Газоразрядное коммутирующее устройство Советский патент 1985 года по МПК H01J17/14 H01J1/50 

I . Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к газоразрядным коммутирующим устройствам с магнитным управлением, предназначенным для управляемого зажигания и гашения разряда, и может быть использовано в различных мощных импульсных установках. Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик и характеристик управления по зажиг нию и гашению разряда без снижения коммутирующей способности по току и напряжению за счет снижения мощности управления. На фиг. 1 представлена схема уст ройства; на фиг. 2 - диаграмма токо Газоразрядное коммутирующее устройство содержит два цилиндрических коаксиальных электрода 1 и 2. Внутренний электрод состоит из двух сек ций 3 и 4, образующих два межэлектродных зазора 5 и 6. Со стороны бол шего из них установлена секция кату ки 7, а со стороны меньшего - секци катушки 8. Устройство наполнено газом низкого давления, которое опр деляется из условия (Тор), где. Aj - длина свободного пробега электрона при 1 Торе, для обеспечения необходимой электрической прочиости в соответствии с левой ветвью кривой Пашена. Каждьш из промежутко охвачен собственной катушкой управления (6 и 7); Длина катушки 7 для зазора 5 (основного) с большим межэлектродным расстоянием равна его длине вдоль оси, а длина катушки 8 для второго зазора 6 (вспомогательного) меньше его длины. Расстояние между .секциями катушек 7 и 8 от пер вого промежутка выбирается таким, чтобы оно более чем в два раза прев шало, межэлектродное расстояние вто- рого зазора, т.е. 7 2СК-Г2). Граничные увловия выбора межэлектро ного расстояния первого зазора (R-r следующие. Для обеспечения устойчивого зажигания оно должно по край ней мере в 2 раза превьш1ать циклотронньй радиус -электронов при коммутируемом анодном напряжении. Увеличение межэлектродного расстояния первого зазора (уменьшение г ограничивается условиями охлаждения анода (разряд большую часть времени горит в первом зазоре) и необходи9782мостью обеспечения электрической прочности ус-тройства в соответствии с левой ветвью кривой Пашена. Практика показывает, что с точки зрения обеспечения электрической прочности в диапазоне 10-40 кВ величина произведения p(R-r) для водорода должна быть порядка 0,3 мм рт.ст. Например, при давлении водорода 0,1.Тор межэлектродное расстояние первого промежутка может быть выбрано до 3 см, при давлении 0,05 Тор его можно увеличивать до 6 см. Что касается межэлектродного расстояния второго зазора то его величина по крайней.мере должна превыппать два циклотронных радиуса при напряжении поддержания разряда (/400 в) В этом случае уже обеспечивается устойчивый разряд. Однако ввиду возможности появления вакуумного пробоя в исходном режиме, когда и к электродам приложено высокое коммутируемое напряжение, межэлектродное расстояние второго зазора не следует брать менее. 34 см. Коммутирующее устройство.последовательно включают в высоковольтную цепь. При подач.е в первый (основной) зазор 5 импульса магнитного поля Н (фиг. 2) длительностью Т, несколько меньшей длительности разрядного тока IP (Tj ), в основном зазоре 5 зажигается разряд в скрещенных полях, обеспечивающий прохождение разрядного тока. Импульс магнитного поля Н2 подается во второй (вспомогательньй) зазор 6 в момент времени, предшествующий на величину if, равную нескольким микросекундам, окончанию импульса Н так, что.бы в нем сформировался устойчивый разряд. Длительность импульса; H Ctj выбирается равной 10-15 икс. За это время плазма в первом зазоре полностью распадается, и его электропрочность восстанавливается. При окончании импульса Н разряд во втором зазоре -гаснет и приборполностью выключается. Таким образом, энергетические характеристики прибора в период проводимости и характеристики управления по зажиганию разряда обеспечиваются первым (основным)зазором. Второй (вспомогательный) промежуток включается лишь кратковременно в момент времени, близкий к окончанию разрядного тока.

н определяет характеристики управления по гашению разряда.

Влияние плазмы второго зазора на процесс деионизации в первом зазоре практически несущественно благодаря удалению второй катушки, а соответственно и разрядной плазмы второго зазора (протяженность разряда в магнитном поле в коаксиальной .системе электродов определяется длиной магнитной катушки) .

Деионизация плазмы между двумя коаксиальными цилиндрами в продольном направлении спадает по экспоненциальному закону пропорционально величине - длина цилиндров, d - расстояние между ними), поэтому уже двукратное превышение величины по сравнению с межэлектродным расстоянием второго зазора обеспечивает надежное экранирование первого зазора от второго.

