Газоразрядный коммутатор Российский патент 2019 года по МПК H01J17/02 

Техническое решение относится к электронной технике, а именно, к электрическим коммутирующим газоразрядным электронным приборам и может быть использовано при создании импульсных устройств, в частности, генераторов импульсов с субнаносекундными фронтами нарастания, источников питания импульсных устройств, для накачки газоразрядных импульсных лазеров и других приборов.

Известен газоразрядный коммутатор - тиратрон с холодным катодом (патент РФ №2089003 на изобретение), содержащий корпус, выполненный с возможностью заполнения его газом и герметизации, в котором расположены с возможностью формирования разрядной области высоковольтные электроды - анод с полой камерой либо без нее и первый катод с полой камерой, ограниченной металлическими стенками с отверстиями, расположенные в одной части объема корпуса, а также содержащий установленный в стенке корпуса узел управления моментом включения разряда со вспомогательным анодом и вторым катодом, которые расположены относительно указанных анода и первого катода в противоположной части объема корпуса, сообщающейся с высоковольтным промежутком через отверстия в электродах, при этом первый катод выполнен смежно со вторым катодом, выполненным в виде одной или нескольких замкнутых полостей с одним или несколькими отверстиями, а вспомогательный анод расположен внутри второго катода.

Газоразрядный коммутатор также содержит резервуар с запасом рабочего газа. В качестве рабочего газа использован водород или дейтерий. В коммутаторе вспомогательный анод выполнен в виде одного или нескольких колец, расположенных симметрично относительно оси коммутатора, с отверстиями, соединяющими полость второго катода с полостью первого катода, а один или несколько выводов вспомогательного анода выполнены в экране, реализованном с возможностью подачи электрического потенциал второго катода. Второй катод выполнен в виде кольцеобразной замкнутой полости с осью, совпадающей с коммутатора, 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 корпусом через полый изолятор, длина которого выбрана из условия достижения электрической прочности 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 не соосно относительно друг друга. Объем между одним из электродов коммутатора 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.

Приведенный газоразрядный коммутатор не решает техническую проблему создания электрических газоразрядных электронных средств субнаносекундной коммутации с высокой частотой срабатывания.

Известное техническое решение не рассчитано на работу в субнаносекундном режиме коммутации с высокими степенью сжатия первичного импульса и частотой следования импульсов - до десятков кГц при увеличении степени сжатия импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса.

Переход коммутатора из непроводящего в проводящее состояние (процесс коммутации) достаточно долог. Время перехода из непроводящего в проводящее состояние (время коммутации) в таком тиратроне, вследствие его конструктивных особенностей и использования в качестве рабочего газа водорода или дейтерия, составляет от 3 до 10 нс, что обуславливает низкую скорость коммутации и невозможность коммутации импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания.

В качестве ближайшего аналога выбран газоразрядный коммутатор (патент РФ №2497224 на изобретение), содержащий корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом, которые выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, установленных с зазором относительно друг друга и представляющих собой разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток. Катод и анод снабжены электрическими выводами на их концах. Корпус реализован в составе образующих в совокупности замкнутый объем катода в виде обечайки, изоляторов, установленных между электрическими выводами катода и анода, торцевых изоляторов, образующих торцы. Катод и анод установлены друг относительно друга эквидистантно. Диаметр катода не менее чем в 10 раз больше зазора, анод в виде сетки выполнен с геометрической прозрачностью 85%. В качестве рабочего газа использован гелий и/или неон с добавками водорода в количествах, приводящих к преимущественной ионизации водорода.

Приведенный в качестве ближайшего аналога газоразрядный коммутатор также не решает вышеуказанную техническую проблему.

Хотя известный коммутатор рассчитан на работу в субнаносекундном режиме коммутации, он не обеспечивает требуемой высокой степени сжатия первичного импульса и частоты следования импульсов до десятков кГц при увеличении степени сжатия импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса.

Под степенью сжатия (компрессии) импульсов питания S, которая для известного коммутатора недостаточна - S<100, понимается отношение длительности входного импульса τ_f ко времени коммутации τ_s, S=τ_f/τ_s. Она снижается с ростом частоты следования f импульсов из-за низкого τ_f и относительно высокого τ_s. Разряд в данном газоразрядном коммутаторе развивается довольно быстро. Это препятствует увеличению степени сжатия первичного импульса и повышению частоты следования свыше f>10 кГц.

