Разрядник
Владельцы патента RU 2339139:
Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в коммутаторах для сильноточных импульсных ускорителей заряженных частиц, для импульсных генераторов токов и т.п. Техническим результатом является увеличение ресурса, повышение надежности, электрической прочности и уменьшение габаритов. Устройство содержит герметичный диэлектрический газонаполненный корпус. В корпусе расположены основные электроды и управляющий электрод, расположенный в одном из основных электродов. Корпус разрядника выполнен в виде усеченного конуса. Основной электрод, расположенный у большего основания корпуса, выполнен с рабочей поверхностью из трех сопряженных поверхностей: сферической, тороидальной и конической, расположенной между ними. Основной электрод, расположенный у меньшего основания корпуса, выполнен сферической формы. На рабочей поверхности, по меньшей мере, одного из электродов расположена вставка из тугоплавкого материала. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, к газоразрядной технике, а именно к устройствам формирования мощных импульсов напряжения и тока, и может быть использовано в сильноточных импульсных ускорителях заряженных частиц, в генераторах импульсных токов и т.п.
Известен разрядник (Вечерковский В.В., Истомин Ю.А., Коба Ю.В. и др. «Коммутатор двойной формирующей линии экспериментального модуля установки АНГАРА-5», ж. «Приборы и техника эксперимента», 1983 г., выпуск 4, стр.124-127). Коммутатор состоит из четырех газонаполненных разрядников. Каждый разрядник имеет цилиндрический изоляционный корпус, основные цилиндрические электроды со сферической рабочей поверхностью, управляющий электрод, расположенный в одном из основных электродов. Основные электроды установлены на торцах корпуса. Недостатком аналога является неудобство компоновки разрядников с цилиндрическим корпусом при радиальном расположении коммутатора относительно электродов двойной формирующей линии (ДФЛ). Радиальное расположение коммутатора позволяет снизить его индуктивность. Использование цилиндрических электродов не позволяет получить равномерно распределенное электрическое поле на поверхности изоляционного корпуса.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является разрядник по авторскому свидетельству №-1286048, авторов В.Ф.Басманова и др.
«Газонаполненный разрядник», кл. МПК Н01Т 1/00, опубликовано 30.07.1994 г., бюл. №-14. Разрядник по прототипу содержит герметичный диэлектрический газонаполненный корпус с расположенными в нем основными электродами и управляющим электродом, расположенным в одном из основных электродов. Корпус выполнен в форме цилиндрического стакана, герметично соединенного с расположенными в нем соосными электродами, первый из которых выполнен с токоподводом, пропущенным через отверстие в днище корпуса, и с нерабочим торцом, поджатым к внутренней поверхности днища корпуса. Второй электрод выполнен с фланцем, поджатым к торцу корпуса. Для инициирования срабатывания разрядник содержит управляющий электрод, установленный в отверстии первого электрода с центровкой с помощью изолятора. Основные электроды имеют цилиндрическую форму.
Недостатком прототипа является то, что цилиндрическая форма корпуса не позволяет рационально расположить разрядники радиально по окружности при использовании их при работе в составе многоканального коммутатора двойной формирующей линии (ДФЛ) ускорителя электронов. Кроме того, данный разрядник имеет ограничения по электрической прочности, надежности и ресурсу работы, связанные с формой и материалами электродов.
При создании данного изобретения решалась задача создания мегавольтных разрядников, синхронно работающих в составе разрядника-коммутатора ДФЛ многоцелевого импульсного ускорителя электронов.
Техническим результатом при решении данной задачи являлось увеличение ресурса, надежности, электрической прочности и уменьшение габаритов заявляемого разрядника.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным разрядником, содержащим герметичный диэлектрический газонаполненный корпус, с расположенными в нем основными электродами и управляющим электродом, расположенным в одном из основных электродов, в заявляемом разряднике корпус разрядника выполнен в форме усеченного конуса, основной электрод, расположенный у большего основания корпуса, выполнен с рабочей поверхностью в виде сопряженных сферической, тороидальной и конической между ними частей поверхностей. Сферическая часть поверхности основного электрода, расположенного у большего основания корпуса, выполнена из тугоплавкого материала. Основной электрод, расположенный у меньшего основания корпуса, выполнен со сферической рабочей поверхностью, а 70-90% площади его рабочей поверхности также выполнена из тугоплавкого материала.
Выполнение корпуса разрядника в форме усеченного конуса, а основных электродов со сферическими рабочими поверхностями, позволило наиболее рационально установить разрядники радиально по окружности при использовании их в составе коммутатора ДФЛ ускорителя электронов. Форма основных электродов выбиралась расчетно-экспериментальным путем из условия обеспечения равномерности электрического поля по поверхности диэлектрического корпуса. При выборе формы электродов учитывалось, чтобы силовые линии электрического поля были максимально приближены по расположению к осевой линии разрядника, т.е. к вершине сферической части основного электрода. Они должны быть оторваны от поверхности диэлектрического корпуса и не пересекаться с ним. Силовые линии электрического поля по возможности должны быть параллельно-касательными к внутренней поверхности корпуса. Форма электродов должна ослабить напряженность поля в тройных точках - в точках сопряжения: электрод-корпус-газ. Эти точки расположены у обоих оснований корпуса в местах сопряжения основных электродов с корпусом. Коническая часть основного электрода при большой разности диэлектрической проницаемости сред хорошо выравнивает поле, т.е. обеспечивает равномерное распределение электрического поля по поверхности.
