СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ РАЗРЯДА С СУЖЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА Российский патент 2016 года по МПК H01J17/00 

Изобретение относится к плазменной энергетике к области стабилизации напряжения в высоковольтном диапазоне и может быть использовано в силовых цепях объектов наземной и космической ядерной энергетики, а также при разработке систем экологической аварийной защиты и контроля на атомных станциях, ядерных энергетических установках, подводных лодках.

Известен способ стабилизации напряжения (авторское свидетельство SU №1185429, опубл. 15.10.1985 г.), реализованный в конструкции плазменного диода с сужением разрядного канала. Способ включает создание разряда между анодом и катодом в газонаполненном приборе. Разряд создают в режиме низковольтного пучкового разряда в инертном газе. Давление газа выбирают из выражения $$d\le l_{\epsilon }=\sqrt{\frac{1}{3}{l}_{ia}\cdot l_{ea}}$$ . При этом устанавливают рабочий ток, не превышающий ток эмиссии катода. Для стабилизации напряжения в диапазоне 10-50 B межэлектродный промежуток заполняют инертными газами с различными потенциалами ионизации: ксеноном, криптоном, аргоном, неоном и гелием.

Недостатком аналога является невозможность стабилизации напряжения выше 50 В и развитие неустойчивостей, вызванных наличием участка отрицательного сопротивления на вольтамперной характеристике (BAX) прибора.

Известен стабилитрон с регулировкой рабочего тока (патент RU 2417397, опубл. 27.04.2007 г.), содержащий соединенные последовательно между собой источник питания, сопротивление нагрузки и ограничительное сопротивление в цепи нагрузки. Стабилитрон снабжен триодным стабилитроном, включенным параллельно сопротивлению нагрузки, и ограничительным сопротивлением, включенным между базой и коллектором триодного стабилитрона.

Недостатком аналога является невозможность стабилизации напряжения выше 50 B.

Известен высоковольтный стабилизатор постоянного напряжения (патент RU 2298256, опубл. 27.04.2011 г.), содержащий стабилизирующий элемент, преобразователь напряжения, подключенный к стабилизирующему элементу и к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к двухканальному вентильно-конденсаторному блоку.

Недостатком аналога является невозможность гибкого управления стабилизируемым напряжением.

Известен способ стабилизации электрических параметров в газоразрядных приборах с отрицательным сопротивлением (патент RU 2498441, опубл. 10.11.2013 г.), принятый за прототип. Способ реализован в трехэлектродной конструкции, где анод выполняют с отверстием, а управляющий электрод устанавливают вне разрядного промежутка за анодом, соосно с ним. Способ включает создание основного разряда между катодом и анодом, создание разряда между анодом и управляющим электродом и установку тока управляющего электрода не более 0,05 A.

Недостатком прототипа является невозможность стабилизации напряжения выше 50 B.

Техническим результатом изобретения является получение стабилизированного напряжения U_стаб в диапазоне от 10 до 100 B.

Технический результат достигается тем, что разряд создают непосредственно между катодом и управляющим электродом через отверстие в основном аноде, на основной анод подают отрицательный потенциал, а регулировку стабилизируемого напряжения в диапазоне от 10 до 100 B осуществляют изменением давления гелия либо отрицательного потенциала на основном аноде.

Способ стабилизации высоковольтного напряжения на базе разряда с сужением плазменного канала поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - конструкция прибора с сужением разрядного канала, где

1 - катод;

2 - основной анод;

3 - внешний управляющий электрод;

4 - нагреватель;

5 - тепловой экран;

6 - катодная микротермопара;

7 - зонд;

8 - охранные алундовые изоляторы;

9 - боковой проводящий экран;

фиг. 2 - ΒΑΧ промежутка катод-основной анод (1-3) и катод-управляющий электрод (4-7); P_He, тор: 1-0,9; 2-0,3; 3-0,1; 4-1; 5-0,8; 6-0,6; 7-0,5.

фиг. 3 - ΒΑΧ промежутка катод-управляющий электрод, зарегистрированный при разных давлениях гелия P_He, тор: 1-0,85; 2-0,7; 3-0,6; 4-0,4, 5-0,2, 6-0,1.

фиг. 4 - ΒΑΧ промежутка катод-управляющий электрод при различных отрицательных потенциалах основного анода U_a и давлении P_He=0,5 тор.