Разработка предлагаемого газоразрядного коммутатора направлена на решение технической проблемы создания газоразрядных электронных средств субнаносекундной коммутации с высокой частотой срабатывания за счет следующего технического результата.

Техническим результатом является:

- увеличение степени сжатия первичного импульса;

- повышение частоты следования импульсов до десятков кГц при увеличении степени сжатия импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса.

Технический результат достигается в газоразрядном коммутаторе, содержащем корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом, которые выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, установленных с зазором относительно друг друга и представляющих собой разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток, при этом в газоразрядном коммутаторе в корпусе расположена для формирования дополнительного разрядного промежутка вторая разрядная структура, выполненная в составе катода указанной первой разрядной структуры и снабженной дополнительным анодом диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра, являющимся разрядным каналом, с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, с образованием за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярного канала с осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры, при этом нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ заданы отсутствием протекания электрического тока по поверхности разрядного канала, а нижнее значение d₂ задано реализацией теплоотвода, дополнительный анод установлен в одном из торцов корпуса в выполненном в этих целях отверстии на оси катода в виде обечайки и анода в виде сетки с примыканием к выходу сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра, диэлектрическая капиллярная структура выполнена содержащей не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁, длиной вдоль ее оси, равной не более расстояния от торца по указанной оси до входа в разрядную область, охватываемую обечайкой, в виде которой выполнен катод.

В коммутаторе корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом с электрическими выводами на их концах, первый из которых выполнен в виде обечайки, охватывающей разрядную область, реализован в составе образующих в совокупности замкнутый объем катода в виде обечайки, изоляторов, установленных между электрическими выводами катода и анода, торцевых изоляторов, образующих торцы.

В коммутаторе корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, выполнен с заполнением его гелием в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению гелия от 4 до 10 Торр, включая указанные значения, или выполнен с заполнением его неоном в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению неона от 1 до 4 Торр, включая указанные значения, или выполнен с заполнением его аргоном в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению аргона от 0,5 до 1 Торр, включая указанные значения.

В коммутаторе диэлектрическая капиллярная структура в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, в которой образован за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярный канал с осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры, и содержащая не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁, собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины, в каждой из которых сформировано отверстие, центр каждого отверстия расположен на оси, являющейся осью первой разрядной структуры, причем одна часть пластин выполнена с отверстиями большего диаметра d₁ фиксированной величины, а вторая часть - с отверстиями меньшего диаметра d₂ фиксированной величины, пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности отверстий меньшего диаметра d₂ сформирован капиллярный канал, пластины с отверстиями большего диаметра расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформировано отверстие меньшего диаметра, при этом пакет собран в составе не менее четырех пластин - двух пластин с отверстиями большего диаметра d₁ и двух пластин с отверстиями меньшего диаметра d₂.

В коммутаторе сетчатый анод, дополнительный анод снабжены электрическими выводами на их концах.

Суть технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На Фиг. 1 схематически представлена конструкция газоразрядного коммутатора высоковольтных импульсов, где 1 - катод; 2 - сетчатый анод; 3 - изолятор; 4 - диэлектрическая капиллярная структура; 5 - дополнительный анод.

На Фиг. 2 представлена схема соединения газоразрядного коммутатора с импульсным источником питания, выполненным в составе источника постоянного напряжения, коммутирующее средство высоковольтных импульсов, накопительной емкости, двух индуктивностей, двух диодов, а также с нагрузкой, рабочей емкостью, включающей пару неравных по номиналу последовательно соединенных емкостей, в котором рабочая емкость последовательно соединена с нагрузкой и газоразрядным коммутатором, который выводами сетчатого анода подключен к соединенным выводам емкости меньшего номинала и емкости большего номинала рабочей емкости, а выводами катода подключен ко второму концу емкости большей по номиналу, при этом емкость меньшего номинала подключена вторым концом к нагрузке, зашунтированной диодом, где 1 - катод; 2 -сетчатый анод; 3 - изолятор; 4 - капиллярная структура; 5 - анод; 6 - источник постоянного напряжения; 7 - коммутирующее средство первичных высоковольтных импульсов; C₁ - накопительная емкость; L₁ и L₂ - первая и вторая индуктивности; VD₁ -первый диод; VD₂ - второй диод; VD₃ - шунтирующий диод; R_L - нагрузка; С₀ - рабочая емкость; C₀₁ - емкость в составе рабочей емкости меньшего номинала; С₀₂ - емкость в составе рабочей емкости большего номинала; R_ш - шунт; R₁₁ и R₁₂ - первые омические делители; R₂₁ и R₂₂ - вторые омические делители.

