Газоразрядный коммутатор
GAS-DISCHARGE SWITCH

Изобретение относится к электронной технике, а именно, к электрическим коммутирующим газоразрядным электронным приборам и может быть использовано при создании импульсных устройств, в частности, генераторов импульсов с субнаносекундными фронтами нарастания, источников питания импульсных устройств, источников питания газоразрядных импульсных лазеров и других приборов.
Предлагаемое к правовой охране устройство, представляющее собой газоразрядный коммутатор, разработано при выполнении работ по гранту РНФ 19-19-00069.
Известен газоразрядный коммутатор (патент РФ №2497224 на изобретение «Газоразрядный коммутатор», приоритет 09.12.2011, публикация 27.10.2013), содержащий корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами, размещенными в указанном корпусе, - коаксиальными катодом и анодом. Коаксиальные катод и анод выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки. Коаксиальные катод и анод установлены с зазором относительно друг друга с формированием разрядной структуры, обеспечивающей разрядный промежуток. Катод и анод снабжены электрическими выводами на их концах. Корпус реализован в составе элементов, образующих в совокупности замкнутый объем, - катода в виде обечайки, изоляторов, установленных между электрическими выводами катода и анода, торцевых изоляторов, образующих торцы. Катод и анод расположены друг относительно друга эквидистантно. Диаметр катода не менее чем в 10 раз больше зазора, анод в виде сетки выполнен с геометрической прозрачностью не менее 85%. В качестве рабочего газа использован гелий и/или неон с добавками водорода в количествах, приводящих к преимущественной ионизации водорода.
Приведенный газоразрядный коммутатор не решает техническую проблему создания электрических газоразрядных электронных средств субнаносекундной коммутации с высокой частотой срабатывания.
Хотя известный коммутатор рассчитан на работу в субнаносекундном режиме коммутации, он не обеспечивает требуемой высокой степени сжатия первичного импульса и частоты следования импульсов даже до десятков кГц при увеличении степени сжатия импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса, а также малого времени коммутации.
d
s
d
s
d
s
Под степенью сжатия (компрессии) импульсов питания S, которая для известного коммутатора недостаточна - S составляет от 20 до 40, понимается отношение длительности коммутируемого импульса, или импульса накачки, или первичного импульса времени задержки развития разряда τ ко времени коммутации τ, S=τ/τ. Она снижается с ростом частоты следования f импульсов из-за малого τ и относительно большого τ. Разряд в данном газоразрядном коммутаторе развивается довольно быстро. Это препятствует увеличению степени сжатия первичного импульса и повышению частоты следования свыше f>10 кГц.
Кроме того, известен газоразрядный коммутатор (патент РФ №2528015 на изобретение «Плазменный коммутатор», приоритет 11.03.2013, публикация 10.09.2014). Коммутатор содержит герметизируемую камеру, заполненную рабочим газом, расположенные в камере катод и сетчатый анод с поверхностью, эквидистантной внутренней поверхности катода. При этом катод выполнен в виде набора пластин катода, расположенных напротив друг друга с зазором, параллельно, на одинаковом расстоянии. Между пластинами катода на равном расстоянии установлен сетчатый анод, выполненный в виде рамки с прикрепленной к ней сеткой. Катод в виде набора пластин катода выполнен с возможностью одновременной подачи на пластины коммутируемого напряжения отрицательной полярности, а сетчатый анод - с возможностью подачи на него напряжения положительной полярности. В продольном направлении по краям пластин катода, расположенных напротив друг друга с зазором, выполнены изоляторы, отделяющие пластины катода и сетчатый анод друг от друга. Изоляторы реализованы в форме примыкающих к сетчатому аноду и пластинам катода пластинчатых вставок, у которых для электрической прочности в направлении от краев пластин катода к центральной области сформированы скосы с образованием острого угла в месте примыкания к поверхности сетчатого анода. На торцевых концах пластины катода состыкованы со стеклянными пластинами с выполненным вакуумным вводом и герметизированы.
Разработкой приведенного устройства не решается техническая проблема получения электрических газоразрядных электронных средств субнаносекундной коммутации с высокой частотой срабатывания.
Устройство позволяет достигать повышения скорости коммутации, увеличения скорости нарастания плотности тока и величины общего тока за счет минимизации собственных паразитных параметров. Данный коммутатор, в общем, рассчитан на работу в субнаносекундном режиме коммутации. Однако в связи с быстрым процессом развития тока, устройство не функционально при повышении частоты следования свыше ƒ>10 кГц, что препятствует увеличению степени сжатия первичного импульса, снижению времени коммутации.
