Управляемый наносекундный разрядник

 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике. Цель изобретения - сокращение времени запаздывания срабатывания разрядника при минимальной амплитуде управляющего напряжения. В конструкции разрядника тригатронного типа в поджигающем зазоре установлена керамическая втулка с высокой величиной диэлектрической проницаемости. Втулка образует с одним из электродов микрозазор. Другая поверхность втулки металлизирована и придегает к другому электроду поджигающего зазора. Длина d' микрозазора, длина d поджигающего зазора и длина D основного промежутка разрядника связаны соотношениями ; 0,7 ≅ D/d ≅ 1,3 5 ил.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к газоразрядным коммутаторам, и может найти применение в технике генерирования мощных наносекундных импульсов тока и напряжения, в изучении быстропротекающих процессов и в скоростной осциллографии. Целью изобретения является сокращение времени запаздывания срабатывания управляющего разрядника при минимальной амплитуде управляющего напряжения. На фиг. 1 показан управляемый наносекундный разрядник, продольный разрез; на фиг.2 - конфигурация промежутков между высоковольтным, заземленным и поджигающим электродами; на фиг.3 - график зависимости времени запаздывания срабатывания t_з разрядника от длины d' микрозазора между керамической втулкой и заземленным электродом; на фиг.4 - график зависимости времени запаздывания срабатывания t_з разрядника от соотношения длины D промежутка между высоковольтным и заземленным электродами и длины d зазора между поджигающим и заземленным электродами; на фиг.5 - график зависимости времени запаздывания срабатывания t_з разрядника от величины диэлектрической проницаемости ε керамической втулки. Управляемый разрядник содержит герметичный металлокерамический корпус, заполненный азотом до давления 4 - 5 атм. Внутри корпуса размещены электроды, выполненные из нержавеющей стали. Высоковольтный 1 и заземленный 2 электроды образуют основной разрядный промежуток с длиной D = 0,5±0,1 мм. Поджигающий электрод 3, выполненный в виде цилиндрического стержня, установлен в отверстии заземленного электрода 2 и образует с ним поджигающий зазор длиной d = 0,5 мм, подключенный к источнику управляющего напряжения. В зазоре между поджигающим 3 и заземленным 2 электродами установлена диэлектрическая втулка 4 с диэлектрической проницаемостью ε≈ 4500. Боковая поверхность втулки 4, прилегающая к поджигающему электроду 3, покрыта слоем серебра толщиной 10-20 мкм. Втулка 4 образует с заземленным электродом микрозазор длиной d'. Разрядник работает следующим образом. На высоковольтный электрод 1 подается постоянное напряжение U _раб= 10,5 кВ ± 0,5 кВ отрицательной полярности. Пробой разрядника происходит с подачей на поджигающий электрод 3 импульса напряжения положительной полярности с амплитудой U_y = 1,5 кВ ± 0,2 кВ и временем нарастания t_ф=1-2 нс. Металлизация поверхности втулки 4 позволяет существенно уменьшить управляющее напряжение при срабатывании разрядника, так как при пробое поджигающего промежутка электрическое поле между поджигающим электродом и изоляционной втулкой из керамики с высокой диэлектрической постоянной так же как и поле внутри втулки практически отсутствует, а величина напряжения пробоя поджигающего зазора определяется напряжением пробоя микрозазора между втулкой и заземленным электродом. При этом средняя напряженность электрического поля в поджигающем зазоре составляет Е≈ 3˙10⁴ В/см. В микрозазоре между керамической втулкой и заземленным электродом поле увеличивается в 50 и более раз и составляет с учетом усиления поля на "единичном острие" заземленного электрода Е¹ ≈ 10⁸В/см. Такой напряженности электрического поля соответствует при площади автокатода S_к = 10^-12 см² плотность автоэмиссионного тока j=10⁹ А/см и ток I=10³А. За время t_ф = 1 нс число электронов N_о = I˙ t_ф составит 10⁶. Время запаздывания пробоя t_з, если оно в основном равно времени формирования t_k лавины до критического размера, можно приближенно оценить по формуле N_k=N_o ˙ e ˙t_k , где α - коэффициент ударной ионизации; V^-- скорость электронов; N_k - критическое число электронов в лавине. Подставив значения N_k , α , V соответствующие нашим условиям пробоя, получим t_з ≅ 10 нс. Испытания разрядника показали, что он