На Фиг. 3 показаны экспериментальные осциллограммы напряжения на катоде (рабочей емкости С₀) и нагрузке R_L=50 Ом и осциллограммы тока через газоразрядный коммутатор, измеренные, соответственно, с помощью первых омических делителей R₁₁ и R₁₂, вторых омических делителей R₂₁ и R₂₂ и шунта R_ш - а) осциллограммы импульсов, начиная от момента подъема напряжения на рабочей емкости до ее полной разрядки, б) и в) осциллограммы импульсов в более узком временном интервале, а именно, в момент коммутации, где: 8 - осциллограмма напряжения на катоде газоразрядного коммутатора; 9 - осциллограмма напряжения на нагрузке; 10 - осциллограмма тока через газоразрядный коммутатор.

На Фиг. 4 показаны экспериментальные данные, демонстрирующие зависимость времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f при напряжении U=20 кВ на рабочей емкости и нагрузке R_L=50 Ом при разных давлениях рабочего газа - гелия, где 11 - зависимость времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f, соответствующая давлению гелия 4 Торр; 12 - зависимость времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f, соответствующая давлению гелия 7 Торр; 13 -зависимость времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f, соответствующая давлению гелия 10 Торр.

На Фиг. 5 показаны экспериментальные данные зависимости времени задержки развития разряда τ_d от частоты следования импульсов f при нагрузке R_L=50 Ом и давлениях рабочего газа - гелия, в отношении которых измерены зависимости времени коммутации τ_s, где 14 - зависимость времени задержки τ_d, соответствующая давлению гелия 4 Торр; 15 - зависимость времени задержки τ_d, соответствующая давлению гелия 7 Торр; 16 - зависимость времени задержки τ_d, соответствующая давлению гелия 10 Торр.

На Фиг. 6 приведены расчетные данные степени сжатия импульсов S, полученные на основании результатов измерений зависимостей времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f при напряжении U-20 кВ на рабочей емкости и зависимостей времени задержки τ_d от частоты следования импульсов f при разных (4, 7 и 10 Торр) давлениях рабочего газа - гелия, при нагрузке R_L=50 Ом, где 17 - зависимость степени сжатия импульсов S от частоты следования импульсов f при давлении гелия 4 Торр; 18 -зависимость степени сжатия импульсов S от частоты следования импульсов f при давлении гелия 7 Торр; 19 - зависимость степени сжатия импульсов S от частоты следования импульсов f при давлении гелия 10 Торр.

Предлагаемый газоразрядный коммутатор (Фиг. 1) содержит кроме расположенных в корпусе с возможностью формирования разрядной области катода 1 и сетчатого анода 2 диэлектрическую капиллярную структуру 4, расположенную в корпусе, а также дополнительный анод 5, установленный в торце корпуса. Наличие элементов -диэлектрической капиллярной структуры 4 и дополнительного анода 5 - является отличием предлагаемого газоразрядного коммутатора, за счет чего достигается указанный технический результат.

Катод 1 в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и сетчатый анод 2, установленные друг относительно друга с зазором, в совокупности представляют собой разрядную структуру, характерную для технического решения, приведенного в качестве ближайшего аналога, в котором происходит быстрое развитие разряда. В результате быстрого развития разряда рабочее напряжение на катоде газоразрядного коммутатора не успевает достигнуть более высоких значений, поскольку начинается развитие разряда. Быстрое развитие разряда, не предоставляет возможности для повышения частоты следования импульсов и увеличения степени сжатия первичного импульса.

