Газонаполненный разрядник

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных приборов, например разрядников-обострителей и коммутационных разрядников для малогабаритных импульсных рентгеновских аппаратов. Газонаполненный разрядник содержит оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного другим основанием с отбортовкой корпуса, экран, закрывающий место соединения проходящего внутри изолятора вывода второго электрода с торцевой поверхностью меньшего основания изолятора, при этом диаметры электродов Д, экрана Д₁, внутренней поверхности металлического корпуса Д₂ и межэлектродное расстояние S связаны соотношениями: Д=(3÷5)S; Д₂-Д₁/2S≥3; Д₁=(0,25÷0,6)Д₂. Технический результат: высокая электрическая прочность и стабильность срабатывания газонаполненного разрядника. 2 ил.

 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных приборов, например разрядников-обострителей и коммутационных разрядников для малогабаритных импульсных рентгеновских аппаратов.

Известен газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса и изолятора, и два электрода, один из которых закреплен на металлическом корпусе, а другой - на изоляторе, выполненном в виде полого тела вращения (усеченного конуса) и размещенного внутри металлического корпуса, при этом одно основание изолятора соединено с торцом корпуса, а другое основание, на котором закреплен электрод, обращено в сторону второго электрода, и вывод электрода, проходящий внутри изолятора [Авторское свидетельство СССР №360886, H01J 17/18, 1973 г.].

Такой разрядник имеет большую механическую прочность, что позволяет наполнять его газом до давления порядка единиц МПа. Высокое давление наполняющего газа при малых межэлектродных расстояниях в такой конструкции обеспечивает время коммутации в пределах 1 нс. Недостатком разрядника является низкая электрическая прочность из-за неравномерного распределения потенциала электрического поля вдоль образующей конической поверхности изолятора, обусловленного неоптимальными размерами и взаимным расположением элементов разрядника.

Известен также газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два противолежащих электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а другой - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного другим основанием с отбортовкой металлического корпуса, и вывод электрода, проходящий внутри изолятора, при этом для повышения электрической прочности разрядника большее основание изолятора отстоит от внутренней цилиндрической поверхности корпуса на расстояние не менее расстояния между электродами, а внешняя поверхность части вывода электрода, расположенной внутри изолятора, выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого соединено с электродом, при этом размеры изолятора и вывода связаны соотношениями:

0,4≤D₁/D₂≤0,8;

10°≤α₁≤30°;

10°≤α₂≤45°;

0,25≤d/D₂≤0,6,

где D₁ - внутренний диаметр меньшего основания изолятора;

D₂ - внутренний диаметр большего основания изолятора;

α₁, α₂ - углы конической поверхности изолятора и вывода электрода соответственно;

d - диаметр цилиндрической части вывода электрода.

[Авторское свидетельство СССР №1431588, H01j 17/00, 1991 г.]

Недостатком такого разрядника является низкая электрическая прочность и нестабильность срабатывания в процессе работы из-за коронирующих предразрядных процессов как в объеме разрядника, так и по поверхности изолятора. Уровень возникновения предразрядных коронирующих процессов изменяется при эксплуатации разрядника из-за изменения характера напыления продуктов эрозии материала электродов на изоляторе, что является причиной нестабильности срабатывания разрядника.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два противостоящих электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного другим основанием с отбортовкой корпуса, экран, закрывающий место соединения проходящего внутри изолятора вывода второго электрода с торцевой поверхностью меньшего основания изолятора [Высоковольтные разрядники-обострители /Ю.В.Киселев, Б.П.Меркулов/. - Электронная техника. Серия 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. Выпуск 2 (79) / 1980 г., стр.36 - прототип].

Данный разрядник, как и предыдущие конструкции, имеет большую механическую прочность и обеспечивает малое время коммутации, что существенно при использовании разрядников в наносекундной технике. Недостатком данной конструкции является низкая электрическая прочность, которая ограничивается коронирующими процессами как в объеме разрядника между поверхностью экрана и внутренней поверхностью металлической оболочки, так и по поверхности изолятора.

Задачей изобретения является создание газонаполненного разрядника с высокой электрической прочностью и стабильным срабатыванием.