d
d
d
d
s
s
Принципиальным недостатком вышеприведенных коммутационных устройств является резкая зависимость времени задержки развития пробоя от частоты следования импульсов τ(ƒ). Величина τ с ростом ƒ сильно уменьшается, что связано с недостаточной скоростью рекомбинации плазмы в межимпульсном интервале [Александров А.Л., Швейгерт И.В. Физика плазмы, 2018, Т. 44, №5, с.с. 409-415]. Так, в гелии при U=10 кВ и ƒ=10 кГц значение τ лежит в диапазоне τ≈30-40 нс [Bokhan P.A., Gugin P.P., Lavmkhin М.А., Zakrevsky Dm. E. Phys. Plasmas, 2013, V. 20, P. 033507; Бохан П.А., Гугин П.П., Закревский Д.Э., Лаврухин М.А. Изв. вузов. Физика. 2015, Т. 58, №9/2, с.с. 75-78]. Это вынуждает либо значительно уменьшать время подъема напряжения до максимального значения на электродах устройства, что представляет самостоятельную сложную задачу, либо ухудшать коммутационные характеристики самого коммутационного устройства за счет уменьшения давления рабочего газа - гелия и/или использования в качестве рабочего газа водорода [Бохан П.А., Гугин П.П., Закревский Д.Э., Лаврухин М.А. Изв. вузов. Физика. 2015, Т. 58, №9/2, с.с. 75-78]. Последнее позволяет увеличить рабочий диапазон вплоть до ƒ=100 кГц. Но в этом случае значительно возрастают значения остаточного сопротивления коммутатора и времени коммутации τ до τ≈3-5 нс при U=10 кВ. Как следствие, использование коммутаторов подобного типа в источниках питания, например газовых лазеров, при высоких частотах следования импульсов и при повышенных напряжениях становится неэффективным.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
В качестве ближайшего аналога выбран газоразрядный коммутатор (патент РФ №2676756 на изобретение «Газоразрядный коммутатор», приоритет 05.02.2018, публикация 11.01.2019). Коммутатор содержит высоковольтные электроды, корпус, который выполнен с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, с формированием в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом. Катод выполнен в виде обечайки, охватывающей разрядную область, анод - в виде сетки. Катод и анод в виде сетки установлены с зазором относительно друг друга и представляют собой разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток. В корпусе расположена для формирования дополнительного разрядного промежутка вторая разрядная структура в составе катода указанной первой разрядной структуры и снабженной дополнительным анодом диэлектрической капиллярной структуры. Последняя выполнена в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием, обеспечивающим объемное протекание электрического тока через диэлектрическую капиллярную структуру и характеризующимся дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s. Указанное отверстие выполняет функцию разрядного канала. Отверстие содержит j участков с поперечным сечением площадью s и i участков с поперечным сечением площадью s. Количество указанных участков обеспечивает объемное протекание электрического тока через диэлектрическую капиллярную структуру. Участки с поперечным сечением площадью s чередуются с участками с поперечным сечением площадью s. Участки с поперечным сечением площадью s образуют латеральные «карманы» в разрядном канале, а участки с поперечным сечением площадью s - разрядный капиллярный канал, выполняющий функцию проводящего канала. Участки с поперечным сечением площадью s представляют собой расширения канала в направлении, перпендикулярном оси первой разрядной структуры, опоясывающие разрядный капиллярный канал. Латеральные «карманы» выполнены глубиной, определяемой расстоянием между краями участка отверстия с поперечным сечением площадью s и краями участка отверстия с поперечным сечением площадью s в направлении, перпендикулярном оси диэлектрической капиллярной структуры, обеспечивающей объемное протекание электрического тока через диэлектрическую капиллярную структуру. Участки с поперечным сечением площадью s, образующие латеральные «карманы», участки с поперечным сечением меньшего размера s, формирующие разрядный капиллярный канал, расположены своими центрами на оси первой разрядной структуры, являющейся осью диэлектрической капиллярной структуры. Анод коммутатора установлен в одном из торцов корпуса, в выполненном в этих целях отверстии на оси катода в виде обечайки и анода в виде сетки - оси первой разрядной структуры, с примыканием к выходу указанного сквозного отверстия диэлектрической капиллярной структуры.
Разработка устройства, выбранного в качестве ближайшего аналога, предпринята в целях решения технической проблемы получения электрических газоразрядных электронных средств субнаносекундной коммутации с высокой частотой срабатывания.
Тем не менее, вопрос решения указанной технической проблемы за счет достигаемого при использовании известного устройства технического результата не закрыт. Устройство позволяет обеспечить увеличение степени компрессии первичного импульса и увеличение частоты следования импульсов до десятков кГц при увеличении степени компрессии импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса. Кроме того, устройство не позволяет реализовать возможность достижения меньших значений времени коммутации.
