Рабочее тело твердотельных электрических разрядников Советский патент 1979 года по МПК H01T13/52 

Изобретение относится к области силь юточной. импульсной техники, в частностик твердотельным электрическим рйзрядникам. Известны разрядники различных типов; вакуумные, высокого или атмосферного давления, с твердым диэлектриком. С)бщие требования, предъявляемые к этим разрядникам, сводятся к следующему: выдерживать напряжение установки, иметь относительно малую индуктивность по сравнению с индуктивностью нагрузки, обладать необходимой точностью срабатывания и относительно малым сопротивлением 1J. Широкое распространение в различных областях импульсной техники получили простейшие--управляемые трехэлектродные разрядники (см. там же). Однако при работе на высоком напряжении эти разрядники имеют ряд недостатков: узкий диапазон рабочих напряжений, большую амплитуду пускового импульса, сильную зависимость времени задержки срабатывания и его стабильное ти от рабочего и пускового напряжений. Разработка разрядников, лишенных указанных недостатков, на основе применяемых в настоящее время технических решений являетса достаточно трудной задачей. Известный твердотельный разрядник содержит следующие основные элементы: сменная изоляция, генератор ударной волны и электроды. Конструкция этого разрядника выполнена следующим образом. В выемку верхнего, высоковольтного электрода вставлена обойма с изолирующей втулкой и перекрестием нз тонких проволочек, взрывающихся при разряде вспомогательной батареи с энергией 20 кДж. Диэлектрик из оргстекла толщиной 1...3 мм разрушается ударной волной, образующейся при взрыве проволочек, за время 10 мкс. Пробой развивается по трещинам в диэлектрике. Сопротивление области разряда падает до ничтожHtix величин спустя 0,5...1,0 мкс. Для этого разрядника можно указать ряд недостатков, ограничивающих область его применения: необходимость механического разрушения диэлектрика для срабатывания разрядника; большое время срабатывания ( 10 икс); нестабильность срабатывания разрядника и, следовательно, сложность точной синхронизации его работы с работой других элементов импульсной схемы; зна чи-Гельное сопрот1 влеиие к индуктивность канала разряду, что исключает возможнпсть форми|юван.,я )ко15ольгных HMriv.ibcoa с крутЕим фронтом iiapacraHfJH тока. Все это вместе взятое суж.им функциональные всзможмости указанного твердотельного ра; уядкика. Цель пре/.лагие.мо1-о изобретения - снижение управляющего механического или элечтрнческого импульса, расширение функциональных возможностей и повышение качества коммутации. Она достигается тем, что в качестве рабочего тела твердотельных разрядников при менен электрически активный материал, обладающий сноЛством спонтанной поляризации. Последнее -характеризуется векторной величиной РЗ . Важной особе)ностью электрически зктииных материалов является то, что при воздействии механического или электрическою импульса определенной интенснниости сиоиганная по.мяризация в этих материалах Изменяет спою неличину или направление. При изменении гюляризации в объеме диэлектрика и п окружающем пр кгранстве генерируются электрические поля, а иа его поверхностях, которые до подачи управляющего мехамнческого и.мпульса не были параллельны вектору поляризации, высвобождаются ранее связанные электрические заряды. Если поверхность диэлектрика, иа которой при воздейстги и мехлннческого импульса появляются свободные заряды, пересекается с поверхностью электродов, то Три на;1ичи1 напряжения на этих электродах прои:;)й;1-:ч -раб,чтыв,1ние разрядника и коммутация ч. 0кт| ичесчой цепи, в которую он включен. При конструировании твердотельных раз рялников с электрически активным диэлектрик М, управляемых механическим импульсом, в(х можны три основных нариант.4 взаимного расположения электродов, вектора поля ри... н объеме материала и выходной цоверхногти генератора механического импульса:П вы одная поверхность гене})атора ме iHtecKoro импульса перпендикулярна пр):.нгстям, на кот(. нанесены электроды 1.ч).