Увеличению времени развития разряда, повышению величины рабочего напряжения на катоде газоразрядного коммутатора, обеспечению увеличения частоты следования импульсов и степени сжатия первичного импульса, способствует расположение в корпусе второй разрядной структуры для формирования дополнительного (второго) разрядного промежутка, для чего газоразрядный коммутатор укомплектовывается диэлектрической капиллярной структурой 4 и дополнительным анодом 5. Наличие второй разрядной структуры, выполненной в составе катода 1 указанной первой разрядной структуры и снабженной дополнительным анодом 5 диэлектрической капиллярной структуры 4 (см. Фиг. 1 и 2), приводит к задержке развития разряда, то есть устраняет причину, препятствующую достижению указанного технического результата и способствует решению, таким образом, технической проблемы.

В предлагаемом газоразрядном коммутаторе благодаря наличию диэлектрической капиллярной структуры организовано протекание тока, отличающееся от ближайшего аналога. Катод 1 и сетчатый анод 2 представляют собой первую разрядную структуру, обеспечивающую первый разрядный промежуток, выполняющую роль плазменного катода. Электронный ток последовательно протекает от плазменного катода, через второй разрядный промежуток, образуемый плазменным катодом, через капиллярный канал диэлектрической структуры 4 и замыкается на дополнительный анод 5. Тем самым недостаток ближайшего аналога - быстрое развития разряда - в предлагаемом способе становится достоинством - это быстрое формирование плазменного катода. Задержка развития разряда и, как следствие, увеличением времени нарастания тока за счет протекания тока через капиллярный канал диэлектрической структуры 4 позволяет достичь более высокого напряжения и соответственно более высоких токов через газоразрядный коммутатор, увеличить степень сжатия первичных импульсов и повысить их частоту следования.

Диэлектрическая капиллярная структура 4 изготовлена в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра, выполняющим функцию разрядного канала. Разрядный канал обеспечивает протекание по нему электрического тока с задержкой разряда. В целях обеспечить указанное протекание тока разрядный канал сформирован (см. Фиг. 1 и 2) с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, с образованием за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярного канала, являющегося каналом, в котором протекает ток, характеризующимся осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры. При этом в отношении сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра его нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ заданы условием отсутствия поверхностного пробоя - протекания электрического тока по поверхности разрядного канала. В этом случае протекание тока в капиллярном канале имеет объемный характер. В противном случае возникает ситуация, аналогичная ситуации в ближайшем аналоге с характерным быстрым развитием разряда. Нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ взаимосвязаны данным условием. Нижнее значение d₂ задано условием реализации необходимого теплоотвода, в виду больших плотностей тока и возможного разогрева.

Дополнительный анод 5 установлен в одном из торцов корпуса (см. Фиг. 1 и 2). В торце корпуса сформировано в этих целях отверстие, расположенное на оси катода 1 в виде обечайки и сетчатого анода 2. Дополнительный анод 5 при формировании второй разрядной структуры, с целью обеспечить протекание тока через коммутатор в капиллярном канале, между катодом 1 и дополнительным анодом 5, установлен с примыканием к выходу сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра.

В целях обеспечения протекания тока в капиллярном канале диэлектрическая капиллярная структура 4 выполнена содержащей не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁. Длина диэлектрической капиллярной структуры 4 вдоль ее оси равна не более расстояния от торца по указанной оси до входа в разрядную область, охватываемую обечайкой, в виде которой выполнен катод 1. Указанная длина обеспечивает устранение ситуации, в которой ток протекает не в капиллярном канале, а по поверхности дополнительной разрядной структуры -диэлектрической капиллярной структуры 4, сводя на нет преимущества предлагаемого решения.

