ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК

Управляемые вакуумные разрядники применяются в качестве коммутирующих элементов при создании генераторов импульсных токов. Особый класс занимают отпаянные управляемые вакуумные разрядники. Они компактны, имеют высоковольтную и сильноточную область применения, обладают значительным ресурсом срабатывания, зависящим от электрической энергии в коммутируемой цепи. У вакуумных разрядников есть определенные положительные качества: отсутствие накальных цепей (в противоположность тиратронам) и, как следствие, постоянная готовность к работе, вакуум внутри разрядника позволяет использовать его в приборах при наличии радиационных полей. Эти достоинства вакуумных разрядников позволяют успешно использовать их в прикладных задачах при создании быстродействующих сильноточных систем автоматики.
Известен управляемый излучением лазера разрядник, в котором пробой разрядника происходит при фокусировке импульса лазерного излучения на катод, что вызывает сильный локальный нагрев поверхности катода в фокусе линзы, в результате начинается эмиссия термоэлектронов, инициирующих разряд под действием приложенного электрического поля, возникает первичная электронная лавина, переходящая затем в быстрый стример, замыкающий разрядный промежуток. Л.Н. Быховская и др. Исследование характеристик быстродействующих отпаянных разрядников, поджигаемых излучением лазера // Квантовая электроника, 1977, т.4, №8, с. 1708. Недостатком способа является необходимость присутствия газовой среды достаточно высокой плотности для возникновения первичных электронных лавин; что создает возможность срабатывания под воздействием проникающего ионизирующего излучения.
Известен разрядник с лазерным управлением, содержащий корпус, в котором установлены два противостоящих электрода, один из электродов имеет сквозное отверстие, в котором на пути прохождения луча лазера установлено прозрачное окно для ввода луча лазера. Окно закрыто металлизированной пленкой для создания лавинного потока. Авторское свидетельство СССР №1641161, МПК H01T 1/20, 15.04.1994. Недостатком данного разрядника является необходимость нагревать до высокой температуры слой металла, нанесенного на пленку, выполненную из нетугоплавкого органического материала, что вызывает его быстрое разрушение и снижает ресурс разрядника.
Известен управляемый разрядник в двухэлектродном исполнении, расположенный в откачанном корпусе, в котором катод выполнен из сплава ВНБ-3, в корпусе установлено прозрачное окно для ввода луча лазера, анод выполнен с отверстием, а в центре катода из сплава ВНБ-3 сформировано острие. Патент на полезную модель RU 119935, МПК H01J 17/64, 25.05.2012. Данное техническое решение принято в качестве прототипа. Недостатком данного устройства является то, что наличие острия значительно снижает электрическую прочность межэлектродного промежутка и делает ее чувствительной к качеству поверхности острия, которое будет видоизменять свою форму в процессе эксплуатации, что снижает надежность устройства.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности срабатывания разрядника.
3
2
3
1/2
melt
melt
с
ZrO2
Al2O3
Известно, что величина минимальной необходимой для поджига разрядника энергии лазерного импульса определяется термодинамическими параметрами материала катода (Давыдов С.Г. и др. Процесс коммутации вакуумного электроразрядного промежутка лазерной плазмой // Прикладная физика, 2014, №6, с. 32). Согласно полученным экспериментальным данным уровень минимальной необходимой для поджига разрядника энергии лазерного импульса зависит от величины параметра α=T/χμ, где T (К) - температура плавления материала мишени по шкале Кельвина, (кг/моль) - молярная масса материала мишени, χ (м/с⋅К) - коэффициент температуропроводности, равный χ=λ/ρс, где λ (Вт/м⋅К) - коэффициент теплопроводности, ρ (кг/м) - плотность и с (Дж/кг) - удельная теплоемкость материала мишени. Характер зависимости отражен на фиг. 1. В целом с увеличением параметра α происходит уменьшение величины минимальной необходимой для поджига разрядника энергии лазерного импульса. Если точнее, то величина минимальной необходимой для поджига разрядника энергии лазерного импульса обратно пропорциональна величине α, т.е. корню квадратному из параметра α. Наименьшей величиной минимальной необходимой для поджига разрядника энергии лазерного импульса среди экспериментально исследованных материалов мишени является графит (по элементному составу - углерод). Соответствующий расчет и сравнительный анализ показывают, что отношение значений коэффициента α для графита (α), окиси циркония (α) и корунда (α) свидетельствует в пользу использования керамики в качестве материала мишени в вакуумном разряднике с лазерным управлением:
2
c
αZrO/α=3,3
Al2O3
c
α/α=3,5.
