ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к газоразрядной технике и может быть использована при разработке разрядников-обострителей с высокой стабильностью динамического напряжения пробоя и большой долговечностью, применяемых в 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 нескольких единиц МПа. Высокое давление наполняющего газа при малых межэлектродных расстояниях в такой конструкции обеспечивает время коммутации в пределах одной наносекунды. Недостатками разрядника являются низкая электрическая прочность и низкая стабильность динамического напряжения пробоя, обусловленные неравномерным распределения потенциала электрического поля вдоль образующей конической поверхности изолятора и неоптимальными размерами и взаимным расположением элементов разрядника.
1
1
2
Известен также газонаполненный разрядник, содержащий соосно установленные два основных электрода, дополнительный электрод, расположенный коаксиально с одним из основных электродов, и резистивный элемент, в котором с целью повышения стабильности срабатывания разрядника в режиме обострения импульсного напряжения, введен дополнительный электрод в виде стержня, расположенный в осевом отверстии основного электрода, коаксиального с первым дополнительным электродом, и электрически соединенный с первым дополнительным электродом непосредственно, а с основным электродом с отверстием через дополнительно введенный конденсатор, резистивный элемент включен между основным электродом с отверстием и первым дополнительным электродом и выполнен в виде покрытия на разделяющем эти электроды изоляторе, причем диаметр D отверстия в основном электроде, диаметр d второго дополнительного электрода и расстояние S между основными электродами связаны соотношением 0,5≤(D-d/2S)/(C/(C+C))≤1,1, где
1
C - величина суммарной конструктивной емкости между дополнительными электродами и вторым основным электродом;
2
C - величина суммарной конструктивной емкости между дополнительными электродами и основным электродом с отверстием [Авторское свидетельство СССР №1804263, H01T 2/02, 1996 г.].
Такой разрядник при выполнении указанного выше соотношения геометрических размеров его элементов имеет очень высокую стабильность динамического напряжения пробоя, что дает возможность успешно применять их в источниках лазерной подсветки для телевизионной аппаратуры с пространственно-временной селекцией и в специальных областях науки и техники. Для аппаратуры широкого применения, в частности, в рентгеновских дефектоскопах применять их нецелесообразно из-за большой стоимости, вызванной сложной конструкцией и технологией изготовления в процессе производства.
Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемой полезной модели является 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 [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 небольшая долговечность и низкая стабильность динамического напряжения пробоя в заданном эксплуатационном режиме из-за неравномерного напыления токопроводящих продуктов эрозии материала электродов вдоль образующей изолятора в процессе наработки, что является причиной неравномерного распределения потенциала электрического поля вдоль образующей изолятора.
Задачей данной полезной модели является создание газонаполненного разрядника с высокими долговечностью и стабильностью динамического напряжения пробоя.
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 расположен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного другим основанием с отбортовкой корпуса, межэлектродное расстояние S и длина образующей изолятора h выбраны так, что напряжение пробоя разрядного промежутка близко к напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора.
Такой выбор межэлектродного расстояния S и длины изолятора h обеспечивает примерное равенство динамического напряжения пробоя между электродами и напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора, создает условия для стабильной по времени предварительной ионизации разрядного промежутка скользящим коронным разрядом по изолятору в момент, предшествующий пробою основного промежутка без искрового пробоя по изолятору. Коронирующий разряд по изолятору в этом случае сильно стабилизирует разрядные процессы в основном разрядном промежутке, уменьшая среднеквадратичный разброс динамического напряжения до 1-2% и эрозию материала электродов из-за уменьшения стартовых потерь в процессе развития разряда, что значительно увеличивает долговечность в заданном эксплуатационном режиме.
Таким образом, предлагаемая конструкция газонаполненного разрядника позволяет получить большую долговечность и высокую стабильность динамического напряжения пробоя за счет правильного выбора геометрических размеров межэлектродного расстояния S и длины образующей изолятора h, что обеспечивает предварительную ионизацию разрядного промежутка коронирующим разрядом по изолятору на самом высоком уровне динамического напряжения пробоя. При этом скользящий пробой по изолятору при установившихся разрядных процессах отсутствует, т.к. шунтируется основным пробоем разрядного промежутка, уровень которого несколько ниже уровня скользящего пробоя по изолятору из-за подсветки промежутка коронирующими процессами.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность всех существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан один из вариантов заявленного газонаполненного разрядника-серийно выпускаемый разрядник-обостритель с водородным наполнением РО-43 с длиной образующей изолятора h=30 мм.