Таким образом, в общем случае выполнения предлагаемый газоразрядный коммутатор содержит (Фиг. 1 и 2): корпус, высоковольтные электроды - коаксиальные катод 1 и анод (сетчатый анод 2), диэлектрическую капиллярную структуру 4, дополнительный анод 5. Корпус выполнен с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации и с возможностью формирования в нем разрядной области между указанными высоковольтными электродами. Высоковольтные электроды выполнены: катод 1 - в виде обечайки, охватывающей разрядную область, а анод - в виде сетки. Катод 1 и сетчатый анод 2 установлены друг относительно друга с зазором и представляют собой первую разрядную структуру, обеспечивающую первый разрядный промежуток, выполняющий роль плазменного катода. Катод 1 и сетчатый анод 2 снабжены электрическими выводами на их концах. Цилиндрический катод 1, в частности, с внутренним диаметром около 50 мм сформирован из реакционно спеченного карбида кремния SiC. Эквидистантно катоду 1 расположен сетчатый анод 2, в частности, диаметром около 44 мм. Длина сетки, образующая область разряда, равна примерно 70 мм. Сетка сформирована прямоугольными ячейками размером около 10×1 мм², изготовлена из молибденовой проволоки диаметром 0,05 мм, и для получения сетчатого анода 2 натянута на каркас из нержавеющей стали. Геометрическая прозрачность сетки μ=90%. Геометрическая прозрачность сетки может составлять от 85 до 95%. Внутренний диаметр катода 1 не менее чем в 10 раз превышает величину зазора между катодом 1 и сетчатым анодом 2. Сетчатый анод 2 отделен от катода 1 диэлектрическим изолятором 3, установленным по бокам первого разрядного промежутка. В корпусе расположена для формирования дополнительного (второго) разрядного промежутка вторая разрядная структура. Указанная вторая структура выполнена в составе катода 1, являющегося элементом первой разрядной структуры, и снабженной дополнительным анодом 5 диэлектрической капиллярной структуры 4. Последняя сформирована в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра, являющимся разрядным каналом.

В нем реализовано периодическое чередование участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, с образованием за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярного канала. В частности, диаметр d₂ капиллярного канала составляет от 0,5 до 1 мм, включая указанные значения, а длина капиллярного канала - от 10 до 35 мм, включая указанные значения. Участки диаметром d₁ по всей длине капиллярного канала образуют концентрические трубчатообразные «карманы». Ось капиллярного канала совпадает с осью первой разрядной структуры. Нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ заданы отсутствием протекания электрического тока по поверхности разрядного канала. Нижнее значение d₂ задано реализацией теплоотвода. Дополнительный анод 5 установлен в одном из торцов корпуса. В указанном торце корпуса в этих целях выполнено отверстие на оси катода 1 и сетчатого анода 2. Дополнительный катод 5 установлен с примыканием к выходу сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра. Диэлектрическая капиллярная структура 4 выполнена содержащей не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁. Длина диэлектрической капиллярной структуры 4 вдоль ее оси составляет не более расстояния от торца, в котором установлен дополнительный анод 5, до входа в разрядную область, охватываемую обечайкой, в виде которой выполнен катод 1.

Корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом 1 и анодом (сетчатый анод 2) с электрическими выводами на их концах, первый из которых выполнен в виде обечайки, охватывающей разрядную область, реализован в составе образующих в совокупности замкнутый объем катода 1 в виде обечайки, диэлектрических изоляторов 3, установленных между электрическими выводами катода 1 и анода (сетчатого анода 2), торцевых изоляторов, образующих торцы (см. Фиг. 1 и 2).

В качестве рабочего газа для заполнения корпуса используют гелий, или неон, или аргон. Корпус заполняют рабочим газом в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, что дополнительно способствует достижению указанного технического результата. При этом используют количество рабочего газа, обеспечивающее соответствующее давление гелия от 4 до 10 Торр, включая указанные значения, или неона от 1 до 4 Торр, включая указанные значения, или аргона от 0,5 до 1 Торр, включая указанные значения.

Диэлектрическая капиллярная структура 4 в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины - из пластин керамики Al₂O₃ круглой формы толщиной около 1 мм. В каждой пластине сформировано отверстие, центр каждого отверстия расположен на оси, являющейся осью первой разрядной структуры. Одна часть пластин выполнена с отверстиями большего диаметра d₁ фиксированной величины, например, 4,5 мм. Вторая часть пластин выполнена с отверстиями меньшего диаметра d₂ фиксированной величины, например, 1 мм. Соотношение d₁/d₂, в частности, может составлять от 4, 5 до 9, включая указанные значения, или более, определяя глубину концентрических трубчатообразных «карманов», при которой выполняется условие протекания электрического тока в капиллярном канале, а не по поверхности разрядного канала. Пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности отверстий меньшего диаметра d₂ сформирован капиллярный канал. Пластины с отверстиями большего диаметра d₁ расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформировано отверстие меньшего диаметра d₂. После пластины с диаметром отверстия 1 мм устанавливается пластина с диаметром 4,5 мм, затем снова сначала пластина с диаметром отверстия 1 мм, после которой - пластина с диаметром отверстия 4,5 мм и т.д. При этом пакет собран в составе не менее четырех пластин - двух пластин с отверстиями большего диаметра d₁ и двух пластин с отверстиями меньшего диаметра d₂. Внешний диаметр всех пластин одинаков и составляет, в частности, около 30 мм, что дает возможность разместить диэлектрическую капиллярную структуру 4 в корпусе, располагая ее на оси первой разрядной структуры. С конца диэлектрической капиллярной структуры 4, обращенного к торцу корпуса, установлен дополнительный анод 5. Дополнительный анод 5 выполнен в виде молибденового стержня диаметром около 4 мм. Его диаметр примерно соответствует по величине d₁.