фядпнка. и параллельна вектору поляризппии Pj; 2)выходная поверхность генератора механического импульса параллельна поверхностям, на которые нанес ч1ы з.лектроды, н вектору PJ; 3)выходная поверхность генератора механического импульса перпендикулярна поверхностям, на «(порые нанесены электроды, и вектору Р,. При згом в качестве электрически активного материала, обладаюп1его спонтанной 1к. ярнзаипей, тнердотельнмн{)азрядник содержит кристалл или предварительно поляриловапи ю керамику, например, метаннобата ;п1тия. Замыкание чл.;1-т)ической цепи в каждом з этих с..|учг ев Г1)0 еходит за счет того, то освобождаемые иод действием механиескогс; 1м ульса элеьтрические заряды оказываются инжектированными в разрядный промел уток. Ec.iH спонтанная поляризаций при механическом воздействии уменьшается до нуля, то для кристалла ни(бат лития, например, на 1 см может выделяться до 10 носителей. Это обеспечивает высокую электропроводность в разрядном промежутке без предварительной фазы развити;т электрического пробоя, характерной практически для всех известных типов разрядников, включая и твердотельные. Прп конструировании твердотельного раз- рядника, пpaвляe oгo электрическим имяульсом, электрически активный материал - сегнетоэлбктрик может быть вьпюлнеп в виде двух нластин из электрически актишюго материала - - сегнетоэлектркка, облйдакнпего cBovlcTHt i спонтанной полнризацнн, между которыми параллельно высоковольтному и нулево.гу электродам разменян управляющий электрод, а плоскости всех электродов параллельны вектору спонтанной поляризации. Важной особенностью сегнетоэлоктрических материалов является то, что под дейсгвием электрического поля с напряженностью Е, болыпе величины коэрцитивного поля Е, определенной для каждого сегнетоэлектрика, спонтанная поляризация изменяет свою величину и иаправленпе. При изменении поляризации, как и в предыдущем случае, и объеме сегнетоэлектрика и в окружаюи:ем пространстве генерируются электрические поля, а иа поверхностях, которые до подачи управляющего электрического импульса не были параллельны векто)у поляри.аиии, высвобождаются ранее связанные электрические заряды. :сли эти поверхности пересекаются с пов ;рхностями электродгя разрядника, то при наличии на этих элгкт К1дах 1 апряжс 1ия произойдет с)абатывапие ра: рядника и коммутация содержши.ей его электрической цепи. Электрические поля, геперируеми-е в объеме сегнетоэлектрика. при наличии напряжения как на высоковольтном электроде разрядника, так и на упрапляюп1ем его электроде одинахозо действуют на поляризацию сегнетоэлектрика. Поэтому срабатываниеразрядника происходит, как только напряженность результирующего поля в пластине ссгнетоэлрктрнка, расположеп11ой между нулевым и управляющим электродом, превысит коэрцитивное поле. Чем выше величина напряженир на высоковольтном электроде разрядника, тем меньшее значение может иметь электрическое поле, создаваемое управляющим электродом. В пределе срабатывание разрядника может происходить при нулевом напряжении на управляющем электроде, если собственное (юле раз(П|Дникч льик KOjpiiHTHRitoro. flocKo.ibKy в качестве электр(Ч1:;ск11 активного материала взята керамика нетаниобата (.вимца, то при повороте вектора поляризации на ЭО но отноlueiiiiso к )11ачалы;ому п разрядный промежуток инжектируится свободные с плотностью 10 HocKTf.nefi на 1 см. Указанная К01 цеит|)а11ия носителей обеспечи вает достаточную печальную электропроводность и раз|)ядном промежутке и, следо вательяо, качестнениое замыкание электрической цепи раз|)ядника. Отметмм положительный эф(|)ект применения тшфдотельиых разрядников на осиосе элешрически активных материалов - сегнетозл1.ктриков: 1) как при импульсном механическол1 возденстпип, так и при импульсном электрическом 11о действии на электрически айтивиым маг1:;.иал имеет место нзмсне,пие величины I 11;и(рапления его поляри:1аиии, а не механическое ра.чру1неиие сегнетоэлектрика; 2)ири руботе разрядника с электрически йктивным материалом особенности работы разрядника 0(1ределя)Т(:я не xapaKTepcjM развития пробоя Ht) трещинам 8 диэ.