Функционирование устройства базируется на том, что при подаче напряжения через некоторое время пробивается промежуток катод сетчатый анод. В результате, образующаяся плазма шунтирует разрядный промежуток катод - сетчатый анод, образуя плазменный катод, и все напряжение прикладывается к капиллярной разрядной структуре. При достижении определенной величины напряжения происходит пробой капиллярного промежутка, и устройство срабатывает, как газоразрядный коммутатор.
d
В данной конструкции коммутатора при приложении высокого напряжения в капиллярной структуре генерируются убегающие электроны, свободно пролетающие от плазменного катода к аноду, состыкованному с диэлектрической капиллярной структурой, (аноду коммутатора), что уменьшает время задержки развития разряда τ. В результате последнего происходит быстрый пробой разрядного промежутка в капиллярной структуре и становится невозможным увеличить рабочее напряжение коммутатора, что, соответственно, приводит к увеличению времени коммутации, уменьшению степени сжатия (компрессии) импульсов и ограничению достигаемой частоты следования.
Разработка предлагаемого газоразрядного коммутатора направлена на решение технической проблемы создания газоразрядных электронных средств субнаносекундной коммутации с высокой частотой срабатывания за счет следующего технического результата.
Техническим результатом является:
d
s
d
s
- увеличение степени сжатия первичного импульса, то есть, увеличение отношения длительности коммутируемого импульса, или импульса накачки, или первичного импульса, определяемой временем задержки развития разряда τ, ко времени коммутации τ, S=τ/τ;
- повышение частоты следования импульсов до сотен кГц при сохранении степени сжатия импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса;
- снижение времени коммутации.
1
2
1
2
1
2
2
Технический результат достигается в газоразрядном коммутаторе, содержащем корпус, расположенную в корпусе первую разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток с проходящей через его центр осью первой разрядной структуры, в составе катода и сетчатого анода, которые установлены друг относительно друга с зазором эквидистантно, содержащем также расположенную на оси первой разрядной структуры вторую разрядную структуру, выполненную в составе катода указанной первой разрядной структуры, анода коммутатора, расположенного вне корпуса, и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием, обеспечивающим протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующимся дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, выполненным в количестве j участков с поперечным сечением площадью s и i участков с поперечным сечением площадью s, чередующихся друг относительно друга с формированием за счет участков с поперечным сечением меньшего размера s проводящего электрический ток разрядного капиллярного канала, а за счет участков с поперечным сечением большего размера расширений канала в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры, при этом с выходом сквозного отверстия состыкован анод коммутатора, диэлектрическая капиллярная структура выполнена вне корпуса, установлена в отверстии в торце корпуса и снабжена примыкающим к ней металлическим экраном, опоясывающим ее с внешней стороны, в отношении ее сквозного отверстия каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры, с выполнением смещения между ними с возможностью исключения наложения проекций при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры перпендикулярна.
В коммутаторе диэлектрическая капиллярная структура снабжена примыкающим к ней металлическим экраном, опоясывающим ее с внешней стороны по всей ее длине.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В коммутаторе в отношении сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, выполненные в количестве j участки с поперечным сечением площадью s и выполненные в количестве i участки с поперечным сечением площадью s, реализованы с поперечным сечением круглой формы, соответственно, с диаметром d и диаметром d с d<d, при этом центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого j участка расположен на оси первой разрядной структуры, а каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры, с выполнением смещения между каждым i-ым и (i+1)-вым участками с возможностью исключения наложения проекций друг на друга при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры перпендикулярна, при этом центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого первого из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры, центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого второго из i-ых участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/<x, центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого третьего из i-ых участков расположен в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/<x.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В коммутаторе в отношении сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, выполненные в количестве j участки с поперечным сечением площадью s и выполненные в количестве i участки с поперечным сечением площадью s, реализованы с поперечным сечением круглой формы, соответственно, с диаметром d и диаметром d с d<d, при этом центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого j участка расположен на оси первой разрядной структуры, а каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры, с выполнением смещения между каждым i-ым и (i+1)-вым участками с возможностью исключения наложения проекций друг на друга при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры перпендикулярна, при этом центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого первого из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры, центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого второго из i-ых участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/<x, центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого третьего из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры, центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого четвертого из i-ых участков расположен в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/<x.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В коммутаторе в отношении сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, выполненные в количестве j участки с поперечным сечением площадью s и выполненные в количестве i участки с поперечным сечением площадью s, реализованы с поперечным сечением прямоугольной формы одной и той же ширины w, соответственно, длиной h и h, с h<h, c расположением сторон шириной w между двумя параллельными плоскостями, удаленными от оси первой разрядной структуры на расстояние w/2, а сторон длиной h и h - в указанных плоскостях, при этом центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого j участка расположен на оси первой разрядной структуры, а каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры, с выполнением смещения между каждым i-ым и (i+1)-вым участками с возможностью исключения наложения проекций друг на друга при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры перпендикулярна, при этом центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого первого из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры, центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого второго из i-ых участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/<x, центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого третьего из i-ых участков расположен в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/<x.