ZrO2
с
Al2O3
с
1/2
1/2
Использование мишеней, изготовленных из керамики, позволит уменьшить минимальную необходимую для поджига разрядника энергию лазерного импульса примерно в (α/α)≈(α/α) ≈1,8 раза по сравнению с ранее исследованными материалами.
Технический результат достигается тем, что в вакуумном разряднике, включающем герметичную диэлектрическую оболочку, содержащую коаксиальную электродную систему, состоящую из двух электродов, и оптически прозрачное окно для ввода управляющего импульсного оптического излучения по оси симметрии разрядника, а также расположенный за пределами герметичной оболочки оптический элемент, фокусирующий управляющее излучение на катоде, и анод выполнен со сквозным отверстием для пропуска управляющего излучения в направлении катода, внутри оболочки на оси симметрии разрядника на поверхности катода расположена мишень из керамики.
2
3
2
Мишень может быть выполнена из корунда (AlO) или двуокиси циркония (ZrO).
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами.
LP
min
melt
3
1/2
На фиг. 1 представлена диаграмма распределения материалов, использованных для изготовления катода, по величине минимальной необходимой для инициирования разряда энергии в лазерном импульсе (E), и параметра (T/χμ).
На фиг. 2 представлена схема вакуумного разрядника с лазерным управлением, где 1 - импульсный лазер, 2 - оптический элемент, 3 - входное оптическое окно, 4 - диэлектрический откачанный корпус разрядника, 5 - анод, 6 - катод, 7 - мишень.
Вакуумный разрядник, управляемый излучением импульсного лазера, состоит из коаксиальной электродной системы, заключенной внутри откачанного до высокого вакуума герметичного диэлектрического корпуса 4. Электродная система содержит два электрода: анод 5, в котором имеется сквозное отверстие для пропуска управляющего излучения в направлении плоской мишени 7, выполненной из керамики и помещенной на поверхности катода 6. В герметичном диэлектрическом корпусе разрядника 4 имеется оптически прозрачное окно 3, назначением которого является обеспечение транспортировки сфокусированного на поверхности мишени 7 управляющего излучения от импульсного лазера 1 внутрь корпуса 4 вдоль оси симметрии разрядника. Фокусировка управляющего излучения осуществляется с помощью оптического элемента 2, например собирающей линзы. Опытным путем было установлено, что при протяженности зазора между анодом и катодом порядка 1 мм в вакуумированном межэлектродном зазоре рабочее напряжение разрядника достигает 10 кВ.
-3
-2
-9
-8
8
10
2
Разрядник работает следующим образом. Излучение оптического диапазона, испускаемое внешним импульсным источником, фокусируется на поверхности мишени. Полученное с помощью собирающей линзы с фокусным расстоянием порядка нескольких сантиметров пятно фокусировки будет иметь диаметр несколько десятых квадратного миллиметра (Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992. - 536 с. - С.239). При энергии излучения 10-10 Дж в импульсе длительностью 10-10 с, что обеспечивают серийно выпускаемые компактные твердотельные оптические квантовые генераторы со светодиодной накачкой, плотность потока энергии излучения на мишени может быть доведена до уровня 10-10 Вт/см. При таком уровне интенсивности падающего на мишень излучения у поверхности мишени, т.е. у поверхности катода образуется плазменный факел, распространяющийся в направлении анода под действием приложенного электрического поля. Межэлектродное пространство заполняется проводящей средой и разрядник срабатывает.
Использование мишеней, изготовленных из керамики, позволит снизить минимальную необходимую для поджига разрядника энергию лазерного импульса по сравнению с ранее исследованными материалами. Следовательно, случайные флуктуации энергии лазерного излучения, приводящие к уменьшению энергии и соответственно интенсивности лазерного излучения ниже среднего уровня, оказываются менее опасны.
Чем ниже энергия и интенсивность лазерного излучения, падающего на изготовленную из определенного материала мишень, тем меньше масса и ниже температура образующейся под действием лазерного излучения плазмы, тем больше вероятность того, что при распространении от катода к аноду плазма, остывая, успеет превратиться в нейтральную непроводящую среду, т.е. не произойдет замыкания межэлектродного промежутка и срабатывания разрядника.
Таким образом, применение керамической мишени, которое приводит к снижению минимальной необходимой для поджига разрядника энергии лазерного импульса, снижает вероятность несрабатывания разрядника, т.е. увеличивает надежность срабатывания разрядника при заданной энергии лазерного излучения, используемого для поджига разрядника: энергия используемого излучения заведомо превышает уровень минимальной необходимой для поджига разрядника энергии лазерного импульса, а чем ниже уровень минимальной необходимой для поджига разрядника энергии лазерного импульса при заданной энергии используемого лазерного излучения, тем больше указанное превышение и тем выше надежность срабатывания.