжения на делителе R₃R₄ - U_R3R4, представляющего собой напряжение на коммутаторе; напряжения на нагрузке R_н, равное U_н=U_R1R2 - U_R3R4; тока I через токовый шунт R_ш. Видно, что в процессе разряда емкостей C₁ и С₂ в рассматриваемом интервале времени напряжение U_R1R2 остается практически неизменным. Напряжение U_R3R4 на коммутаторе в процессе перехода его из непроводящего состояния в высокопроводящее резко падает, и, соответственно, меняется напряжение на нагрузке U_н. Время изменения величины U_H по уровню 0,1-0,9 от максимальной величины есть время коммутации τ.

Из представленных (см. Фиг.5) зависимостей времени коммутации от величины амплитуды коммутируемого напряжения при заполнении герметизируемой камеры коммутатора, в частности, гелием в качестве рабочего газа, при использовании в коммутаторе, в частности, в качестве материала пластин катода карбида кремния, титана, видно, что при напряжении U>5 кВ время коммутации τ составляет менее 1 нc, а при U=20 кВ равно τ=0,4 нc на нагрузке R_H=2Ω.

Скорость нарастания тока на нагрузке R_H=2Ω составляет dl/dt=(U - U₀)/(R_Hτ)=2,38×10¹³ А/с (здесь U₀=1 кВ - напряжение на коммутаторе во время коммутации тока). При R_H=0,5Ω время коммутации увеличивается до τ=0,5 нc, а скорость роста тока достигает значения dl/dt=0,76×10¹⁴А/с. Это более чем на два порядка превышает скорость нарастания тока в прототипе - dl/dt=1,25×10¹¹А/с (а.с. СССР №1644686, МПК: 8 H01J 63/00).

Ускорение коммутации происходит по следующему механизму. При подаче напряжения между катодом и сетчатым анодом генерируется электронный пучок (Бохан П.А., Колбычев Г.В. «Способ получения электронного пучка». А.с. СССР №820511, приоритет от 28.05.1979 г.). Быстрые электроны пучка проникают за сетчатый анод, выполненный в составе, например, рамки 3 с намотанной на нее сеткой 4, тормозятся во встречном электрическом поле и снова ускоряются, и таким образом за короткое время совершают множество осцилляций в пространстве между пластинами катода 1 и 2. При осцилляциях электроны возбуждают рабочий газ. Резонансное излучение рабочего газа осуществляет эффективную фотоэмиссию из катода (Бохан П.А., Закревский Дм.Э. Письма в ЖЭТФ. Т.96, с.139 (2012)), этим обеспечивается быстрое развитие разряда и переход устройства в высокопроводящее состояние.

Время от момента эмиссии электрона до достижения им анода равно:

t=(2b/a)^1/2,(3)

где а - ускорение электрона в электрическом поле, а=eE/m=eU/mb;

b - расстояние между катодом и анодом, м;

U - рабочее напряжение, В;

m - масса электрона.

Из (3) получаем при U=10 кВ t=(2mb²/eU)^1/2=10^-10 с.

При формировании катодного падения потенциала ускорение электрона осуществляется на малой его длине, менее 0,1b (Бельская Е.В., Бохан П.А., Закревский Д.Э., Лаврухин М.А. Квантовая электроника. Т.42, с.99 (2012)), так что время пересечения электроном зазора уменьшается до t₃~0,5×10^-10 с. При торможении электрона во втором зазоре затрачивается примерно такое же время, так что удвоение числа возбужденных атомов и, соответственно, генерация фотонов происходит за примерно 100 пс, что соответствует скорости тока I~exp(6,9×10⁷t). Если считать время перехода устройства в высокопроводящее состояние по уровню 0,1-0,9, то следует ожидать минимальное время коммутации при U=10 кВ равно τ=318 пс, при U=20 кВ - τ=225 пс.

В вышеприведенном примере, при U=20 кВ осуществляется прохождение тока I=10 кА при остаточном напряжении на устройстве U₀~1 кВ, что соответствует сопротивлению коммутатора R=0,1Ω. Соответственно, величина скорости коммутации напряжения равна dU/dt=4,8×10¹³ В/с, что примерно в 100 раз превышает аналогичную величину в прототипе - dU/dt=4,8×10¹¹ В/с.