пб.дин.
ск.пб.
0,2
На фиг. 2 представлены кривые U=F(p,s) при различных межэлектродных расстояниях S=const (межэлектродное расстояние изменялось в пределах 3± мм) и график функции U=F(P), выражающей зависимость импульсного напряжения скользящего пробоя вдоль поверхности изолятора от давления в разряднике-обострителе РО-43.
Газонаполненный разрядник (фиг. 1) содержит металлический корпус 1 в виде цилиндрического стакана с отбортовкой, изолятор 2 в виде полого усеченного конуса, имеющий боковую цилиндрическую поверхность в нижней его части, причем выпуклая поверхность изолятора 2 обращена внутрь металлического корпуса 1, электроды - анод 3, закрепленный на внутренней поверхности дна металлического корпуса 1, и катод 4, размещенный на торцевой поверхности меньшего основания изолятора 2, манжета 5, расположенная на внутренней поверхности нижней части металлического корпуса 1, повторяя форму этой поверхности с образованием уступа, в котором установлено основание нижней части изолятора 2, при этом манжета 5 соединена своей нижней частью с металлическим корпусом 1 швом, выполненным, например, аргонно-дуговой сваркой, а внутренней поверхностью соединена с боковой цилиндрической поверхностью изолятора 2 швом герметизации, полученным, например, посредством пайки серебросодержащим припоем.
В предлагаемой конструкции разрядника, представленной на фиг. 1, для получения высокой стабильности динамического напряжения пробоя и большой долговечности межэлектродное расстояние S и длина образующей изолятора h выбраны такими, чтобы обеспечить примерное равенство динамического напряжения пробоя основного разрядного промежутка и напряжения скользящего пробоя по изолятору.
Работает газонаполненный разрядник следующим образом.
Между анодом 3 и катодом 4 прикладывают импульсное напряжение, амплитуда которого нарастает со временем. По достижению напряжения, равного напряжению пробоя, разрядник пробивается и в нагрузке возникает импульс тока, величина и форма которого определяется параметрами разрядной цепи и величиной напряжения пробоя разрядника. В процессе тренировки разрядника напряжение пробоя от импульса к импульсу медленно растет и стабилизируется в пределах заданного значения, определяемого межэлектродным расстоянием, давлением наполняющего газа и правильным выбором геометрических размеров межэлектродного расстояния S и образующей изолятора h, при которых создаются условия примерного равенства динамического напряжения пробоя и напряжения скользящего пробоя по изолятору. Динамическое напряжение пробоя разрядника и импульсное напряжение скользящего пробоя по изолятору контролируется по осциллограмме. Осциллограмма напряжения скользящего пробоя по изолятору отличается от осциллограммы динамического напряжения пробоя разрядного промежутка формой импульса после пробоя, вызванной изменением параметров разрядного контура, в частности, из-за увеличения индуктивности разрядного контура. Стабилизация пробоя основного разрядного промежутка в процессе тренировки осуществляется регулирующим действием интенсивности свечения коронирующего разряда по поверхности изолятора и созданием равномерной микроструктуры рабочих поверхностей электродов. Если в процессе тренировки произошел скользящий пробой по изолятору, то в дальнейшем динамическое напряжение пробоя будет изменяться от импульса к импульсу плавно вслед за изменением скользящего пробоя по изолятору до момента его стабилизации, при котором отсутствуют скользящие пробои по изолятору. Условие опережающего пробоя основного разрядного промежутка объясняется ионизационным воздействием коронирующего разряда по изолятору с максимальной интенсивностью свечения перед пробоем разрядного промежутка. В установившемся режиме динамическое напряжение пробоя несколько ниже величины напряжения скользящего пробоя по изолятору из-за влияния коронирующего разряда по поверхности изолятора, поэтому пробой основного промежутка шунтирует коронирующие процессы на поверхности изолятора и предотвращает его от пробоя. Работа разрядника после тренировки проходит при высокой стабильности динамического напряжения пробоя без сопутствующих скользящих пробоев по внутренней поверхности изолятора, что способствует значительному увеличению долговечности в заданном эксплуатационном режиме.