Использование вставки из тугоплавкого материала на рабочей поверхности, по меньшей мере, одного из электродов и выбор оптимального соотношения площади вставки и электрода был сделан после проведения экспериментов и расчетов напряженности электрического поля с помощью пакета прикладных программ Axial. При площади вставки менее 70% от площади электрода рабочий канал будет приходиться на боковую часть электрода, выполненного из нержавеющей стали, а не на вставку из композиционного материала марки ВНЖ-5-1, состоящего в основном из вольфрама. На поверхности электрода в результате электроискровой эрозии будут возникать выступы, которые снижают электропрочность межэлектродного зазора. Кроме этого, происходит сильное запыление внутренней поверхности диэлектрического корпуса разрядника продуктами испарения нержавеющей стали. Это приводит к снижению надежности срабатывания и ресурса работы разрядника. При площади вставки более 90% площади электрода разрядника значительно возрастает стоимость изготовления электрода. Рабочие поверхности вставки и основного электрода выполнены в виде сопряженных поверхностей для повышения электрической прочности разрядника.
На чертеже изображен заявляемый разрядник, где
1 - корпус;
2 - первый основной электрод, расположенный у большего основания корпуса;
3 - второй основной электрод, расположенный у меньшего основания корпуса;
4 - управляющий электрод;
5 - часть сферической поверхности первого основного электрода, выполненного из тугоплавкого материала;
6 - часть конической поверхности первого основного электрода;
7 - часть тороидальной поверхности первого основного электрода;
8 - часть второго электрода, выполненного из тугоплавкого материала;
9 - часть управляющего электрода, выполненного из тугоплавкого материала;
10 - изолятор управляющего электрода;
11 - элементы крепления корпуса к электроду.
Разрядник содержит герметичный диэлектрический газонаполненный корпус 1 с расположенными в нем основными электродами 2 и 3 и управляющим электродом 4, расположенным в одном из основных электродов 2. Корпус разрядника выполнен в виде усеченного конуса. Основной электрод 2, расположенный у большего основания корпуса 1, выполнен с рабочей поверхностью в виде сопряженных сферической 5, тороидальной 7 и конической 6 между ними частей поверхностей.
Сферическая часть поверхности 5 основного электрода 2, расположенного у большего основания корпуса, выполнена из тугоплавкого материала. Основной электрод 3, расположенный у меньшего основания корпуса, выполнен со сферической рабочей поверхностью, а 70-90% площади его рабочей поверхности также выполнено из тугоплавкого материала. Часть 9 управляющего электрода также может быть выполнена из тугоплавкого материала.
Кроме того, заявляемый разрядник содержит изолятор 10 управляющего электрода 4 и элементы крепления 11.
В примере реализации корпус разрядника 1 изготовлен из капролона марки В с внутренним диаметром у основания конуса 154 мм, высотой 144 мм и толщиной стенки 15 мм. В результате компьютерных исследований и детального анализа распределения электрических полей была выбрана геометрия электродной системы разрядника. Основной высоковольтный электрод 3 выполнен шаровидной формы. Почти вся рабочая поверхность электрода выполнена из сплава ВНЖ-5-1. Заземленный основной электрод 2 выполнен со вставкой 9 на сферической выступающей центральной части из материала ВНЖ-5-1. Управляющий электрод 4 также имеет вставку, состоящую из материала ВНЖ-5-1. Герметичная полость корпуса разрядника заполнена газовой смесью, состоящей из 80% азота (N2) и 20% элегаза SF6, под давлением 16 ати.
Заявляемый разрядник работает следующим образом. Импульс высокого напряжения при зарядке ДФЛ ускорителя прикладывается к электродам 2 и 3 разрядника так, что они оказываются под противоположными потенциалами. Поскольку разрядник работает с перенапряжением, то в промежутке между электродами 2 и 3 формируются условия для образования электрического пробоя. При подаче пускового импульса на управляющий электрод 4 в этой области создается дополнительное усиление электрического поля, процесс формирования условий для разряда увеличивается, и с некоторой задержкой происходит перекрытие межэлектродного промежутка в четко определенное время, что и определяет надежность работы разрядника.
Проведена серия испытаний партии разрядников. Испытания показали, что рабочее напряжение составляет 1 MB, а рабочий ресурс превышает 1000 включений. Разрядник используется в составе 36 канального коммутатора сильноточного ускорителя электронов.
Таким образом, по сравнению с прототипом удалось повысить надежность заявляемого разрядника, увеличить на порядок его ресурс, вдвое повысить электрическую прочность при равных габаритах разрядников.
1. Разрядник, содержащий герметичный диэлектрический газонаполненный корпус с расположенными в нем основными электродами и управляющим электродом, расположенном в одном из основных электродов, отличающийся тем, что корпус разрядника выполнен в виде усеченного конуса, основной электрод, расположенный у большего основания корпуса, выполнен с рабочей поверхностью в виде сопряженных сферической, тороидальной и конической между ними частей поверхностей.
2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что сферическая часть поверхности основного электрода, расположенного у большего основания корпуса, выполнена из тугоплавкого материала.
3. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что основной электрод, расположенный у меньшего основания корпуса, выполнен со сферической рабочей поверхностью.
4. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что 70-90% площади поверхности основного электрода, расположенного у меньшего основания корпуса, выполнено из тугоплавкого материала.