срабатывает при противоположной полярности рабочего и управляющего напряжения. При этом с подачей импульса управляющего напряжения возникает первичный пробой между высоковольтным и поджигающим электродами с временем запаздывания t_з1 =5-7 нс, затем с временем запаздывания t_з2 < 1 нс пробивается промежуток между поджигающим и заземленным электродами, и таким образом закорачивается основной разрядный промежуток. Минимальная амплитуда импульса управляющего напряжения U_y ≈ 500 В. Приведенные на фиг.3,4 и 5 зависимости получены при отношении рабочего напряжения U_{раб к} напряжению самопроизвольного срабатывания U_сам, равном ≈ 0,9, и позволяют правильно выбрать геометрию промежутков разрядника. Из графика фиг.3 видно, что минимальное время запаздывания срабатывания разрядника t_з достигается при длине d' микрозазора, равной 2-5 мкм, что соответствует нижнему пределу выбираемой длины микрозазора, а именно пределу, равному d/200 (d=1 мм). Такой микрозазор минимален для неспаянных деталей электродов, изготовленных с применением обычных способов механической обработки и принятой технологии изготовления вакуумных и газоразрядных приборов. Увеличение длины d' микрозазора приводит к уменьшению напряженности поля в нем и к увеличению времени запаздывания срабатывания разрядника. Верхний предел выбора длины микрозазора определяется наносекундным диапазоном времени заказывания срабатывания разрядника и составляет величину равную d/50. Время запаздывания срабатывания разрядника в зависимости от соотношения основного и поджигающего разрядных промежутков (см.фиг.4) имеет оптимум, связанный с соотношением основного разрядного промежутка и размеров области искажений электрического поля в окрестности поджигающего электрода. С увеличением размеров основного промежутка сокращаются относительные размеры указанной области, время запаздывания срабатывания разрядника увеличивается, что устанавливает верхний предел отношения D/d≈1,3 при t_з≈10 нс. Левая ветвь приведенной зависимости ограничивает нижний предел отношения D/d до 0,7. Зависимость времени запаздывания срабатывания разрядника от диэлектрических свойств применяемой керамической втулки имеет монотонный характер. Как видно из графика фиг.5 время запаздывания срабатывания практически не изменяется в диапазоне ε =1000-10000. При ε ≈ 100 электрическое поле в диэлектрике Е'=E_o/ε ослабляется до величины, не превышающей 1% от средней напряженности поля Е_о в поджигающем зазоре. Эта величина на графике соответствует t_з ≈ 10 нс и может служить в качестве нижнего предела диэлектрической постоянной керамики, применяемой для изоляционной втулки в разряднике. Таким образом, данная конструкция разрядника обеспечивает минимальное время запаздывания срабатывания разрядника при значительно более высоком по сравнению с прототипом коэффициенте управления по напряжению (более, чем у прототипа в 5-10 раз) и сравнительно низкой амплитуде управляющего напряжения (меньше, чем у прототипа в 5-10 раз). Применение подобного прибора весьма перспективно, например, в скоростной осциллографии и ряде других приложений при изучении быстропротекающих процессов.

Формула изобретения

УПРАВЛЯЕМЫЙ НАНОСЕКУНДНЫЙ РАЗРЯДНИК, содержащий аксиально установленные высоковольтный электрод и заземленный электрод, выполненный с центральным отверстием, на оси которого установлен цилиндрический поджигающий электрод, и керамическую втулку с высокой диэлектрической проницаемостью, размещенную в зазоре между указанными поджигающим и заземленным электродами, подключенными к источнику управляющего напряжения, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени запаздывания срабатывания при минимальной амплитуде управляющего напряжения, одна из боковых поверхностей керамической втулки установлена с кольцевым микрозазором по отношению к электроду, имеющему отрицательный потенциал управляющего напряжения, а другая боковая поверхность керамической втулки металлизирована и прилегает к электроду с положительным потенциалом управляющего напряжения, причем длина d¹ указанного микрозазора, длина d зазора между поджигающим и заземленным электродами и длина D промежутка между высоковольтным и заземленным электродами выбраны в соответствии с соотношениями ≅ dʹ ≅ ; 0,7 ≅ ≅ 1,3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5