ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к газоразрядной технике и может быть использована 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 с плоской рабочей поверхностью и скругленными краями, один из которых закреплен на металлическом корпусе, а другой - на меньшем основании изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и размещенного внутри металлического корпуса, при этом большее основание изолятора соединено с нижним основанием корпуса [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, вызванного напылением продуктов эрозии материала электродов, и большой разброс динамического напряжения пробоя в процессе наработки, связанный с формой электродов. В таком разряднике в процессе его изготовления трудно обеспечить параллельность плоских рабочих поверхностей электродов, поэтому разряд инициируется на краях электродов в местах с большей напряженностью поля (наименьшим межэлектродным расстоянием) и с ограниченной площадью рабочей поверхности. Смещение разряда относительно оси на границу электродов приводит к резкому усилению эрозии материала электродов из-за уменьшения рабочей поверхности электродов и неравномерному напылению продуктов эрозии по всей поверхности изолятора. Наибольшее количество продуктов эрозии попадает на часть изолятора, расположенную на стороне инициирования разряда между электродами, что влечет за собой появление в этой части изолятора коронирующих предразрядных процессов, влияющих на стабильность динамического напряжения пробоя и приводящих к пробою по поверхности изолятора, что снижает долговечность.
Известен также газонаполненный разрядник, содержащий основные электроды цилиндрической формы со скругленными краями, дополнительный электрод, соединенный с одним из основных электродов и выполненный в виде петли из проволоки, при этом отношение расстояния L между свободным концом петли и противоположным электродом к расстоянию между основными электродами S выбрано в пределах 2÷4 [Авторское свидетельство СССР №650127, HО1J 17/00, HO1 T 1/00, 1979 г.]
В данной конструкции разрядника при правильном выборе соотношения L/S=2÷4 достигается высокая стабильность напряжения пробоя за счет предварительной ионизации разрядного промежутка коронирующим разрядом между основным и дополнительным электродами.
Недостатком такого разрядника является ограниченная долговечность из-за асимметрии предионизации разрядного промежутка. В этом случае разряд между основными электродами привязывается к краю рабочей поверхности основных электродов со стороны дополнительного электрода, уменьшая рабочую поверхность электродов, что ведет к усилению эрозии материала электрода и не симметричному его напылению на внутреннюю поверхность изолятора. Максимальное напыление продуктов эрозии на внутреннюю поверхность изоляционной оболочки разрядника наблюдается со стороны дополнительного электрода, что значительно усиливает в этом месте изоляционной оболочки напряженность электрического поля и при достижении в процессе наработки критической напряженности, при которой возникает коронирующий разряд, приводит к потере электрической прочности и ограничению долговечности.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является газонаполненный разрядник, состоящий из герметичной оболочки, включающей изолятор, расположенных в оболочке на расстоянии S друг от друга двух электродов с диаметром D, рабочая поверхность одного из которых выполнена в виде плоскости, а другого - в виде части сферической поверхности с радиусом R [Патент США №3211940, 313-205, 1965 г.- прототип]
Такая конструкция разрядника при выбранных оптимальных геометрических размерах вспомогательного промежутка между управляющим электродом и основным электродом, по оси которого он расположен и промежутка между основными электродами позволяет получить наилучшие временные характеристики разряда и высокую стабильность напряжения пробоя разрядника, определяемую стабильностью источника питания.
Недостатком разрядника является низкая электрическая прочность из-за сильного напыления продуктов эрозии материала электродов на внутреннюю поверхность изолятора. Сильная эрозия материалов электродов в данной конструкции разрядника вызвана уменьшением рабочей поверхности электродов из-за локализации разряда по оси прибора вспомогательным разрядом.
Задачей полезной модели является создание газонаполненного разрядника с высокой электрической прочностью и долговечностью в заданном эксплуатационном режиме.
Указанный технический эффект достигается тем, что в известном газонаполненном разряднике, состоящем из герметичной оболочки, включающей изолятор, расположенных в оболочке на расстоянии S друг от друга двух электродов с диаметром D, рабочая поверхность одного из которых выполнена в виде плоскости, а другого - в виде части сферической поверхности с радиусом R, диаметры электродов D, радиус сферической поверхности R и расстояние между электродами S выбраны согласно соотношениям:
В предлагаемой конструкции разрядника геометрические размеры выбирают таким образом, чтобы пробой между электродами происходил с равной вероятностью по всей рабочей поверхности, которая симметрична относительно оси прибора. В процессе наработки происходит выработка материала электродов, начиная строго по оси прибора в начале наработки и с увеличением рабочей поверхности в процессе таким образом, что вероятность пробоя в каждой из точек рабочей поверхности практически одинакова. Такой характер работы разрядника в процессе наработки ведет к симметричному напылению по всей внутренней поверхности изолятора, что значительно повышает электрическую прочность и долговечность в заданном эксплуатационном режиме. При  электрическое поле в промежутке близко к однородному, что определяет высокую стабильность напряжения пробоя разрядника. Если , то электрическое поле будет менее однородно, вызывая нестабильность пробивного напряжения. Для оптимизации массы и габаритных размеров разрядника соотношение  не должно превышать 5.
