Наносекундный коммутатор Советский патент 1974 года по МПК H03K17/02 H03K3/53 

Изобретение относится к области формирования высоковольтных наносекундных импульсов и может применяться в технике получения мощных наносекундных импульсных пучков электронов, в экспериментах по физике частиц высоких энергий для питания больших стримерных и искровых камер.

Известны высоковольтные наносекундныа коммутаторы, коммутирующие токи в несколько десятков килоампер и более, разрядники которых находятся в сжатом газе, а запускающие электроды имеют выступающие над поверхностью электродов иглы.

Однако в таких коммутаторах после нескольких сот импульсов необходимо заменять иглы. Это связано с тем, что вначале разряд развиваетсл на острие, которое при таких больших токах быстро обгорает, в вследствие этого увеличивается разброс по временя ыажду

jсрабатываниями разрядников. Замена игл требует остановки машины и частичной ее разборки, что не всег да просто в таких крупных установках.

Целью изобретения является получение крутого наносекундного фронта высоковольтного импульса на сильноточной нагрузке при повышенной надежности и долговечности коммутатора и относительной простоте его выполнения.

Это достигается тем, что в предлагаемом коммутаторе используется несколько параллельно включенных трехэлектродных разрядников, одновременность работы которых обеспечивается oднoвpeмeнныi4 появлением подсветки и двойного перенапряжения с крутым фронтом во всех разрядниках. Подсветка и перенадряжение возникают в момент срабатывания дополнительного двухэаектродного разрядника, включен1н©го на половину полного напряжения и электрически связанного со средними электродами трехэлектродных разрядников. При этом подсветка встроена в средний электрод каждого разрядника таким образом, что основной коммутируемый ток залшкается через основные электроды разрядников, не вызйвая обгорания

вспомогательного электрода подсветки.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого коммутатора для случая использования его в двойной форшрующей линии.

Коммутатор состоит из нескольких основных трехэлектродннх разрядников I и одного запускающего двухэлектродного разрядника 2, Высоковольтные электроды 3 трехэлекарод{шх .разрядников соединены с высоковольтным электродом 4 формирующей линии, а электроды 5 и электрод 6 двухэлектродного разрядника - с зеыляныгл электродом 7 ЛИНИИ. Каждый разрядник находится в отдельном изоляционном корпусе заполненном сжатым газом (азот, SF 6 ), Средний электроде трехэлектродного разрядника шлеет дополнительный электрод 9, Искра, об{зазущаяся в зазоре между &лектродаш 8 и 9, используется для подсветки основных зазоров трехэлвктродного разрядника. Электрод 9 электрически связан с электродом 8 через индуктивность (или резистор) 10. Кроме того, электрод 9 шлеет электрическую связь через резистор (или индуктивность)II с высоковольтные/ электродом 12 двухэлектродного разрядника 2, Подвижная пластина 13 установлена так, что потенциал электродов 8 и 12 равен половине потенциала электродов 3 в момент импульсной зарядки формирующей линии. Элактрод Б двухэлектродного разрядника выполнен в виде концентрических колец с острывАИ краями для уменьшения разброса в|)емвни срабатывания.

Коммутатор работает следующим образом.

При зарядке высоковольтного электрода 4 $ормирущеЗ линии от импульсного источника с микросекундным врвменеи зарядки (генератор Аркадьева-Маркса, импульсный трансформатор) потенциалн на

электродах комлтутатора распределяются тагам образом, что на электродах 8 и 12 они равны. Для выравнивания этих потенциалов служит

пластина 13, местоположение ко орой в пространстве мекду электродал Л 4 и 7 линии определяется путем построения картины поля в электролитической ванне на модели.

Для: исключения небольшой разницы потенциалов ке8дау электродами 8 и 12, которая может появиться

из-за неточности расположения пластины 13 и поивести к преждевременному пробою промежутка В-9, слуяшт индуктивность (резистор) 10, Величина этой индуктивности (резистора) определяется из двух условий: а) величина индуктивности Трезистора) дол/ша быть не очень

большой с тем, чтобы за время действия 1йикросекунд 1)го иьшульса зарядки возможная разность потенциалов между элбктрода.ми В и 12 выравнивалась за вреьш, лшого меньшее времени зарядки формфущвй линии, и не достигала бы вежчины напряжения пробоя промежут ш 8-9; б) величина этой индуктивности (резистора) должна быть достаточно большой, чтобы после срабатывания запускащего двухэлектродного разрядника яаносекундрп й ш.шульс напряжения достаточной для пробоя промежутка 8-9 величины выделялся на индуктивности (разисторе).