В общем случае выполнения плазменный коммутатор (см. Фиг.1 а)-в)) содержит герметизируемую камеру, заполненную рабочим газом, с катодом и сетчатым анодом с поверхностью, эквидистантной внутренней поверхности катода. При этом катод выполнен в составе пластин катода 1 и 2, расположенных напротив друг друга с зазором.

Наличие сетчатого анода с поверхностью, эквидистантной внутренней поверхности катода, означает, что его геометрия повторяет геометрию внутренней поверхностей катода, а именно пластин катода 1 и 2, расположенных напротив друг друга, а геометрия внутренних поверхностей пластин катода 1 и 2 идентична, причем платины имеют одну и ту же пространственную ориентацию.

В качестве рабочего газа герметизируемая камера заполнена, например, гелием.

В частном случае выполнения (см. Фиг.1 а)-в)) катод выполнен в составе плоских пластин катода 1 и 2, расположенных относительно друг друга параллельно, на расстоянии, между пластинами катода на равном расстоянии установлен сетчатый анод, выполненный в составе рамки 3 и сетки 4 из намотанной на рамку 3 проволоки или выполненный в составе рамки 3 и сетки 4, которая предварительно изготовлена из проволоки, а затем прикреплена к рамке 3.

В качестве материала пластин катода 1 и 2 использован карбид кремния или металл, например: титан, тантал, молибден, нержавеющая сталь. Пластины катода 1 и 2 выполнены, например, размером (16×3) см². Рамка 3 в составе сетчатого анода выполнена из металлического тантала. Сетка 4 выполнена, например, из молибденовой проволоки диаметром до 30 мкм с шагом до 0,15 см и геометрической прозрачностью до 98%.

В продольном направлении по краям пластин катода 1 и 2, расположенных напротив друг друга с зазором, выполнены изоляторы 5-8, отделяющие пластины катода 1 и 2 и сетчатый анод друг от друга. Указанные изоляторы выполнены в форме примыкающих к аноду и пластинам катода 1 и 2 пластинчатых вставок, у которых для электрической прочности в направлении от краев пластин катода к центральной области сформированы скосы с образованием острого угла в месте примыкания к поверхности сетчатого анода. В частности, пластинчатые вставки выполнены с геометрией, обуславливающей в поперечном сечении форму прямоугольной трапеции с острым углом, составляющим 15°, при большем основании, примыкающим к сетчатому аноду. Величина угла может отличаться от указанной, она определяется предъявляемыми требованиями к электрической прочности. В качестве материала изоляторов использовано техническое стекло, а также можно использовать кварц, керамику.

На торцевых концах пластины катода 1 и 2 состыкованы со стеклянными пластинами 9-12 с выполненным вакуумным вводом 15 и герметизированы герметизирующими элементами - окнами 13 и 14. Через вакуумный ввод 15 устройство подключается к газовакуумной системе, что позволяет проводить вакуумирование, обезгаживание устройства и его заполнение рабочим газом. Герметизирующие элементы-окна 13 и 14, изготовленные оптически прозрачными, обеспечивают визуализацию с возможностью фотографирования свечения рабочего газа и исследования характеристик его оптического излучения.

Катод в составе пластин катода 1 и 2, расположенных напротив друг друга с зазором, выполнен с возможностью одновременной подачи на пластины коммутируемого напряжения отрицательной полярности, а сетчатый анод - с возможностью подачи на него напряжения положительной полярности.

Плазменный коммутатор для коммутации высоковольтных электрических импульсов используют следующим образом.

Для работы плазменный коммутатор (см. Фиг.1) соединяют по схеме (см. Фиг.2). К импульсному источнику питания подключают обкладки емкостей С₁ и С₂, к обкладкам которых подключают последовательно соединенные токовый шунт R_ш, коммутатор и нагрузку R_H. Токовый шунт R_Ш одним концом подсоединен к сетчатому аноду коммутатора, пластины катода 1 и 2 которого подсоединены к одному из концов нагрузки R_H. Другой конец нагрузки R_H соединен с одной из обкладок емкости С₁ и с одной из обкладок емкости С₂. Другие обкладки емкостей С₁ и С₂ соединены с концом токового шунта R_ш, являющимся земляным выводом емкостей С₁ и С₂. К обкладкам емкостей С₁ и С₂ подсоединяют омический делитель из R₁, R₂. Второй омический делитель из R₃, R₄ соединяют с концом токового шунта R_ш, являющимся земляным выводом емкостей С₁ и С₂, и пластинами катода 1 и 2.