пб.дин.
ск.пб…
Условие примерного равенства динамического напряжения пробоя и напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора имеет вид: U≈U, где
пб.дин.
U=F(p,s) - динамическое напряжение пробоя основного разрядного промежутка разрядника;
ск.пб.
U=F(p) - напряжение скользящего пробоя по изолятору;
p - давление наполняющего газа;
пб.дин.
ск.пб.
пб.дин.
ск.пб.
ск.пб.
пб.дин.
пб.дин.
ск.пб.
пб.дин.
ск.пб.
s - расстояние между электродами. Из приведенных выражений видно, что напряжение скользящего пробоя вдоль образующей поверхности изолятора при заданных его геометрических размерах и рода наполняющего газа зависит только от его давления. Напряжение пробоя разрядника при этом зависит и от давления, и от величины межэлектродного расстояния, поэтому для того, чтобы выполнялось примерное равенство U≈U при выбранных геометрических размерах изолятора и давлении наполняющего газа, определяемого заданной величиной динамического напряжения пробоя, необходимо правильно выбрать межэлектродное расстояние. Для чего снимается семейство кривых U=F(p,s) при различных межэлектродных расстояниях S=const. и график функции U=F(p) (фиг. 2), выражающей зависимость динамического напряжения скользящего пробоя вдоль поверхности изолятора от давления, снятый при разных значениях межэлектродного расстояния. В этом случае каждая точка разрядной кривой U=F(p) соответствует точкам семейства кривых U=F(p,s) с вполне определенными значениями межэлектродного расстояния, при которых это соответствие выражает условие примерного равенства динамического напряжения пробоя разрядника и динамического напряжения скользящего пробоя (фиг. 2). По этой кривой и семейству кривых, выражающих зависимость динамического напряжения пробоя от давления, определяют для выбранного типа разрядника с заданным динамическим напряжением пробоя величину межэлектродного расстояния и давления. Следует отметить, что разрядники-обострители имеют наибольшую стабильность динамического напряжения пробоя в общих точках семейства U=F(p,s) при s=const и разрядной кривой UCK. U=F(p), т.е. в точках примерного равенства динамического напряжения пробоя разрядника напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора, величина которых соответствует вполне определенным значениям межэлектродного расстояния и давления. При выбранном межэлектродном расстоянии и увеличении давления в разряднике стабильность динамического напряжения уменьшается, т.е. нарушаются условия примерного равенства U≈U, появляются скользящие пробои по внутренней поверхности изолятора. При дальнейшем увеличении давления наполняющего газа скользящие пробои учащаются и могут привести к потере электропрочности, поэтому выбор межэлектродного расстояния и соответствующего ему давления с учетом заданного динамического напряжения пробоя нужно производить тщательно по заранее снятым характеристикам для каждого типа приборов.
ск.пб.
пб.дин.
Из приведенных на фиг. 2 зависимостей можно сделать вывод, что динамическое напряжение пробоя ограничивается разрядной кривой U=F(p) со значительно меньшей крутизной по сравнению с семейством кривых U=F(p,s) при s=const, а при давлениях более 70 атм она практически не меняется, т.е. имеет место насыщение. Из сказанного следует, что при разработке высоковольтных приборов надо также учитывать геометрические размеры изолятора, влияющие на величину разрядного напряжения по поверхности изолятора.
Использование предлагаемой полезной модели позволило создать серию газонаполненных разрядников-обострителей РО-43, РО-48, РО-49, РО-50 с высокой стабильностью динамического напряжения пробоя (среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя не превышает 1%) и большой долговечностью. Ресурсные испытания данных разрядников подтвердили значительное преимущество разрядников заявленной конструкции. Ресурс этих приборов составил более 107 пробоев, что значительно превышает ресурс разрядника-обострителя, взятого за прототип, составляющий 3-106 пробоев. Такие разрядники найдут широкое применение в рентгеновской дефектоскопии металлоконструкций и при разработке генераторов субнаносекундных импульсов для специального применения.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет создать газонаполненные разрядники с высокой долговечностью и высокой стабильностью динамического напряжения пробоя.