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В коммутаторе в отношении сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, выполненные в количестве j участки с поперечным сечением площадью s и выполненные в количестве i участки с поперечным сечением площадью s, реализованы с поперечным сечением прямоугольной формы одной и той же ширины w, соответственно, длиной h и h, с h<h, с расположением сторон шириной w между двумя параллельными плоскостями, удаленными от оси первой разрядной структуры на расстояние w/2, а сторон длиной h и h - в указанных плоскостях, при этом центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого j участка расположен на оси первой разрядной структуры, а каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры, с выполнением смещения между каждым i-ым и (i+1)-вым участками с возможностью исключения наложения проекций друг на друга при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры перпендикулярна, при этом центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого первого из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры, центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого второго из i-ых участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/<x, центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого третьего из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры, центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого четвертого из i-ых участков расположен в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/<x.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
1
1
2
2
2
2
2
2
В коммутаторе в отношении сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, выполненные в количестве j участки с поперечным сечением площадью s и выполненные в количестве i участки с поперечным сечением площадью s, реализованы с поперечным сечением прямоугольной формы одной и той же ширины w, соответственно, длиной h и h, с h<h, с расположением сторон шириной w между двумя параллельными плоскостями, удаленными от оси первой разрядной структуры на расстояние w/2, а сторон длиной h и h - в указанных плоскостях, при этом центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого j участка расположен на оси первой разрядной структуры, а каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры, с выполнением смещения между каждым i-ым и (i+1)-вым участками с возможностью исключения наложения проекций друг на друга при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры перпендикулярна, при этом центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого первого из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры, центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого второго из i-ых участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном х с h/<х.
Суть технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
2
2
2
1
2
2
1
На Фиг. 1 схематически представлено несколько вариантов реализации коммутатора - а) с первой разрядной структурой, выполненной в составе коаксиальных катода и сетчатого анода, обеспечивающей в корпусе разрядный промежуток коаксиальный плазменный катод, со второй разрядной структурой, расположенной на оси первой разрядной структуры и выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием - разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий круглой формы, соответственно, диаметром d и диаметром d с d<d, с чередованием пластин в пакете по размеру диаметра отверстия, при этом центры отверстий диаметром d расположены на оси первой разрядной структуры, отверстия диаметром d латерально сдвинуты друг относительно друга, центры каждых первых отверстий диаметром d расположены на оси первой разрядной структуры, центры каждых вторых отверстий диаметром d расположены в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном х с d/2<х<d/2, центры каждых третьих отверстий диаметром d расположены в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном х с d/2<х<d/2,
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
2
2
2
1
2
2
1
б) с первой разрядной структурой, выполненной в составе катода, представляющего собой установленные друг относительно друга параллельно, с зазором, пластины, и сетчатого анода, представляющего собой набор рамок, снабженных прикрепленной сеткой, расположенных между пластинами катода эквидистантно внутренней поверхности катода, обеспечивающей в корпусе разрядный промежуток планарный плазменный катод, со второй разрядной структурой, расположенной на оси первой разрядной структуры и выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий круглой формы, соответственно, диаметром d и диаметром d с d<d, с чередованием пластин в пакете по размеру диаметра отверстия, при этом центры отверстий диаметром d расположены на оси первой разрядной структуры, отверстия диаметром d латерально сдвинуты друг относительно друга, центры каждых первых отверстий диаметром d расположены на оси первой разрядной структуры, центры каждых вторых отверстий диаметром d расположены в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном х с d/2<х<d/2, центры каждых третьих отверстий диаметром d расположены в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном х с d/2<х<d/2,
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
1
2
2
2
2
1
2
2
1
в) с первой разрядной структурой, выполненной в составе коаксиальных катода и сетчатого анода, обеспечивающей в корпусе разрядный промежуток коаксиальный плазменный катод, со второй разрядной структурой, расположенной на оси первой разрядной структуры и выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий прямоугольной формы одной и той же ширины w, соответственно, длиной h и h, с h<h, с чередованием пластин в пакете по размеру длины отверстия, с расположением сторон отверстий шириной w между двумя параллельными плоскостями, удаленными от оси первой разрядной структуры на расстояние w/2, а сторон отверстий длиной h и h - в указанных плоскостях, при этом центры отверстий длиной h расположены на оси первой разрядной структуры, отверстия длиной h латерально сдвинуты друг относительно друга, центры каждых первых отверстий длиной h расположены на оси первой разрядной структуры, центры каждых вторых отверстий длиной h расположены в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном х с h/2<х<h/2, центры каждых третьих отверстий длиной h расположены в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном х с h/2<х<h/2,
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
1
2
2
2
2
1
2
2
1
г) с первой разрядной структурой, выполненной в составе катода, представляющего собой установленные друг относительно друга параллельно, с зазором, пластины, и сетчатого анода, представляющего собой набор рамок, снабженных прикрепленной сеткой, расположенных между пластинами катода эквидистантно внутренней поверхности катода, обеспечивающей в корпусе разрядный промежуток планарный плазменный катод, со второй разрядной структурой, расположенной на оси первой разрядной структуры и выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий прямоугольной формы одной и той же ширины w, соответственно, длиной h и h, с h<h, с чередованием пластин в пакете по размеру длины отверстия, с расположением сторон отверстий шириной w между двумя параллельными плоскостями, удаленными от оси первой разрядной структуры на расстояние w/2, а сторон отверстий длиной h и h - в указанных плоскостях, при этом центры отверстий длиной h расположены на оси первой разрядной структуры, отверстия длиной h латерально сдвинуты друг относительно друга, центры каждых первых отверстий длиной h расположены на оси первой разрядной структуры, центры каждых вторых отверстий длиной h расположены в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном х с h/2<х<h/2, центры каждых третьих отверстий длиной h расположены в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном х с h/2<х<h/2, где: 1 - катод; 2 - сетчатый анод; 3 и 4 - изоляторы; 5 - диэлектрическая капиллярная структура; 6 - анод.