Катод 1, сетчатый анод 2, дополнительный анод 5 снабжены электрическими выводами на их концах (см. Фиг. 2). К выводу сетчатого анода 2 подсоединен общий вывод из точки соединения емкостей C₀₁ и С₀₂. К выводу катода 1 подсоединен второй вывод емкости С₀₂, а второй вывод емкости C₀₁ подсоединен к нагрузке R_L. К выводу дополнительного анода подсоединен токовый шунт R_ш.

Для работы газоразрядный коммутатор подключают к импульсному источнику питания согласно схеме, представленной на Фиг. 2.

Один из электрических выводов катода 1 соединяют с одним из концов рабочей емкости С₀, а именно, с одним из концов емкости С₀₂, входящей в состав рабочей емкости С₀, ко второму концу рабочей емкости С₀, а именно, к одному из концов емкости С₀₁ входящей в состав рабочей емкости С₀, подключают одним концом нагрузку R_L, второй конец которой заземляют. К нагрузке R_L параллельно подключают диод VD₃, чем шунтируют нагрузку R_L во время протекания тока зарядки рабочей емкости С₀. Вторые концы емкостей C₀₁ и С₀₂, входящих в состав рабочей емкости С₀, соединяют друг с другом. К соединенным концам емкостей C₀₁ и С₀₂ подключают сетчатый анод 2. Дополнительный анод 5 заземляют через токовый шунт R_ш.

В составе импульсного источника питания согласно схеме (Фиг. 2) выполнены накопительная емкость С₁, индуктивности L₁ и L₂, диоды VD₁ и VD₂, источник постоянного напряжения 6, коммутирующее средство первичных высоковольтных импульсов 7 - тиратрон, или лампа, или транзистор, являющееся средством первичной коммутации. Накопительная емкость С₁ одним концом через индуктивность L₁ соединена с источником постоянного напряжения 6, вторым концом емкость C₁ соединена с анодом диода VD₁, параллельно которому подключено сопротивление R и катод которого заземлен, также вторым концом емкость С₁ подсоединена через индуктивность L₂ к катоду диода VD₂, анод которого соединен с катодом 1. Коммутирующее средство первичных высоковольтных импульсов 7 подключено в точке соединения индуктивности L₁ с источником постоянного напряжения 6.

Накопительная емкость С₁ от источника питания 6 заряжается через индуктивность L₁ до напряжения U. В момент времени, когда коммутирующее средство первичных высоковольтных импульсов 7 срабатывает, происходит формирование импульса напряжения отрицательной полярности. Данный импульс напряжения через индуктивность L₂ посредством диодов VD₁ и VD₂ заряжает пиковую (обострительную) рабочую емкость С₀, причем С₀≤С₁ Рабочая емкость С₀ заряжается до напряжения близкого к U.

Работа и достижение технического результата в газоразрядном коммутаторе происходят следующим образом.

При подаче высокого напряжения (до 25 кВ), оно делится между емкостями C₀₁ и С₀₂. Через некоторое время происходит пробой первого разрядного промежутка катод 1 - сетчатый анод 2 по механизму, который характерен для ближайшего аналога. Этот момент характеризуется изломом на переднем фронте осциллограммы напряжения на рабочей емкости (см. Фиг. 3, позиция 8), так как емкость С₀₂ быстро разряжается через газоразрядный промежуток между катодом 1 и сетчатым анодом 2. В результате образующуюся плазма шунтирует емкость С₀₂, и все напряжение оказывается приложенным к капиллярному каналу. Чем выше частота следования импульсов и рабочее напряжение, тем раньше наступает пробой между катодом 1 и сетчатым анодом 2, и тем меньше излом на осциллограмме напряжения на рабочей емкости (см. Фиг. 3, позиция 8). При частоте f>20 кГц и U=20 кВ он практически незаметен.

