Управляемый коммутатор Советский патент 1984 года по МПК H01J17/06 

to

со Изобретение относится к импульсн технике, а более конкретно - к техн ке коммутации сильных токов высоког напряжения, и может быть использова в сильноточных импульсных источника питания инжекторов электрофизических и электроннолучевых технологических установок. Известны коммутирующие устройства для формирования мощных высоковольтн импульсов. Наиболее широко применяемыми из них являются импульсные тиратроны и искровые разрядники, содер жащие основные и управляющий электро ды из. Серийно выпускаемые отечественные и зарубежные тиратроны имеют ограничения по параметрам, которые определяют быстродействие и величину коммутируемой мощности. Недостатками искровых разрядников являются больша нестабильность момента начала основного пробоя и.необходимость подачи мощных пусковых импульсов с крутыми фронтами. Существенным общим недостатком этих коммутаторов является принципиальная невозможность управлять длительностью импульса разрядного тока. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является коммутатор большой мощности, содержащий анод и катодный узел, закрепленные на изоляторе,, образующем камеру рабочего тока коммутатора. Известный коммутатор представляет собой сверхмощный водородный тиратрон в котором катодный узел выполнен в виде термокатода с плоским кольцевым эмиттером из гексаборида лантана с графитовым подогревателем и отражателем, установленным на расстоянии нескольких сантиметров от эмиттера и имеющим потенциал катода. Катодный узел этого тиратрона позволяет при больших импульсных нагрузках замыкать значительную (свыше 80) часть импульсного тока через отражатель, за счет чего достигается существенная разгрузка термокатода. Тиратрон сохраняет устойчивую работу при значительном уменьшении плотности газа в катодной области в пределах 0,010,1 торр. Для поддержания стабильнос ти давления в указанном диапазоне в герметичный объем прибора помещен генератор водорода и датчик давления в соответствии с показаниями которог осуществляется управление мопцюстью 31 накала генератора водорода. Управление тиратроном осуществляется с помощью инициирующего электрода и управляющего электрода в виде сетки, на которую подается управляющий, сигнал амплитудой более 3000 В и током 10 А. Запаздывание зажигания тиратрона относительно управляющего импульса составляет 0,2-0,3 мкс, электрическая прочность анодной камеры не вьш1е 120 кВ при высоте прибора 1500 мм, потребляемая катодным узлом мощность 5 кВт :21. Недостатком известного коммутатора является невозможность управления длительностью импульса коммутируемого тока. Целью изобретения является повышение мощности и обеспечение регулирования длительности и величины тока коммутируемого импульса. Указанная цель достигается тем, что в управляемом коммутаторе большой мощности, содержащем анод и катодный узел, закрепленные на изоляторе, образующем камеру рабочего тока коммутатора, катодш 1й узел выполнен в виде дуоплазмотрона с дополнительным анодом, установленным между промежуточным анодом и антикатодом дуоплазмотрона, а дополнительный анод и термокатод дуоплазмотрона выполнены с вводами для подключения к управляющей ключевой схеме. На фиг.1 изображен предлагаемый коммутатор, разрез; на фиг.2 - схема его питания. Коммутатор содержит айод 1 и катодный узел 2, закрепленные на изоляторе 3, образующем камеру 4 рабочего тока коммутатора. Катодный узел 2 коммутатора выполнен в виде дуоплазмотрона, выполняющего функцию плазменного катода с разрядной камерой 5. Камера 4 служит для обеспечения высокой электрической прочности промежутка плазменный катод-анод. Разрядная камера 5, обеспечивающая генерацию эмиттирующей плазмы, образована системой .четырех электродов: оксидный термокатод 6, промежуточный анод 7, главный анод 8 и антикатод 9 с эмиссионным отверстием 10. Оксидный катод крепится на катодном фланце 1 t с помощью изолированных от фпанца и охлаждаемых проточной водой вводов - катодных ножек 12. Промежуточный анод 7 гальванически соединен с антикатодом 9 кожухом магнитопровода 13, Промежуточный анод в конической части имеет канал. Между промежуточным анодом 7 и антикатодом 9 действует аксиальносимметричное магнитное поле, создаваемое катушкой 14, расположенной внутри незамкнутого магнитопровода, Оптимальный выбор конфигурации разрядного промежутка и напряженности магнитного поля в нем позволяет эффективно производить отбор электрон из газоразрядной плазмы. Главный анод 8, выполненный из меди, имеет отверстие, аксиальное с каналом np межуточного анода 7 и антикатодом 9 и изолирован от промежуточного анод и антикатода с помощью изолирующих прокладок 15, Диаметр эмиссионного отверстия 10 антикатода, имеющего немагнитную вставку, составляет 2 мм, поскольку при диаметре, большем 2 мм, возникает нестабильность замыкания дуги в разрядной камере из-за провисания внешнего электриче кого поля. Анод 1 коммутатора полусферической формы крепится к анодно фланцу с помощью резьбового штока, позволяющего менять длину пробивног промежутка. Резервуар 16 рабочего газа соединен с разрядной камерой через импульсный электромагнитный натекатель 17, Источник питания плазменного катода, выполненный в виде формир к ще линии 18, предназначен для зажигани разряда. Коммутатор работает следующим об разом. Включаются накал термокатода 6 и выпрямители, питающие магнитную катушку и формирующую линию дуговог разряда плазменного катода. На элек ромагнитный натекатель 17 подается импульс; после открывания натекател через время, необходимое для установления давления газа 3-10 торр в разрядной камере (,3с) с формирующей линии 18 (фиг,2) включением управляющего тиристора 19 подается поджигающий отрицательный импульс н термокатод 6, Амплитуда поджигающег импульса составляет 400 В при токе дуги до ВО А, Эмиттируемые термокатодом 6 электроны попадают на проме жуточный анод 7, находящийся в моме времени t О под потенциалом общей шины. Протекая по сопротивлению 20 (120 Ом), включенному между промежуточным анодом и главйым анодом 8, ток создает разность потенциалов, обеспечивающую вытягивание дуги в канал промежуточного анода. Нарушение однородности разрядного промежутка каналом промежуточного анода приводит к образованию двойного слоя полусферической формы, который фокусирует и ускоряет электроны дугового разряда. За счет фокусировки электрическим полем и сжатия магнитным полем, образуемым магнитной катушкой 14 и незамкнутым магнитопроводом (анод 7, магнитопровод 13 и антикатод 9), электроны проходят через канал главного анода и осциллируют в зазоре промежуточный анод 7 - антикатод 9, Это позволяет получить в анодной области разрядной -камеры степень ионизации, близкую к 100%, За счет высокого парциального давления носителей в разряде и сильного сжатия разряда плазма вытесняется через эмиссионное отверстие 10 антикатода 9 в рабочую вакуумную камеру коммутатора, где происходит отбор электронов из плазмы и формирование рабочего тока коммутатора. Благодаря тому, что вакуумная камера непрерьгоно откачивается, а разрядная камера связана с вакуумной камерой лишь эмиссионным отверстием диаметром 2 мм, между ними можно легко создавать значительный перепад давлений. В результате в промежутке меяаду электродами коммутатора обеспечивается высокий вакуум, и электрическая прочность промежутка определяется только вакуумным пробоем. Под действием приложенного электрического, поля в вакуумной камере возникает ток электронов и происходит коммутация рабочего напряжения на нагрузку. Электрическое питание.разрядной камеры осуществляется от модуляторного блока, формирующего прямоугольные импульсы длительностью 10 - 1000 мкс с амплитудой тока до 100 А, При необходимости укорочения длительности импульса коммутатора дополнительным управляющим импульсом отпирается модулятор 21 (фиг.2), который шунтирует нагрузку 22 и обрывает разряд, в результате чего прекращается поступление плазмы в вакуумную камеру