H
C
11
12
Ш
На Фиг. 2 представлена схема реализации подачи к газоразрядному коммутатору коммутирующего напряжения от импульсного источника питания положительной полярности, где: 1 - катод; 2 - сетчатый анод; 3 и 4 - изолятор; 5 - диэлектрическая капиллярная структура; 6 - анод, 7 - источник импульсного напряжения, VD - диод, L - индуктивность, R - сопротивление нагрузки, R - ограничивающее сопротивление разрядный ток первой разрядной структуры, С - рабочая емкость меньшего номинала, С - рабочая емкость большего номинала, R - шунтирующее сопротивление.
1
2
H
1
2
Ш
На Фиг. 3 представлена схема реализации подачи к газоразрядному коммутатору коммутирующего напряжения от импульсного источника питания положительной полярности с использованием дополнительного отдельного источника импульсного напряжения с управляемым моментом подачи поджигающего импульса положительной полярности, где: 1 - катод; 2 - сетчатый анод; 3 и 4 - изолятор; 5 - диэлектрическая капиллярная структура; 6 - анод, 7 - источник импульсного напряжения, 8 - высоковольтный источник импульсного напряжения, VD и VD - диоды, L - индуктивность, R - сопротивление нагрузки, C - общая рабочая емкость, С - рабочая емкость сетчатого анода, R - шунтирующее сопротивление.
A
H
H
Не
1
2
1
2
На Фиг. 4 показаны экспериментальные осциллограммы U - напряжения на аноде газоразрядного коммутатора, U - напряжения на нагрузке R=300 Ом и осциллограммы I - тока через газоразрядный коммутатор при давлении рабочего газа гелия р=5,7 Торр и частоте следования импульсов ƒ=10 кГц в случае газоразрядного коммутатора с первой разрядной структурой в составе коаксиальных катода и сетчатого анода, со второй разрядной структурой, выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием - разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий прямоугольной формы.
s
Не
A
1
2
1
2
На Фиг. 5 показаны экспериментальные данные, демонстрирующие зависимость времени коммутации τ газоразрядного коммутатора от давления рабочего газа гелия р при рабочем напряжении U=65 кВ в случае газоразрядного коммутатора с первой разрядной структурой в составе коаксиальных катода и сетчатого анода, со второй разрядной структурой, выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий прямоугольной формы.
d
Не
1
2
1
2
d
Не
d
Не
d
Не
На Фиг. 6 показаны экспериментальные данные зависимости времени задержки развития разряда τ от рабочего напряжения при различных давлениях рабочего газа гелия р в корпусе газоразрядного коммутатора с первой разрядной структурой в составе коаксиальных катода и сетчатого анода, со второй разрядной структурой, выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий прямоугольной формы, где: 9 - зависимость времени задержки развития разряда τ от рабочего напряжения при р=16 Торр; 10 - зависимость времени задержки развития разряда τ от рабочего напряжения при р=13 Торр; 11 - зависимость времени задержки развития разряда τ от рабочего напряжения при р=9,5 Торр.
