Способ управления срабатыванием разрядника с помощью луча лазера Советский патент 1982 года по МПК H01T1/20 H01J17/30 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к быстродействующим высоковольтным коммутационным элементам - разрядникам, управляемым лазерным излучением. Известны способы управления срабатывания разрядников с помощью луча лазера 1. Время задержки срабатывания разрядника и стабильность его временных характеристик обусловлены способом введения лазерного излучения, энергией излучения и ее разбросом, геометрией разрядного проме жутка и газовым наполнением. Разброс времени задержки срабатывания существенно увеличивается в области малых времен из-за разброса энергии излучения и снижения уровня коммути руемого напряжения. Наиболее близким к изобретению является способ управления срабатыв нием разрядника с помощью луча лазе ра, заключающийся в том, что газ В разрядном промежутке между катодом и анодом ионизируют лучом лазера, который фокусируют на аноде t.23. Известный способ управления обеспечивает минимальный разброс времени задержки срабатывания лишь при значительной энергии излучения. Кроме того, разброс времени задержки во многом определяется свойствами газового наполнения и уровнем коммутируемого напряжения. Цель изобретения - повышение стабильности управляемого срабатывания разрядника в широком диапазоне коммутируемых напряжений. Эта цель достигается тем, что согласно способу управления срабатыванием разрядника с помощью луча лазера, заключающемуся в том, что га в разрядном промежутке между катодом и анодом ионизируют лучом лазера, который фокусируют на аноде, указанный луч лазера направляют по касательной к поверхности катода, а

фокусировку луча лазера производят на поверхности анода в точке, расположенной на минимальном расстоянии от катода, причем плотность мощности лазерного излучения на поверхности катода создают большей или равной минимальной плотности мощности, требуемой для обеспечения с поверхности катода эффективной термоэлектронной эмиссии, а плотг ность мощности лазерного излучения в прианодной области создают из условия образования в ней плазмы под действием лазерного излучения.

На фиг, 1 представлена принципиальная схема разрядника, в котором осуществлен предлагаемый способ управления срабатывания; на фиг. 2 экспериментальные Лривые изменения времени задержки срабатывания Т в зависимости от коммутируемого напряжения и, пронормированного по напряжению пробоя Urn, причем кривая А соответствует известному способу фокусировки лазерного излучения на анод, а кривая Б соответствует предлагаемому способу фокусировки излучения при одинаковой энергии излучения; на фиг. 3 - зависимость времени задержки срабатывания Т от места расположения (координат Х) точки фокусировки лазерного излучения, направленного параллельно оси разрядного промежутка, причем точка соответствует границе металлгаз, точка соответствует располо, жению точки фокуса в газе, а точка - расположению точки фокуса в металле анода,.

Луч лазера 1 направляют после фокусирующей линзы 2 по касательной к поверхности катода 3 и фокусируют на границе, обращенной к катоду поверхности анода k, обеспечивая при этом плотности мощности излучения в прикатодной и в прианодной областях, достаточные для эффективной темоэлектронной эмиссии и образования плазмы, соответственно (фиг. 1). Стбильность временных характеристик разрядника повышается за счет того, что одновременно с термоэлектронной эмиссией в прикатодной области происходит интенсивное образование пламы в прианодной области, приводящее к деформации поля и ускоряющее проп, цесс развития электронной лавины и переход ее в стриммер.

Кроме того, луч лазе|5а, проходя разрядныйпромежуток, является дополнительным источником ионизации газа, обеспечивающим снижение статкстических флуктуации в течение времени нарастания электронной лавины и распространения стриммера. Требуемые значения плотности мощности излучения, получаемые при относительно

небольшой энергии лазера, обеспечивают стабильность характеристик разрядника в широком диапазоне коммутируемых напряжений.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что для обеспечения времени срабатывания воздушного разрядника в 10 не с разбросом не более 1 не требуется вдвое меньшая энергия, чем в случае фокусировки

луча лазера на анод или катод и более, Чем на порядок меньшая, чем в случае эффективной ионизации воздуха в разрядном промежутке. Разброс времени срабатывания, кроме вышеперечисленных факторов, был обусловлен разбросом энергии лазера, составляющим около 10%. При уменьшении уровня коммутируемого напряжения от 0,95 пробойного напряжения до

Q 0,5 время задержки и его разброс в разряднике, управляемом по предлагаемому способу был меньше, чем в разряднике с фокусировкой излучения лазера на анод или катод.

При фокусировке луча лазера на границе металл-газ обеспечивается минимальное время задержки (фиг. 2 и З). Процессы развития электронной лавины и образования плазмы при фокусировке излучения на границе металл-газ интенсифицируются за счет полного поглощения излучения в тонком поверхностном слое металла.

Полученные экспериментальные данные показали, что предлагаемый способ позволяет обеспечить стабильность характеристик разрядника при управлении лазером с меньшей мощностью.

Формула изобретения

Способ управления срабатыванием разрядника с помощью луча лазера, заключающийся в том, что газ в разрядном промежутке между катодом и анодом .ионизируют лучом лазера, который фокусируют на аноде, отличающийся тем, что, с целью

повышения стабильности управляемого срабатывания .разрядника в широком .диапазоне коммутируемых напряжений, указанный луч лазера направляют по касательной к поверхности катода, а фокусировку луча лазера производят на.поверхности анода в точке, расположенной на минимальном расстоянии от катода, причем плотность мощности лазерного излучения на поверхности катода создают большей или рав- ной минимальной плотности мощности, требуемой для обеспечения с поверхности катода эффективной термоэлектронной эмиссии, а плотность мощности лазерного излучения в прианодной области создают из условия образования в ней плазмы под действием лазерного излучения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Великобритании № 1059080, кл. Н 1 X, 1967. Z

2.Bettis J.R. IEEE Jornal of Quantum Electronics. QE-6,N 8, 1970, c.t83-«91 (прототип).