При  пробой промежутка между электродами предпочтителен по оси электродов и технологическое отклонение осей электродов от оси прибора не вызывает смещение разряда на края электродов местах наименьшего расстояния между электродами, что способствует симметричному напылению материала электродов на внутренней поверхности изолятора. Если , то электрическое поле будет менее однородно, что вызывает нестабильность пробивного напряжения. При  поверхность электрода близка к плоской поверхности, поэтому в случае отклонения осей электродов от осей прибора в процессе изготовления при работе возникает смещение разряда на края электродов в места с наименьшим межэлектродным расстоянием. На поверхность изолятора, расположенную со стороны разряда между электродами в местах с наименьшим межэлектродным расстоянием осаждение продуктов эрозии происходит интенсивнее, что влечет за собой изменение напряженности электрического поля на поверхности изолятора и при напряженности электрического поля более критического значения, при котором возможно развитие разряда на поверхности изолятора, происходит пробой по изолятору, ограничивающий долговечность прибора.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными признакам заявленной полезной модели, 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 полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию "новизна".
Заявленная полезная модель поясняется чертежом.
На фиг.1 показан один из вариантов предлагаемого газонаполненного разрядника.
Газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1 в виде цилиндрического стакана с отбортовкой 2, изолятор 3 в виде полого усеченного конуса, расположенный внутри металлического корпуса 1, электрод 4 цилиндрической формы со скругленными краями со стороны рабочей поверхности, выполненной в виде плоскости, расположенный на дне металлического корпуса, и электрод 5, имеющий цилиндрическую форму со скругленными краями со стороны рабочей поверхности, выполненной в виде части сферической поверхности, расположенный на торцевой поверхности меньшего основания изолятора 3, соединенного большим 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, штенгель 8 для наполнения разрядника газом.
Работает разрядник следующим образом.
При подаче на электроды 4 и 5 импульсного напряжения в случае его использования в качестве разрядника-обострителя или медленно изменяющегося напряжения в случае его использования в качестве коммутационного разрядника происходит пробой между электродами и в нагрузке выделяется импульс напряжения, форма которого зависит от элементов разрядного контура и коммутационных характеристик разрядника.
Высокая электрическая прочность и большая долговечность газонаполненного разрядника обеспечивается за счет использования в нем электродов с диаметром D, расположенных напротив друг друга по оси прибора, рабочая поверхность одного из которых выполнена в виде плоскости, а другого - в виде части сферической поверхности с радиусом R, при этом геометрические размеры электродов и межэлектродное расстояние S связаны соотношениями:
Согласно заявленной полезной модели были изготовлены экспериментальные образцы разрядников-обострителей на напряжение от 150 до 250 кВ и первичного коммутатора на напряжение от 10 до 15 кВ для импульсных рентгеновских аппаратов серии «Арина», изготавливаемых в ООО «Спектрофлэш» г.Санкт-Петербург.
При коммутации напряжения через первичную обмотку резонансного трансформатора рентгеновского аппарата во вторичной цепи возникает высоковольтный импульс напряжения, подаваемый на разрядник-обостритель. Надежная работа аппаратов возможна тогда, когда напряжение срабатывания коммутатора в первичной цепи трансформатора формирует во вторичной цепи высоковольтный импульс напряжения с амплитудой превышающей динамическое напряжение пробоя разрядника-обострителя на 10-20%. Если это условие не соблюдается, то при работе аппарата могут возникнуть условия, когда разрядник-обостритель при воздействии высоковольтного импульса не пробивается и в высоковольтной цепи аппарата возникает импульс напряжения большой амплитуды и длительности синусоидальной формы, вызывающий электрический пробой в элементах схемы. Выбор профиля электродов с заданным соотношением геометрических размеров и соблюдение условий при настройке аппаратов устраняет возможность отсутствия пробоя разрядников-обострителей в течение всей длительности наработки, тем самым значительно повышается надежность работы аппаратов.
Таким образом, использование заявленной полезной модели позволяет создать газонаполненный разрядник с высокой электрической прочностью и большой долговечностью.