Устройство для формирования импульса тока

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к бесконтактным размыкателям для формирования мощных импульсов тока за счет обострения его фронта с использованием материалов, имеющих свойства фазового перехода металл-изолятор или металл-полупроводник под действием температуры. Техническим результатом при решении данной задачи является сокращение длительности формируемого импульса тока и уменьшение габаритов устройства. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для формирования импульса тока, включающим по меньшей мере один обостритель тока, включенный параллельно между шинами передающей линии перед нагрузкой, содержащим электроды и по меньшей мере один рабочий элемент, выполненный из материала с фазовым переходом металл-изолятор или металл-полупроводник, новым является то, что рабочие элементы обострителя расположены в зигзагообразном канале, образованном электродами. Электроды выполнены с выступами и пазами и расположены встречно со смещением и образованием зигзагообразного канала. Электроды могут быть выполнены из составных элементов. В пазах электродов с их внешней стороны по отношению к зигзагообразному каналу расположены прослойки. Рабочий элемент выполнен в виде набора пластин из керамического материала твердого раствора полуторных оксидов ванадия и хрома. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к бесконтактным размыкателям для формирования мощных импульсов тока за счет обострения его фронта с использованием материалов, имеющих свойства фазового перехода металл-изолятор или металл-полупроводник под действием температуры.

Известно устройство формирования импульса тока А.А.Петрухин и др. в сб. "Сверхсильные магнитные поля". Труды III международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. М.: Наука, 1984, с. 384-387. Формирование импульса тока с малым временем нарастания происходит с помощью электрического взрыва фольги. Обостритель тока включен параллельно между шинами передающей линии перед нагрузкой и выполнен в виде тонкостенного медного цилиндра, расположенного между изоляторами. Тонкостенный цилиндр образован набором полос медной фольги. Сечение фольгового размыкателя тока выбиралось из условия его взрыва при достижении тока и его производной значений, близких к максимальным. При взрыве фольги сопротивление фольгового размыкателя тока резко нарастает, и магнитный поток, запасенный в передающей линии под фольгой, расширяется в нагрузку, формируя в ней импульс тока с малым временем нарастания до 3 мкс.

Недостатками известного устройства являются ограничения по длительности импульса и довольно большие габариты устройства.

Наиболее близким к заявляемому является устройство см. патент России 2168784, кл. МПК Н 01 Н 36/00. Обостритель фронта импульса магнитного поля, автор Ю. Б. Кудасов. Устройство для формирования импульса тока по прототипу включает по меньшей мере один обостритель тока, включенный параллельно между шинами передающей линии перед нагрузкой. Обостритель содержит электроды и по меньшей мере один рабочий элемент, выполненный из материала с фазовым переходом металл-изолятор или металл-полупроводник. Рабочий элемент может быть выполнен в виде стержней или пластин шириной 50 мм, толщиной 20 мм и высотой 40 мм из керамического материала твердого раствора полуторных оксидов ванадия и хрома.

Недостатками прототипа также является большая длительность фронта импульса в нагрузке 1,5 мкс, и ее сокращение можно добиться увеличением габаритов пластин из керамики, что технологически довольно сложно.

При создании данного изобретения решалась задача создания формирователя импульсов для более широкого класса источников тока с более длинными фронтами импульсов с возможностью использования керамики рабочего элемента с более низкой проводимостью.

Техническим результатом при решении данной задачи является сокращение длительности формируемого импульса тока и уменьшение габаритов устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для формирования импульса тока, включающим по меньшей мере один обостритель тока, включенный параллельно между шинами передающей линии перед нагрузкой, содержащим электроды и по меньшей мере один рабочий элемент, выполненный из материала с фазовым переходом металл-изолятор или металл-полупроводник, новым является то, что рабочие элементы обострителя расположены в зигзагообразном канале, образованном электродами. Электроды выполнены с выступами и пазами и расположены встречно со смещением и образованием зигзагообразного канала. Электроды могут быть выполнены из составных элементов. В пазах электродов с их внешней стороны по отношению к зигзагообразному каналу расположены диэлектрические прослойки. Рабочий элемент выполнен в виде набора пластин из керамического материала твердого раствора полуторных оксидов ванадия и хрома.