При достижении определенного напряжения происходит пробой капиллярного канала, и устройство срабатывает как газоразрядный коммутатор. Время пробоя капиллярного канала (время коммутации) по уровню 0,1-0,9 при условии увеличения концентрации электронов в 9 раз; определяется по формуле:

,

где: α - коэффициент Таунсенда размножения электронов; v_e - скорость дрейфа электронов; р - давление рабочего газа.

В частности, при величине α/р≈0,172 (см×Торр)^-1 и v_e≈8,4×l0⁹ см/сек, что реализуется при U=20 кВ, давлении гелия 4 Торр и длине капиллярного канала 3,5 см, время коммутации составляет τ_s=600 пс и согласуется с зависимостями на Фиг. 4.

После прохождения тока при разряде обострительной рабочей емкости С₀ плазма в капиллярном канале в ближнем послеимпульсном периоде быстро рекомбинирует в процессе амбиполярной диффузии и в дальнейшем - в процессе свободной диффузии (Райзер Ю.П., Физика газового разряда, М.: Наука, 1987 г., 592 с). К приходу следующего импульса капиллярный канал полностью восстанавливает свои изолирующие свойства. Так как диаметр капиллярного канала мал, d₂ не более 0,1 см, то рекомбинация осуществляется быстро вследствие зависимости τ_s~d₂². Таким образом, восстановление изолирующих свойств происходит в течение нескольких микросекунд. В проведенных экспериментах с использованием частот следования первичных импульсов до f=44 кГц задержка развития разряда слабо изменяется.

При малой концентрации остаточных электронов, близкой к фоновой, время жизни электронов определяется их свободной диффузией на стенку и составляет порядка 10^-8 с. Поэтому при подаче напряжения на капиллярный канал их накопление происходит очень медленно. После достижения в ходе накопления концентрации электронов порядка 10^-10 см^-3, при которой радиус экранирования Дебая становится близким к радиусу капиллярного канала, свободная диффузия затруднена, и диффузия протекает как амбиполярная. Она на 2-3 порядка медленнее, чем свободная диффузия. В связи с этим накопление заряда, то есть, увеличение концентрации плазмы, резко ускоряется, и капиллярный канал становится проводящим. Ток нарастает.

Дальнейшее нарастание тока ограничивается только индуктивностью всей разрядной цепи. Время задержки легко регулируется путем изменения концентрации рабочего газа в корпусе и рабочим напряжением и может выбираться около 1 мкс. Этого времени достаточно для того, чтобы зарядить емкость С₀ с помощью простых средств, например, с помощью транзисторных генераторов, поскольку предъявляются невысокие требования к фронту зарядного импульса и зарядному току.

Таким образом, в процессе работы сначала осуществляют зажигание разряда между катодом 1 и сетчатым анодом 2. Затем в зависимости от величины действующего напряжения, давления рабочего газа и частоты следования импульсов примерно через 1 мкс происходит зажигание разряда между дополнительным анодом 5 и катодом 1. Газоразрядный коммутатор переходит в проводящее состояние. В результате рабочая емкость С₀ начинает разряжаться через нагрузку R_L.

Индуктивность контура, состоящего из С₀, R_L и самого газоразрядного коммутатора, минимизируется с целью достижения наименьшего времени коммутации. Изменяя индуктивность L₂, регулируют время зарядки обострительной рабочей емкости С₀. Частота запускающих импульсов газоразрядного коммутатора равна частоте запускающих импульсов коммутирующего средства первичных высоковольтных импульсов 7 (тиратрон, лампа, транзистор или другое), являющегося устройством первичной коммутации. Время задержки развития разряда, определяемое внутренними процессами в газоразрядном коммутаторе, увеличивается, что приводит к возможности увеличения частоты запускающих импульсов (частоты функционирования устройства).