чектрике, а задашюй формой поверхности разрядного промежутка, на которой нри воздействии механического или электрического имнульса,высвобождается ранее свизаиный электрический заряд; 3)в отличие от прототина время срабатывания разрядника определяется только однов|)емениостыо механического иагружения сегнетоэлектрИка и может достигать величин норядка нескольких десялкчн наносекунд;4)в отличие от прототипа может достигаться высокая степень сии.хроиизаци работы нескольких разрядников как одиовременно,так и в заданной последонательностм; 5)при ):зботе разрядника с сегнетоэлектриком мулые активное сопротиаление и индуктивность разрядного промежутка достигаются за счет того, что э,1ектрический разряд происходит по поверхности задамион геометрии и площади, на которой при воздействии электрического управляющего импульса высвобождается ранее связанный электрический заряд (при механическом разрушении диэлектр1 ка самопроизвольный разряд происходит по узкому каналу); 6)в сравнении с прототипом энергия электрического управляющего сигнала составляет величину 0,035 Дж (см. ниже), в то время как п прототипе необходимо запасти во вспомогательной конденсаторной батарее анергию в 20 кДж; 7)твердотельный электрический разрядник с механическим управлением обеспечивает наде.жную коммутацию а тектрических iieriefi с Л1алым напряжением, поскольку проиодимость разрядного промежутка опреДелнртсн величиной изменения поляризации J диэлектрика, а с.нжекиия свободных зарядов в зарядный промежуток может осушестнлятьси, при определенных условиях, в теченпе всего времени работы разрядника. На фиг. I изображен электрический разря.дник, электроды которого перпендикулярны выходной поверхности генератора механического импульса, а вектор поляризации PJ параллелен ей;.на фиг. 2 - электрический разрядник, электроды которого и вектор поляризации PJ параллельны выходной поверхности генератора механического импульса; на фиг. 3 - электрический разрядник, электроды которою и вектор поляризации Pj перпендикулярны выходной (шверхности генератора мс-ха 1ического импульса; ка фиг. 4 дана конструкция твердотельного разрядника, управляемого электрическим полем. В каждом из трех основных вариантов расположения твердотельного разрядника, выполненного для простоты в виде параллелепипеда, одна из граней параллелепипеда располагается вилотну о к выходной поверхности I генератора механического импульса. Электроды 2 разрядн1 ка параллельны вектору поляризации п расположены В1 лотную к со(ипегсгву1ои1им граням параллелепи11еда. Грани нараллелеиинеда, нерпендикулярнью вектору Р, и электродам разрядника, опрс:.1-у101 fro разрядный промежуток 3. HocKo. именно на этих гранях ныде.миются свободные за)ялы при и.чменении поляризации диэлектрики. Разрядник конструктивно выполнен из двух слоев сегнотоэлсктрикэ в ви.пе параллелепипедов, с o THiunKOUiJtini основаниями, к которым пилотную прилегают: высоковольтный 1, управляющий 2 и пулевой 3 элект(юды. Суммарш: расстояние между э тектродами 1 и 2, 2 и 3 равно ширине разря кюго пром( жутка 4. который геометрически совпадаег с ранями параллелепипедов, перпеидикулярными вектору полярнзации Pj в каждом слое сегнетоэлектрикл (фиг. 4). Рассмотрим п качестве примера разрядника, управляемого механическим импульсом, .задачу, в которой требуется обеспечить надежную ком.мутацию цепи с напряжением порядка 10 кВ непрерывно в течение 0 МКС. В Э1ОМ случае в качестве рабочего тела выбе)ем кристалл метанмобата лития и произведем расчет размеров разрядника (фиг. 1). 1.Высота разрядника определяется по ребру, перпендикулярному выходной поверхности I генератора механического импульса. Она находится как произиедеиие скорости , распрострапеиня механического импульса сжатия в кристалле (скорость продольных ко-зебаний G км/с) на время работы разрядипка и составляет в нашем случае величину, равную 6 см. 2.1Пирина разрядного прс.г 1ежутка - расстояние между электродами, один из линейных размеров разрядника, находится из