H
0
H
H
0
1
2
1
2
Не
Не
На Фиг. 7 представлены данные об эффективности коммутации η, определяемой по напряжению на нагрузке U и остаточному напряжению на коммутаторе U с использованием соотношения η=U/(U+U), для двух значений давления гелия в корпусе газоразрядного коммутатора с первой разрядной структурой в составе коаксиальных катода и сетчатого анода, со второй разрядной структурой, выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием - разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий прямоугольной формы, где: 12 - эффективность коммутации η при р=13 Торр; 13 - эффективность коммутации η при р=9,5 Торр.
d
1
2
1
2
He
He
H
d
d
d
На Фиг. 8 представлены частотные характеристики τ (f) газоразрядного коммутатора с первой разрядной структурой в составе коаксиальных катода и сетчатого анода, со второй разрядной структурой, выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием - разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий прямоугольной формы, при давлении рабочего газа гелия p в корпусе газоразрядного коммутатора p=13 Торр и сопротивлении нагрузки R=300 Ом для различных значений рабочего напряжения, где: 14 - τ (f) при U=40 кВ; 15 - τ (f) при U=50 кВ; 16 - τ (f) при U=65 кВ; 17 - τd (f) при U=83 кВ.
d
1
2
1
2
He
H
На Фиг. 9 представлена частотная характеристика τ (f) газоразрядного коммутатора с первой разрядной структурой в составе коаксиальных катода и сетчатого анода, со второй разрядной структурой, выполненной в составе катода первой разрядной структуры и расположенных вне корпуса, в его торце, анода коммутатора и диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела с отверстием - разрядным каналом с дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения на его участках s и s с s>s, с реализацией пакетом примыкающих друг к другу диэлектрических пластин, в которых сформированы участки в виде сквозных отверстий прямоугольной формы, при давлении рабочего газа гелия в корпусе газоразрядного коммутатора p=5 Торр и сопротивлении нагрузки R=50 Ом для значения рабочего напряжения U=12 кВ.
Предлагаемый газоразрядный коммутатор (Фиг. 1а)-г)) содержит расположенные в корпусе с возможностью формирования разрядной области первой разрядной структуры - катод 1 и сетчатый анод 2, расположенные вне корпуса, в его торце, диэлектрическую капиллярную структуру 5, анод 6. Существенным отличием предлагаемого газоразрядного коммутатора является конструктивная реализация диэлектрической капиллярной структуры 5, ее разрядного капиллярного канала (см. Фиг. 1а)-г)), с расположением ее вне корпуса, в его торце, посредством выполненного специально для этих целей отверстия.
Отличительные особенности, относящиеся к диэлектрической капиллярной структуре 5, обеспечивают увеличение времени задержки развития разряда. Причем достижение увеличения времени задержки развития разряда не зависит от того, фиксируется ли значение давления в корпусе коммутатора, а рабочее напряжение растет, или наоборот, значение рабочего напряжения коммутатора фиксируется, а давление в его корпусе повышается. Увеличение времени задержки развития разряда, в свою очередь, обуславливает сокращение времени коммутации, увеличение степени сжатия импульсов, повышение частоты следования импульсов. Существенные отличия и оказываемое ими влияние на достигаемый технический результат и решение указанной технической проблемы заключаются в следующем.
Диэлектрическая капиллярная структура 5 выполнена вне корпуса и снабжена металлическим экраном, вплотную опоясывающим ее с внешней стороны (см. Фиг. 1а) и б), на Фиг. 1в) и г) экран не показан.
По сравнению с ближайшим аналогом, в котором диэлектрическая капиллярная структура установлена в корпусе коммутатора, вынесение диэлектрической капиллярной структуры, содержащей разрядный капиллярный канал, выполняющий функцию проводящего электрический ток канала, из корпуса газоразрядного коммутатора, то есть области плазменного катода, и опоясывание ее с внешней стороны примыкающим к нее металлическим экраном оказывает влияние на характеристики коммутатора, способствуя их улучшению.
Без указанных особенностей, что характерно для ближайшего аналога, имеем следующую ситуацию.
d
Время задержки развития разряда τ при любых частотах следования импульсов ƒ в отношении параметров указанного ближайшего аналога характеризуется низкими значениями, до порядка величин, а в отношении самой частоты ƒ обеспечиваются также низкие значения, вплоть до двух порядков величины, при одних и тех же параметрах первичных импульсов. Причина - отсутствие включения в механизм задержки развития разряда (пробоя) первоначального периода слабого размножения электронов в капиллярном канале, вызванного свободным пролетом электронов до его внутренней поверхности.
При отсутствии условий для нейтрализации поверхностных зарядов происходит их быстрое накопление, что препятствует уходу свободных электронов на стенки.
d
d
Наличие опоясывающего диэлектрическую капиллярную структуру внешнего металлического экрана, который заземлен, является мерой, обуславливающей увеличение задержки развития разряда τ, поскольку позволяет реализовать механизм нейтрализации поверхностных зарядов на внутренней стенке капилляра за счет протекания тока смещения и приводит к уменьшению концентрации электронов внутри канала, что соответственно увеличивает τ. Причем время задержки развития разряда зависит от длины экрана, которая максимальна при полной экранировке диэлектрической капиллярной структуры 5, во всю ее длину, что приводит к наилучшим характеристикам устройства.