и прерывается рабочий ток коммутатора.

Величина рабочего тока коммутатора регулируется в пределах от нуля до максимального значения, определяемого геометрией совокупности электродов плазменного эмиттера, посредством изменения длительности разряда модулятора 21 и величины контрагирующего магнитного, поля в разрядной камере.

Предлагаемый управляемый коммутатор большой мощности с плазменным катодом выгодно отличается от импульсного тиратрона, который является базовым объектом. Он сочетает в себе все известные достоинства импульсных тиратронов и частично устраняет их недостатки. Отличительной особенность коммутатора большой мощности является то, что в нем использован плазменный

катод, который способен отдавать килоамперные токи в диапазоне длительностей импульсов до 1000 мкс при малой потребляемой катодным узлом мощности (60 Вт). Кроме того, применение плазменного катода в коммутаторе открывает эффективный путь управления током разряда вплоть до полного его прерывания. Эффективное управление рабочим током коммутатора осуществля.ется путем изменения эмиссионной способности плазмы регулировкой тока разряда, которая может производиться маломощным модулятором. Так как в коммутаторе используется режим отбора электронов из плазмы и вакуум, то имеется возможность коммутировать напряжения до 200 кВ и более. Достоинствами коммутатора являются также простота конструкции, значительный (2000 ч) срок службы и малое - порядка 5-7 с время включения.

УПРАВЛЯЕМЫЙ КОММУТАТОР, содержащий анод и катодный узел, закрепленные на изоляторе, образующем камеру рабочего тока коммутатора, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности, обеспечения регулирования длительности и величины тока коммутируемого импульса, катодный узел выполнен в виде дуоплазмотрона с дополнительным анодом, установленным между промежуточным анодом и антикатодом дуоплазмотрона, при этом дополнительный анод и термокатод дуоплазмотрона имеют вводы для подсоединения к управляющей ключевой схеме.

f9

/V - /

22 гj

Фи9.2