Зигзагообразный канал, образованный электродами, позволяет выполнить обостритель более компактным и как следствие уменьшить собственную индуктивность. Если используется керамика с относительно низкой проводимостью 2•10² (Ом•см)^-1, то для обострителя по прототипу понадобилась бы толщина рабочего элемента ≅4 см. Это технологически очень сложно выполнить пластину такой толщины и обеспечить ей однородность. Обостритель имеет при этом большие габариты и собственную индуктивность. Если обостритель изготовлен с зигзагообразным каналом, то габариты его уменьшаются до ≅1,5 см. Это позволяет использовать рабочие элементы до 2 мм толщиной с однородными свойствами. Уменьшаются габариты и собственная индуктивность. Электроды выполнены с выступами и пазами для образования зигзагообразного канала, а в пазах с внешней стороны установлены диэлектрические прослойки для предотвращения трехмерных краевых эффектов. Довольно сложно выполнить цельный зигзагообразный канал и одновременно обеспечить плотное прилегание всех пластин рабочих элементов. Это устраняется выполнением электродов составными, причем пайка частей электродов и пластин к электродам осуществляется одновременно. При этом удается обеспечить плотное прилегание всех пластин к электродам и их надежный контакт. В твердом растворе полуторных оксидов ванадия и хрома (V_1-хСr_х)₂O₃, где х= 0,0051-0,012 происходит фазовый переход металл-изолятор с изменением проводимости более чем на 2 порядка. Температура перехода может плавно изменяться изменением содержания хрома от 250 до 400 К. Использование образцов с температурой перехода выше комнатной >300 К позволяет избежать предварительного охлаждения рабочих элементов. Проводимость этой керамики достигает в исходном состоянии 2,5•10² (Ом•см)^-1. Получение образцов с более высокой проводимостью сопряжено с технологическими трудностями, в частности при выращивании монокристаллов. В нашем случае используются образцы, полученные по керамической технологии.

На фиг. 1 изображено заявляемое устройство для формирования импульса тока.

На фиг.2 изображен вид А с одним обострителем тока.

На фиг.3 изображен вид А с четырьмя обострителями тока.

На фиг.4 изображены элементы обострителя.

Устройство для формирования импульса тока включает по меньшей мере один обостритель тока 1, включенный параллельно между шинами 2 и 3 передающей линии перед нагрузкой 4. Обостритель тока 1 содержит электроды 5 и 6 и по меньшей мере один рабочий элемент 7, выполненный из материала с фазовым переходом металл-изолятор или металл-полупроводник. Рабочие элементы 7 расположены в зигзагообразном канале 8, образованном электродами 5 и 6. Электроды 5 и 6 выполнены с выступами 9 и пазами 10, причем электроды 5 и 6 расположены встречно со смещением и образованием зигзагообразного канала 8. Электроды 5 и 6 могут быть выполнены из составных элементов. В пазах 10 электродов с их внешней стороны по отношению к зигзагообразному каналу 8 расположены диэлектрические прослойки 11. Рабочий элемент 7 выполнен в виде набора пластин из керамического материала твердого раствора полуторных оксидов ванадия и хрома. Кроме того, элементы обострителя заключены в твердую диэлектрическую оболочку 12. К шинам 2 и 3 передающей линии подключен импульсный источник тока 13 через разрядник 14.

В примере реализации заявляемого устройства в качестве импульсного источника использовалась конденсаторная батарея. Шины передающей линии выполнены в виде двух коаксиальных медных труб. Обостритель выполнен в виде блока с двумя плоскими выводами электродов. Все элементы обострителя залиты в диэлектрическую оболочку, например парафиновую. Четыре рабочих элемента из керамики (V_0,9934Сr_0,0066)₂O₃ размерами 10•10•2 мм припаяны к составным электродам из медных изогнутых пластин. Электроды выполнены в виде или -образных элементов. Четыре диэлектрические прослойки из фторопласта 10•20•0,5 мм расположены в пазах электродов с их внешней стороны. Обострители могут быть расположены равномерно между шинами.

Работает заявляемое устройство следующим образом. После срабатывания разрядника 14 от импульсного источника 13 через передающую линию ток протекает через рабочие элементы 7 обострителя 1. Они находятся в проводящем состоянии. Суммарное расстояние, на котором происходит диффузия магнитного поля, должно быть больше глубины скин-слоя. В этом случае ток протекает только через обостритель. В процессе диффузии магнитного поля могут развиваться термомагнитные неустойчивости фазовой границы металл-изолятор, которые изменяют фронт импульса. Развитие неустойчивостей происходит в каждом рабочем элементе заново, поэтому предотвращается сильное развитие ее амплитуды в обострителе. Ю. Б. Кудасов, И.В.Макаров. Развитие неустойчивости при движении фазовой границы металл-изолятор. Письма в ЖТФ, 2000, т.26, вып.22, с.90. В момент достижения максимума импульса тока рабочие элементы разогреваются до ≈370 К. При этой температуре происходит переход металл-изолятор, и ток резко переключается в нагрузку.

Таким образом, по сравнению с прототипом с помощью заявляемого устройства удалось сократить длительность формируемого импульса в нагрузке до 1 мкс, т.е. в 1,5 раза. Конструктивное решение обострителя позволило сократить габариты в 2-3 раза.

Формула изобретения

1. Устройство для формирования импульса тока, включающее, по меньшей мере, один обостритель тока, включенный параллельно между шинами передающей линии перед нагрузкой, содержащий электроды и, по меньшей мере, один рабочий элемент, выполненный из материала с фазовым переходом металл-изолятор или металл-полупроводник, отличающееся тем, что рабочие элементы обострителя тока расположены в зигзагообразном канале, образованном электродами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены с выступами и пазами и расположены встречно со смещением и образованием зигзагообразного канала.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что электроды выполнены из составных элементов.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что в пазах электродов с их внешней стороны по отношению к зигзагообразному каналу расположены диэлектрические прослойки.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что рабочий элемент выполнен в виде набора пластин из керамического материала твердого раствора полуторных оксидов ванадия и хрома.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4