Указанный технический эффект достигается тем, что в известном газонаполненном разряднике, содержащем оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного другим основанием с отбортовкой корпуса, экран, закрывающий место соединения проходящего внутри изолятора вывода второго электрода с торцевой поверхностью меньшего основания изолятора, диаметры электродов Д, экрана Д₁, внутренней поверхности металлического корпуса Д₂ и межэлектродное расстояние S связаны соотношениями:

Д=(3÷5)S;

Д₂-Д₁/2S≥3;

Д₁=(0,25÷0,6)Д₂.

В предлагаемой конструкции газоразрядного разрядника геометрические размеры его элементов выбирают таким образом, чтобы пробой происходил между электродами, а возможность пробоя как между экраном и внутренней поверхностью металлического корпуса, так и по поверхности изолятора исключалась. Эти условия обеспечиваются при выполнении вышеуказанных соотношений.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, позволяющие повысить электрическую прочность и стабильность срабатывания газонаполненных разрядников, содержащих оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана и изолятора в виде полого усеченного конуса, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, экран, закрывающий место соединения проходящего внутри изолятора вывода второго электрода с торцевой поверхностью меньшего основания изолятора, за счет выполнения электродов, экрана, металлического корпуса с диаметрами соответственно Д, Д₁, Д₂ связанными с межэлектродным расстоянием S соотношениями:

Д=(3÷5)S;

Д₂-Д₁/2S≥3;

Д₁=(0,25÷0,6)Д₂.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

Заявленное изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан предлагаемый газонаполненный разрядник в разрезе.

На фиг.2 приведена зависимость относительной электрической прочности коаксиального разрядного промежутка от диаметров Д₁/Д₂.

Газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1 в виде цилиндрического стакана с отбортовкой 2, изолятор 3 в виде полого усеченного конуса, размещенного внутри металлического корпуса 1, электроды 4 и 5, один из которых 4 закреплен на внутренней поверхности дна металлического корпуса 1, а другой 5 - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора 3, соединенного другим основанием с отбортовкой 2 металлического корпуса 1, расположенный внутри изолятора 3 вывод 6 электрода 5, экран 7, закрывающий место соединения вывода 6 с торцевой поверхностью меньшего основания изолятора 3 и штенгель 8, используемый для наполнения разрядника газом.

Работает газонаполненный разрядник следующим образом.

В результате подачи на электроды 4, 5 импульсного напряжения при использовании газонаполненного разрядника в качестве разрядника-обострителя или медленно изменяющего напряжения в случае использования его в качестве коммутационного разрядника происходит пробой между этими электродами и в нагрузке выделяется импульс напряжения, форма которого зависит от элементов разрядного контура и коммутационных характеристик разрядника.

Высокая электрическая прочность и стабильность срабатывания газонаполненного разрядника в процессе работы обеспечивается за счет использования в нем электродов, экрана, металлического корпуса, выполненного в виде цилиндрического стакана, диаметры которых соответственно Д, Д₁, Д₂ и межэлектродное расстояние S связаны следующими соотношениями:

Д=(3÷5)S;

Д₂-Д₁/2S≥3;

Д₁=(0,25÷0,6)Д₂,

так как при выполнении указанных соотношений создаются условия для предпочтительного пробоя основного разрядного промежутка между электродами, что устраняет возможность развития разряда по изолятору и в промежутке между электродом и корпусом.

Соотношение Д=(3÷5)S определяет степень неоднородности электрического поля между электродами и обеспечивает опережающее развитие импульсной короны между ними на более низком уровне напряжения по сравнению с коронирующими процессами в промежутке между экраном и внутренней поверхностью корпуса, а также по изолятору при условии выполнения соотношения Д₂-Д₁/2S≥3, при этом должно выполняться соотношение Д₁=(0,25÷0,6)Д₂, при котором обеспечивается относительная электрическая прочность промежутка между экраном и внутренней поверхностью металлического корпуса, составляющая U_пр./U_пр.max≥0,9, где U_пр - напряжение пробоя, U_пр.max - максимальное напряжение пробоя, что следует из зависимости относительной электрической прочности коаксиального разрядного промежутка от отношения диаметров Д₁/Д₂ (фиг.2).