После подачи напряжения на емкости С₁, С₂ через некоторое время, называемое временем задержки, происходит загорание разряда между пластинами катода и сетчатым анодом.

Емкости С₁ и С₂ заряжаются от источника импульсного напряжения. Сигнал с токового шунта R_ш подается (см. Фиг.2) на вход широкополосного стробоскопического осциллографа С1-70 с полосой пропускания 3 ГГц или на вход осциллографа LeCroy WaveJet 354А с полосой пропускания 500 МГц. Сигнал с емкостей С₁, С₂ с помощью омического делителя R₁, R₂ подается (см. Фиг.2) на вход осциллографа. Этот сигнал дает информацию о падении напряжения на емкостях С₁, С₂ по мере их разряда через рабочую нагрузку R_H, коммутатор и токовый шунт R_ш. С пластин катода 1 и 2 с помощью омического делителя R₃, R₄ сигнал подается (см. Фиг.2) на вход осциллографа. Аналоговое вычитание сигналов делителей R₁, R₂ при регистрации сигналов с помощью стробоскопического осциллографа С1-70 и R₃, R₄ или цифровое вычитание, встроенное в осциллограф LeCroy WaveJet 354А, отображается на экране и измеряется.

Плазменный коммутатор относится к электронной технике и может быть, в частности, использован при создании импульсных генераторов, источников питания импульсных устройств, импульсных лазеров. Плазменный коммутатор содержит герметизируемую камеру, заполненную рабочим газом, с катодом и сетчатым анодом. Сетчатый анод выполнен с поверхностью, эквидистантной внутренней поверхности катода, а катод - в составе пластин катода, расположенных напротив друг друга с зазором. Технический результат - повышение скорости коммутации, увеличение скорости нарастания плотности тока и общего тока. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плазменный коммутатор, содержащий герметизируемую камеру, заполненную рабочим газом, с катодом и сетчатым анодом с поверхностью, эквидистантной внутренней поверхности катода, отличающийся тем, что катод выполнен в составе пластин катода, расположенных напротив друг друга с зазором.

2. Плазменный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что катод выполнен в составе плоских пластин катода, расположенных относительно друг друга параллельно, на расстоянии, между пластинами катода на равном расстоянии установлен сетчатый анод, выполненный в составе рамки и сетки из намотанной на рамку проволоки или выполненный в составе рамки и сетки, которая предварительно изготовлена из проволоки, а затем прикреплена к рамке.

3. Плазменный коммутатор по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала пластин катода использован карбид кремния или металл - титан, тантал, молибден, нержавеющая сталь, пластины катода выполнены размером 16×3 см², рамка сетчатого анода выполнена из металлического тантала, сетка - из молибденовой проволоки диаметром до 30 мкм с шагом до 0,15 см и геометрической прозрачностью до 98%.

4. Плазменный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что катод в составе пластин катода, расположенных напротив друг друга с зазором, выполнен с возможностью одновременной подачи на пластины коммутируемого напряжения отрицательной полярности, а сетчатый анод - с возможностью подачи на него напряжения положительной полярности.

5. Плазменный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что в продольном направлении по краям пластин катода, расположенных напротив друг друга с зазором, выполнены изоляторы, отделяющие пластины катода и сетчатый анод друг от друга, в форме примыкающих к сетчатому аноду и пластинам катода пластинчатых вставок, у которых для электрической прочности в направлении от краев пластин катода к центральной области сформированы скосы с образованием острого угла в месте примыкания к поверхности сетчатого анода, на торцевых концах пластины катода состыкованы со стеклянными пластинами с выполненным вакуумным вводом и герметизированы герметизирующими элементами окнами.

6. Плазменный коммутатор по п.5, отличающийся тем, что в качестве материала изоляторов использовано техническое стекло.

7. Плазменный коммутатор по п.1, или 2, или 5, отличающийся тем, что пластинчатые вставки выполнены геометрией, обуславливающей в поперечном сечении форму прямоугольной трапеции с острым углом, составляющим 15°, при большем основании, примыкающим к сетчатому аноду.