Конструктивная реализация диэлектрической капиллярной структуры 5 в предлагаемом коммутаторе (см. Фиг. 1а)-г)) в части конструкции разрядного канала также направлена на увеличение времени задержки развития разряда
1
2
1
2
1
2
2
2
2
1
Как и в ближайшем аналоге, диэлектрическая капиллярная структура реализована в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием, выполняющим функцию разрядного канала, обеспечивающим объемное протекание электрического тока и характеризующимся дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s. Отверстие содержит j участков с поперечным сечением площадью s и i участков с поперечным сечением площадью s. Участки с поперечным сечением площадью s чередуются с участками с поперечным сечением площадью s. Участки с поперечным сечением площадью s образуют разрядный капиллярный канал, выполняющий функцию проводящего канала. Участки с поперечным сечением площадью s образуют расширения канала в направлении, перпендикулярном оси первой разрядной структуры, - латеральные «карманы».
2
d
Однако в отличие от ближайшего аналога в диэлектрической капиллярной структуре 5 предлагаемого коммутатора участки с поперечным сечением меньшего размера s, формирующие разрядный капиллярный канал, расположены со смещением друг относительно друга в латеральном направлении - в направлении перпендикулярном оси диэлектрической капиллярной структуры 5. В результате в отличие от ближайшего аналога, в котором разрядный капиллярный канал имеет продольный прямолинейный профиль, в предлагаемом коммутаторе разрядный капиллярный канал приобретает продольный профиль ломаной формы. Причем для образования ломаной формы смещение выполнено с возможностью исключения наложения получаемых проекций при прямоугольном проецировании поперечных сечений i-го и (i+1)-ого участков на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры (ось диэлектрической капиллярной структуры 5) перпендикулярна. Исключено не только наложение с полным совмещением проекций, но и частичное наложение. Выполнение смещения указанным образом исключает всякую возможность пролета электронов из одного участка в другой участок отверстия через участок отверстия, образующий расширение канала - латеральный «карман», в направлении, которое параллельно оси диэлектрической капиллярной структуры 5 - оси первой разрядной структуры, то есть по кратчайшему пути, напрямую, что характерно для ближайшего аналога. Поскольку исключен пролет напрямую, совершающие движение электроны, генерируемые в отверстии на одном его участке - i-ом участке, не могут относительно быстро проникнуть в соседний участок отверстия - (i+1)-вый участок и инициировать в нем разряд, обуславливая скоротечность задержки развития разряда τ. Поэтому время задержки развития разряда увеличивается.
d
Таким образом, в совокупности смещения обуславливают трансформацию характерной для ближайшего аналога прямолинейной формы продольного профиля капиллярного канала, по которому двигаются электроны, в ломаную форму. За счет приобретаемой ломаной формы в любом проходе по разрядному капиллярному каналу электрона, генерированного в i-ом участке отверстия и движущегося в сторону (i+1) ого участка отверстия с целью инициирования разряда, появляется латеральная составляющая. В результате время задержки развития разряда τ увеличивается.
Предлагаемый газоразрядный коммутатор содержит элементы: катод 1, сетчатый анод 2, изоляторы 3 и 4, диэлектрическую капиллярную структуру 5, анод 6 (см. Фиг. 1а)-г)), экран (позиция не указана).
Посредством катода 1 и примыкающих к нему изоляторов 3 и 4 сформирован корпус газоразрядного коммутатора. Корпус выполнен с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации. В качестве рабочего газа для заполнения корпуса используют гелий, или неон, или аргон. Корпус заполняют рабочим газом в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, что дополнительно способствует достижению указанного технического результата. При этом используют количество рабочего газа, обеспечивающее соответствующее давление, например, гелия от 4 до 20 Торр, включая указанные значения, или неона от 1 до 4 Торр, включая указанные значения, или аргона от 0,5 до 1 Торр, включая указанные значения.
В корпусе расположены высоковольтные электроды катод 1 и сетчатый анод 2-е возможностью формирования между ними разрядной области. Катод 1 и сетчатый анод 2 снабжены электрическими выводами на их концах. Катод 1 и сетчатый анод 2 установлены друг относительно друга с зазором эквидистантно, образуют расположенную в корпусе первую разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток с проходящей через его центр осью первой разрядной структуры, с возможностью формирования при эксплуатации коммутатора плазменного катода.
При этом элементы, образующие первую разрядную структуру, высоковольтные электроды - катод 1 и сетчатый анод 2, могут быть реализованы в коаксиальном варианте (см. Фиг. 1а), в)) или в планарном варианте (см. Фиг. 1б) и г)) с возможностью формирования, соответственно, коаксиального плазменного катода или планарного плазменного катода.