В случае если Д>5S, в разряднике увеличивается вероятность пробоя между экраном и внутренней поверхностью корпуса и по поверхности изолятора, снижающего электрическую прочность и стабильность срабатывания разрядника. Если Д<3S, то в приборе наблюдается интенсивная эрозия материала электродов из-за ограничения их рабочей поверхности, что ухудшает стабильность срабатывания и долговечность в заданном эксплуатационном режиме.

Пример конкретного выполнения.

На базе серийно выпускаемого разрядника РО-43 с водородным наполнением, включающего электроды диаметром Д=20 мм, расположенные на расстоянии S=3 мм, экран диаметром Д₁=23 мм и металлический корпус в виде цилиндрического стакана с диаметром внутренней поверхности Д₂=46 мм, величины Д, Д₁, Д₂, S в котором связаны соотношениями Д=6,67S, Д₁=0,5Д₂, Д₂-Д₁/2S=3,83, изготовлены экспериментальные образцы с Д=15 мм, Д₁=23 мм, Д₂=46 мм и S=3 мм, которые связаны соотношениями Д=5S, Д₁=0,5Д₂, Д₂-Д₁/2S=3,83.

Приборы наполнены водородом до давления, обеспечивающего динамическое напряжение пробоя Uд=180кВ.

Для обеспечения динамического напряжения пробоя Uд=180 кВ экспериментальные образцы наполнялись газом до давления Р=73 атм, что на 15% больше давления требуемого для серийно выпускаемого разрядника РО-43 (Р=63 атм) при одинаковых межэлектродных расстояниях в этих разрядниках, что подтверждает усиление электрического поля в межэлектродном промежутке при выполнении условия Д=(3÷5)S.

Проведенные испытания показали, что экспериментальные образцы в режиме U_д=180 кВ, J_a=1 кА, W_k=2 Дж имели долговечность 10⁷ пробоев и относительный среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя не более 2% в течение 10⁷ пробоев. В том же режиме работы серийно выпускаемый разрядник РО-43 имел долговечность 3·10⁶ пробоев и относительный среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя не более 3% в течение 10⁶ пробоев.

При использовании рассмотренных выше в примере конкретного выполнения конструкций в качестве коммутационных разрядников они наполнялись смесью газов 10% Н₂+90% Ar до давления, обеспечивающего статическое напряжение пробоя 15 кВ. Сравнительные испытания проводились в режиме: U_д=15 кВ, J_a=2,5 кА, W_к=25 Дж, f=30 Гц. Испытания показали, что экспериментальный разрядник с величинами Д=15 мм, Д₁=23 мм, Д₂=46 мм и S=3 мм, связанными соотношениями Д=5S, Д₁=0,5Д₂, Д₂-Д₁/2S=3,83, имеет очень высокую электрическую прочность и стабильность срабатывания (отклонение динамического напряжения пробоя от импульса к импульсу не превышает 100 В) в течение 150 часов работы. Разрядник же с величинами Д=20 мм, Д₁=23 мм, Д₂=46 мм, S=3 мм, связанными соотношениями Д=6,67S, Д₁=0,5Д₂, Д₂-Д₁/2S=3,83, в процессе испытания имел низкую стабильность срабатывания (разброс динамического напряжения пробоя более 10%) из-за наличия пробоев в промежутке между экраном и корпусом разрядника, что недопустимо при его использовании в первичной цепи коммутации импульсных рентгеновских аппаратов.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет создать газонаполненный разрядник с высокими электрической прочностью и стабильностью срабатывания.

Газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного другим основанием с отбортовкой корпуса, экран, закрывающий место соединения проходящего внутри изолятора вывода второго электрода с торцевой поверхностью меньшего основания изолятора, отличающийся тем, что диаметры электродов Д, экрана Д₁, внутренней поверхности металлического корпуса Д₂ и межэлектродное расстояние S связаны соотношениями Д=(3÷5)S; Д₂-Д₁/2S≥3; Д₁=(0,25÷0,6)Д₂.