Для подтверждения технического результата в части повышения степени сжатия импульсов воспользуемся экспериментальными данными. Получены экспериментальные данные времени коммутации и времени задержки от частоты следования импульсов, представленные, соответственно, на Фиг. 4 и 5 для случая использования в качестве рабочего газа гелия при давлениях 4, 7 и 10 Торр, при напряжении U=20 кВ на рабочей емкости и используемой нагрузке R_L=50 Ом. На основании полученных экспериментальных данных произведен расчет (см. Фиг. 6) данных степени сжатия S импульсов в зависимости от частоты следования импульсов f. Показано, что степень сжатия S лежит в диапазоне от 750 до 1200, что существенно выше по сравнению с известным коммутатором, выбранным в качестве ближайшего аналога, для которого S<100.

Газоразрядный коммутатор относится к электронной технике, может быть использован при создании импульсных устройств. Коммутатор содержит корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, с формированием в нем разрядной области между высоковольтными электродами -коаксиальными катодом и анодом. Катод выполнен в виде обечайки, охватывающей разрядную область, анод - в виде сетки. Катод и анод в виде сетки установлены с зазором относительно друг друга и представляют собой разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток. В корпусе расположена для формирования дополнительного разрядного промежутка вторая разрядная структура в составе катода указанной первой разрядной структуры и снабженной дополнительным анодом диэлектрической капиллярной структуры. Последняя выполнена в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра, являющимся разрядным каналом, с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁. За счет наличия участков с диаметром d₂ образован капиллярный канал с осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры. Дополнительный анод установлен в одном из торцов корпуса в выполненном в этих целях отверстии на оси катода в виде обечайки и анода в виде сетки с примыканием к выходу сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра. Технический результат - увеличение степени сжатия первичного импульса и повышение частоты следования импульсов до десятков кГц при увеличении степени сжатия импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газоразрядный коммутатор, содержащий корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом, которые выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, установленных с зазором относительно друг друга и представляющих собой разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток, отличающийся тем, что в корпусе расположена для формирования дополнительного разрядного промежутка вторая разрядная структура, выполненная в составе катода указанной первой разрядной структуры и снабженной дополнительным анодом диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра, являющимся разрядным каналом, с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, с образованием за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярного канала с осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры, при этом нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ заданы отсутствием протекания электрического тока по поверхности разрядного канала, а нижнее значение d₂ задано реализацией теплоотвода, дополнительный анод установлен в одном из торцов корпуса в выполненном в этих целях отверстии на оси катода в виде обечайки и анода в виде сетки с примыканием к выходу сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра, диэлектрическая капиллярная структура выполнена содержащей не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁, длиной вдоль ее оси, равной не более расстояния от торца по указанной оси до входа в разрядную область, охватываемую обечайкой, в виде которой выполнен катод.

2. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом с электрическими выводами на их концах, первый из которых выполнен в виде обечайки, охватывающей разрядную область, реализован в составе образующих в совокупности замкнутый объем катода в виде обечайки, изоляторов, установленных между электрическими выводами катода и анода, торцевых изоляторов, образующих торцы.

3. Коммутатор по п. 2, отличающийся тем, что корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, выполнен с заполнением его гелием в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению гелия от 4 до 10 Торр, включая указанные значения, или выполнен с заполнением его неоном в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению неона от 1 до 4 Торр, включая указанные значения, или выполнен с заполнением его аргоном в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению аргона от 0,5 до 1 Торр, включая указанные значения.

4. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая капиллярная структура в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, в которой образован за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярный канал с осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры, и содержащая не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁, собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины, в каждой из которых сформировано отверстие, центр каждого отверстия расположен на оси, являющейся осью первой разрядной структуры, причем одна часть пластин выполнена с отверстиями большего диаметра d₁ фиксированной величины, а вторая часть - с отверстиями меньшего диаметра d₂ фиксированной величины, пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности отверстий меньшего диаметра d₂ сформирован капиллярный канал, пластины с отверстиями большего диаметра расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформировано отверстие меньшего диаметра, при этом пакет собран в составе не менее четырех пластин - двух пластин с отверстиями большего диаметра d₁ и двух пластин с отверстиями меньшего диаметра d₂.

5. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что катод, сетчатый анод, дополнительный анод снабжены электрическими выводами на их концах.