Длительность импульса Н определяется длительностью разрядного тока tj и равна

г- - fr Г - л

Ч Гр v-a -2Оценить значения Н можно из выражения

YU .

|(

п.1

г 2-г 2

k о

где К - постоянная, зависящая от певого и третьего коэффициентов Таунсенда, от величины отношения заряда электрона к массе;

г у радиусы катода и анода соответственно;

и - коммутируемое напряжение. Данное выражение получено для случая однородного магнитного поля При использовании в качестве наполняющего газа водорода с давлением /vO,1 Тор можно с достаточной степенью приближенности принять ,5 и тогда

3 j 5jy

Н -,

э.

i

(г 2)1 IlL

tt -п г

- Н

Здесь и следует .брать в вольтах, Г| и Гд - сантиметрах, В данном устройстве

„ -bS-ffi - HTr -Si-rT|(R-r;)i,5- -Jw-riji lгде U,c - коммутируемое напряжение; UD - напряжение поддержания разряда ,

1919784

При одинаковом коммутируемом напряжении имеем

R-r,

lii

. -,

показать, что

Н.

г.

т.е. можно сказать, что величины 10 магнитных полей различных разрядных промежутков при одинаковом коммутируемом напряжении обратно пропорцио.нальны их межэлектродным расстояниям. Таким образом, использование в устройстве двух промежутков, различающихся межэлектродным расстоянием, позволяет улучшить энергетические характеристики устройства, уменьшить мощность управления устройством. 20 Переброс разряда в промежуток с меньшим межэлектродным расстоянием позволяет повысить коммутируемую способность предлагаемого устройства по току, так как вероятность перехода разряда в неуправляемьш магнитным полем дуговой режим с уменьшением расстояния между электродами уменьшается,

С целью опытной проверки техни0 ческой эффективности устройства, было испытано 2 макета. Один макет прибора содержит обычную коаксиальную систему электродов (как у извесгного), с межэлектродным расстоянием 4 мм (макет № 1), Второй макет бьш выполнен в соответствии с изобретением и содержал два пр1Омежутка с межэлектродным расстоянием 16 мм (первый) и 4Mfi (второй), каждый из которых. Q . был охвачен отдельной катушкой управления, расстояние между катушками равнялось 10 мм. Радиус катода в обоих макетах составлял 25 мм, высота катода - 60 мм. Высота рабочей части е катода (протяженности основного раз-, рядного промежутка) выбиралась равной 4 см и определялась длиной катушки) (в макете № 2 это первая основная катушка). Все испытания были прол ведены при коммутируемом напряжении кВ и давлении водорода, устанавливаемом с помощью генератора водорода, -хО, Тор,

5 Результаты обследования макетов сведены в таблицу.

Отсюда отношение мощности управ-, ления в известном устройстве к мощяости управления в предлагаемом устройстве равно

.е,

Отношение энергетических потерь в разрядном промежутке в известном устройстве к энергетическим потерям

ГАЗОРАЗРЯДНОЕ КОМ1-1УТИРУЩ УСТРОЙСТВО, содержащее цилиндричес кие коаксиальные электроды и управ ляющую катушку, отличающе ся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик и хар теристик управления по зажиганию и гашению разряда без снижения ком тирующей способности по току и напряжению, внутренний электрод выполнен в виде двух секций разного диаметра, а управляющая катушка - в виде двух секций разной длины, причем длинная секция катушки установлена над пространством большего межэлектродного зазора и выполнена с длиной, равной длине секции внутреннего электрода меньшего диаметра, короткая секция катушки установлена со стороны меньшего межэлектродного зазора на расстоянии от длинной секции катушки, превьшгающем по крайней мере в два раза величину меньшего межэлектроднрго зазора, а величины (2 межэлектбольшего f, и меньшего родных зазоров выбраны из соотношений cC,T2RL,, где RL , Ri - циклотронные радиусы электрона, соответствующие коммутирующему напряжению и напряжению поддержания разряда. ,

Максимальный анодный ток, при котором )происходит устойчивое выключение прибора без снятия высокого напряжения, А Время выключения .прибора, (время спада анодного тока от уровня 0,9 до уровня О,1), МКС

Падение напряжения на приборе в проводящий период, В

Минимальное значение магнитного поля, обеспечивающее устойчивое зажигание разряда, Э

Длительность разрядного тока, мкс

Длительность магнитного поля, мкс: Основной катушки

.Вспомогательной катушки

Значение магнитного поля вспомогательной катушки, при котором падение напряжения во втором промежутке такое же, как и в первом, Э

IP

230

1,5. 380

НО 180

170 12

180

6Г,