фиг. 5 - зависимость стабилизируемого напряжения U_стаб от давления гелия,

фиг. 6 - зависимость стабилизируемого напряжения U_стаб от отрицательного потенциала на основном аноде для трех значений давления гелия.

Способ осуществляют следующим образом.

Устройство прибора приведено на фиг. 1. Импрегнированный барием термокатод 1 имеет диаметр 10 мм, а основной молибденовый анод 2 выполнен в виде диафрагмы диаметром 30 мм с центральным отверстием диаметром 2 мм. Основной анод установлен в 8 мм от катода параллельно и соосно с ним. Управляющий молибденовый электрод 3 диаметром 30 мм вынесен из зоны основного разряда за основной анод и находится от него на расстоянии 1 мм. К катоду примыкает формирователь геометрии основного разрядного промежутка в виде металлического конусного экрана 9. Межэлектродный промежуток заполняют спектрально-чистым гелием. Потенциал конусного экрана совпадает с потенциалом катода. Напряжение на основной анод и управляющий электрод подают относительно катода от источника постоянного тока (не показано).

Для пояснения способа на фиг. 2 приведены ΒΑΧ промежутка катод-основной анод (1-3) и катод-управляющий электрод (4-7) в режиме низковольтного пучкового разряда; P_He, тор: 1-0,9; 2-0,3; 3-0,1; 4-1; 5-0,8; 6-0,6; 7-0,5. Из фиг. 2 видно, что ΒΑΧ 4-7 являются существенно более высоковольтными, чем 1-3, и удовлетворяют требованиям стабилизации напряжения в диапазоне выше 50 B.

Далее осуществляется управление стабилизируемым напряжением в диапазоне 50-100 B путем изменения давления гелия. Проанализируем фиг. 3, где представлены вольтамперные характеристики промежутка катод-управляющий электрод, зарегистрированные для ряда значений давлений гелия; P_He, тор: 1-0,85; 2-0,7; 3-0,6; 4-0,4, 5-0,2, 6-0,1. Видно, что с уменьшением давления напряжение горения разряда растет и достигает значения ≈100 B при P_He=0,1 тор.

Столь же эффективное управление стабилизируемым напряжением U_стаб в диапазоне от 50 до 100 B может осуществляться изменением отрицательного потенциала на основном аноде, что подтверждается фиг. 4, где представлены ΒΑΧ промежутка катод-управляющий электрод при различных отрицательных потенциалах основного анода U_a и давлении P_He=0,5 тор. Видно, что изменение потенциала основного анода в диапазоне Ua=(-2÷-16) B решает задачу управления стабилизированным высоковольтным напряжением вплоть до U_стаб=100 B.

Эффективность предлагаемого способа проиллюстрирована зависимостью стабилизируемого напряжения от давления гелия (фиг. 5) и от отрицательного потенциала на основном аноде для трех значений давления гелия (фиг. 6).

Таким образом, способ обеспечивает получение стабилизированного напряжения в диапазоне от 10 до 100 B за счет создания разряда между катодом и управляющим электродом через отверстие в основном аноде при отрицательном анодном потенциале и управления стабилизируемым напряжением. Такое управление может осуществляться как регулировкой давления гелия, так и изменением отрицательного потенциала на основном аноде.

Изобретение относится к плазменной энергетике к области стабилизации напряжения в высоковольтном диапазоне и может быть использовано в силовых цепях объектов наземной и космической ядерной энергетики, а также при разработке систем экологической аварийной защиты и контроля на атомных станциях, ядерных энергетических установках, подводных лодках. Технический результат - получение стабилизированного напряжения U_стаб в диапазоне от 10 до 100 B. Разряд создают непосредственно между катодом и управляющим электродом через отверстие в основном аноде, на основной анод подают отрицательный потенциал, а регулировку стабилизируемого напряжения в диапазоне от 10 до 100 B осуществляют изменением давления гелия либо отрицательного потенциала на основном аноде. 6 ил.

Способ стабилизации высоковольтного напряжения на базе разряда с сужением плазменного канала, включающий установку управляющего электрода соосно за основным анодом, выполненным с отверстием, отличающийся тем, что разряд создают непосредственно между катодом и управляющим электродом через отверстие в основном аноде, на основной анод подают отрицательный потенциал, а регулировку стабилизируемого напряжения в диапазоне от 10 до 100 В осуществляют изменением давления гелия либо отрицательного потенциала на основном аноде.