зинН-имя -э -.;;Гр1г;оской псючносг) VU1 iionepxiiocTS лн,мектгл{ка. Так, для случая, рязрял Н К находится в ооздухе при siopMB.fjbfioM давлений, эта эелич 5нэ составляет 3 кВ/мм. Пря лначеини p-afk)чего напряжо.иия 10 мВ аелкшша раарядиого промежутка составит 4 мм н может быть увеличена до 8...12 чм дл.ч обеспечения двойного н.чн -riioiiHorf) janaca гфочнй1.тн.

3.. Раз.;еа электроде в напраалсниа, параллельном вектору PJ , на работу раз)ядника ни ьлияет и может бить выбря равным, например 5... iO мм.

4. Электроды разрядника выполнены из нержякоющеп стали марки ХШ1-19Т, толщи{1ой 2 кьч.

В кзчестве прнк.ера ,. у равjjite.iori) э.лекгрическиМ нмтгульсом., pacewsotрям разрядник, который долм.ен в заданный момент времени скоммутиронять э,«ектрйческую цепь с иа р51жеиием 10 кБ при амплитуде импульса тока К)0 кА.

Для используемого s конструкций твердотельного рз:фяд ика сегнетозлектрнка - керамики метаниобата свинца - коэрцн-. tHBHoe поле равно 1,7 кВ/им. Для исключения самопронзвольиого срабатывания разрядника необх(У№мо, чтобы } йГ1ряп;енность поля, создаваемая

В 1 СОКОВОЛЬТ11ЫМ SJiCKT родом, бЫЛа MCiSfeин кпчрянтпвного -ПОЛЯ сегнетоэлектрика и ьт .гр-свьсязала 1,5 кВ/м.м. Будем также счип ть им рнспете разряд И ка, что э.пектрод расоолгггается иогерадин раарп,иого ripo,ie«sn-Ka, т. с. высоть обо15Х №;; л&лс имтглов из сегнетоэл ктрнк.а одинаке лЫ8 соотвстствни с задйнннм55 велнчннзчн. напрйжен ;я па высоковолыиоы aJsoKipo/ie ы яопуст мой Harip«.Kc;suiocTH поля в сегието.лектрикр тю.., что ширина ра;грядиого .з .а мм. При .-ШИРИНОЙ пло:костн тока п )азряд1г ;м промежутке длина р,-1зряд(юго 11ромржуткя в нппр;и$л - 1яи, ияраллельмом «Г;1е|.чмпст электр«лг.5К разрядника, j.Kunus iO мм. Ьазмьр элгктродоо ра. ялпрлвлсипи, йралле.я:,ному вектору Pg , iin р-пбоТ ралр( ,Н€

влияет ; пжет Ги.-ггь iii.i6).iaii 1., наnpisMC-p fO MF. Эи емтро.ЧЫ разрялгнжа выполнсин из Htjj,i-i-foiuf H СТИЛИ MajJки XI8H9T vo;:4iir4i-; 2 мм. .

Для ciKi M;,:-:: у зрядП-ПчЯ при ia-rspii/Keiuns K;j ;ч/ :ок;- вольтцом ;1Л:; ГГ(5(ие iO кВ ил .i. электрод г еоПчоянмс ).ч;ть г ..;:А- ..;р пксиия 3,5 При ЭТО .. р-j vibTHpyionur меЖ;1у вуловым и -:1;..иим злоьтродймн будет

бо.г:-г : KO:;|y.uiTHOHoro и соетаиит 2.4 .кВ/чм. Ноя .irAcTJ.MieM этого поля fipoManH.aeT цопо{.ior (рэ 1-1., Si, следооателыг., .утация пер 5ОИ полоиины jjaspsraijoio про.межутка. В результате под наприжеииг.М 10 :-:В окйлнУйогся BTfjpaa половину рлГ()я.1Мого фомржутка, иргглегакзшая к пыс.;К..нольт1 0му электроду. Наоряжепшкгь ;; оегиетоэлектрике достигает величчшз 2,8 кВ/.чм, йыз-ыва поворот вектора F-, и коммутацию всего разря..гио1о промежутка.

Ouenwoi эье|) управляющего сигнала. а.водлму о Б сегиетозлектрнк и необходимую для обеспе1 ения срабатываии.я разрядника. Для оценок ислюльзуем формулу

.W- R,- S- Ь- Е гдеPg -- поляризация сегпегоэлектрнка;

S - плоладь эле.чтродон;

h - ширина разрядного п{/омс- куткз от нулевого до упрявляюшего электрода;

напряженность коэрцитивного яг/пг

В рассматривас,5ом примере эти величины нйемт значения: Р 0,6- (Г Кл/см : S h 0,35 см и ЕК ij. Ш-В/см. Тогда злергня управляющего сигнала W 0,6- iO-«- 0,35.и- IOV 0,035 Дж. что на 5--6 порядков ниже, чек у прототипа.

Разработка и пркмененне твердотельных разрядников с электрнческя активным матеpsia.jioM, обладающим спонтанной поляризацней, позволяет сушествЕняо расширить сферу их применения, особенно в тех област. экспериментальной филик. где требуется высокая надегкносгь и. точность гнихронизаакй , работы отдельиь х элсчсичов С5 льноточнрй импульсной схемы. Следует та1;,же поя .еркиуть перспектигипсть причеHCTiM.4 рассыатр1 8аемь х .пипкпв в авг( / атике одноразового дейстпии, когда требуется йысочая шдеяпк;сгь, точная синхронизач1 Я и простота комсчрукнии.

Формула usofipcr -iiifi

Э..|г.:КТр(1ГСК:1 ; Ц1ИНН1яХ ft:.. .юв. обля.-акичи.х ctifiibrniO -- споитзн К1Й полярпззяни, R кйчестпс раПпчего теля Tnep..ioTtvib tb X члгктрических разряд пиков.

Исгочинки инфирмйции., ф|;иятыс во виимяиие pii зкспертн.уо:

. Гелпякя г)олыинх импу,чьсн(ах токов и мягнитпых Полгй. Пол оочяй рея. Комелькор.а В. С., М, Ато. , )970, с. 107-109.

2. Комельков В. С.. Аретов Г. М. Доклады АН СССР, 110, т 4, 1956, с. 559.

.-.

ФиеЗ

.г