Оба эти условия легко выполняются , так 1сак величина фронта импульса зарядки на 2-3 порядка больше величины фронта наносекундного импульса, получащегося при срабатывании запускающего двухэлектродного разрядника. После достижения максишльного напряжения на формирующей линии срабатывает запускающий двухэлектродный разрядник 2, напряжение на котором все время соответствует половине основного напряжения линии. Момент вреА5ени дробоя двухэлектродного разрядниш 2 опережает момент самовробоя любого из трехэлектродных разрядников I, Это обеспечивается выбором промежутков и давления газа в разрядниках. При этом зазоры и давление газа во всех трехэлектродных разрядниках одинаковы, а в двухэлектродном могут меняться либо два этих параметра , дибо один из них. При пробое двухэлектродиого разрядника потенциал электродов 9 с наносекуядной постоянной времени принимает потенциал электро.да 12, т.е. потенциал земли. Возникащая разность потенциалов между электродами 8 и 9 приводит к пробою этих промежутков и появлению подсветки. Потенциал электродов 8 также становится равным потенциалу земли с постоянной T CgRnC g - емкость электрода 8 на землю ; Rii - величина резистора Под воздействием интенсивной подсветки и двойного перенапряжения промежутки 3-8 трехэлектродных разрядников пробиваются с малым временным разбросом. После этого полное напряжение выделяется на резисторах II, и нижние промежутки 0-5 трехэлектродных разрядников также пробиваются при двойном пере напряжении и воздействии подсветки через отверстия в электродах 8 с малым временным разбросом. Таким образом, обеспечивается одновремен ность срабатывания всех трехэлектродных разрядников в коммутаторе. Величина резистора (индуктивности) II выбирается также из двух условий: а) для создания крутого фронта перенапряжения в промежутках 3-8 постоянная времени C-CgRn должна быть порядка величина фрон та импульса, получающегося при пробое двухэлектродного разрядника 2 ( практически единицы наносекунд); т.е. Rii должно быть по возможности малым ; б) для получения наибольшего напряжения, прикладываемого к промежуткам 8-5 после пробоя промежутков 3-8, должно выполняться условие Hii ( Р - волновое сопротивление формирующей линии ; п - количество трехэлоктродных разрядников в коммутаторе. Эти противоположные условия выполняются в наносекундных генеторах, для которых величина волнового сопротивления формирующей линии составляет обычно десятки ом и менее. В случае, если разброс по времени между срабатываниями трехэлектродных разрядников в коммутаторе больше времени пробега фронта волны от места включения одного из них до соседних, электрод 4 формирующей линии может быть выполнен с продольными разрезами между местами включений соседних трехэлектродйых разрядников. Длина тагшх разрезов вдоль электрода 4 определяется СКОРОСТЬЮ распространения волны в линии и величиной времени разброса (для разброса 2-3 нсек в линии с диэлектриком - трансформаторным шелом длина разрезов 30-40 см). Это необходимо делать для исключения шунтирования напряжения на соседних разрядниках до момента их сргабатывания. ПРВДМВТ ИЗОБРЕТЕНИЯ Наносекундщый кодшутатор, содержащий трехэлектродные и один запускающий двухэлектродный рЗэзрядники, отличающийся тем, что, с целью уменьшения вреиени разброса в срабатывании трехэлектродных разрядников, двухэлектродный разрядник включен на половину полного напряжения коммутатора, а высоковольтный электрод его соединен чарез рбзисто|н (индуктивности) с дополнительными электродами, встроеннылш в средние электроды трехэлектродных разрядников, причем дополнительные и средние электроды соединены попарно между собой индуктивно с Vрезисторами) и образуют подсвечиванхцие зазоры, а остальные электроды трехэлектродных разрядников и земляные электроды всех разрядников подсоединены соответственно к высоковольтному и земляному электродам кошдутируемой линии.