В первом случае высоковольтные электроды катод 1 и сетчатый анод 2 выполнены коаксиальными, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, в виде свернутой в цилиндр сетки, установлены друг относительно друга с зазором и снабжены электрическими выводами на их концах. Цилиндрический катод 1 сформирован из реакционно спеченного карбида кремния. Эквидистантно катоду 1 расположен сетчатый анод 2. Сетка выполнена из молибденовой проволоки с прямоугольными ячейками и надета на каркас при сворачивании цилиндра. Геометрическая прозрачность сетки составляет от 85 до 95%. Внутренний диаметр катода 1 не менее чем в 10 раз превышает величину зазора между катодом 1 и сетчатым анодом 2. Сетчатый анод 2 отделен от катода 1 диэлектрическими изоляторами 3 и 4, установленным с концов первого разрядного промежутка, с торцов корпуса (см. Фиг. 1а) и в)).
Во втором случае высоковольтные электроды катод 1 и сетчатый анод 2 выполнены планарными, соответственно, катод в составе пары пластин, анод - в составе пары плоских сеток с рамками, расположенных эквидистантно внутренней поверхности катода, то есть внутренней поверхности пластин катода, расположенных напротив друг друга. В качестве материала пластин катода 1 использован карбид кремния или металл - титан, тантал, молибден, нержавеющая сталь. Каждая из плоских сеток с рамками может быть получена намоткой на рамку проволоки или путем прикрепления к рамке сетки, которая предварительно изготовлена из проволоки. Сетку выполняют из молибденовой проволоки диаметром до 30 мкм с шагом до 0,15 см и геометрической прозрачностью до 98%. В продольном направлении по краям пластин катода 1, расположенных напротив друг друга с зазором, выполнены изоляторы 3 и 4, отделяющие пластины катода 1 и сетчатый анод 2 друг от друга (см. Фиг. 1б) и г)).
Основная функция, которую выполняет первая разрядная структура, заключается в формировании в корпусе плазменного катода. Ток электронов последовательно протекает от плазменного катода, через второй разрядный промежуток, образуемый плазменным катодом, разрядным капиллярным каналом диэлектрической структуры 5 и замыкается на анод 6 коммутатора. Задержка развития разряда и, как следствие, увеличение времени нарастания тока при протекании через капиллярный канал диэлектрической структуры 5 позволяет достичь более высокого напряжения и соответственно более высоких токов через газоразрядный коммутатор, увеличить степень сжатия первичных импульсов, повысить их частоту следования, снизить время коммутации. Задержка развития разряда происходит посредством второй разрядной структурой в составе катода 1 первой разрядной структуры, диэлектрической капиллярной структуры 5 и анода 6 коммутатора, основная нагрузка в задержке развития разряда ложиться на диэлектрическую капиллярную структуру 5.
Диэлектрическая капиллярная структура 5 и анод 6 коммутатора установлены на оси первой разрядной структуры вне корпуса, в его торце. В торце корпуса выполнено отверстие, через которое происходит сообщение внутреннего объема корпуса и объема сквозного отверстия, выполняющего функцию разрядного канала, диэлектрической капиллярной структуры 5, которая с одной стороны герметично установлена в торцевом отверстии корпуса, а с другой стороны герметично состыкована с анодом 6 коммутатора.
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
2
1
1
2
1
2
Диэлектрическая капиллярная структура 5 (см. Фиг. 1а)-г)) реализована в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием, выполняющим функцию разрядного канала. Сквозное отверстие сформировано с возможностью обеспечения объемного протекания электрического тока. Для указанного сквозного отверстия характерен дискретно-переменный размер площади поперечного сечения, принимающий значения s и s с s>s. Указанное сквозное отверстие содержит j участков с поперечным сечением площадью s и i участков с поперечным сечением площадью s. Указанные участки отверстия содержатся в количестве, обеспечивающем протекание объемного тока через диэлектрическую капиллярную структуру 5, исключающем его протекание по внутренней ее поверхности. В диэлектрической капиллярной структуре в сквозном отверстии содержится в общем случае не менее двух участков с поперечным сечением площадью s и двух участков с поперечным сечением площадью s. Участки с поперечным сечением площадью s чередуются с участками, у которых поперечное сечение площадью s. За счет участков с поперечным сечением площадью s образован разрядный капиллярный канал, проводящий электрический ток. Участки же с поперечным сечением площадью s образуют расширения канала в направлении, перпендикулярном оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры 5), - латеральные «карманы», сообщающиеся с разрядным капиллярным каналом. Нижнее значение s и верхнее значение s задаются условием отсутствия протекания электрического тока по поверхности разрядного канала. «Карманы» выполнены глубиной (расстояние между краями участка отверстия с поперечным сечением площадью s и краями участка отверстия с поперечным сечением площадью s в направлении, перпендикулярном оси диэлектрической капиллярной структуры 5), обеспечивающей возможность объемного протекания электрического тока через диэлектрическую капиллярную структуру 5, исключающей протекание по внутренней ее поверхности.
Участки с поперечным сечением меньшего размера формирующие разрядный капиллярный канал, расположены со смещением друг относительно друга в латеральном направлении - в направлении перпендикулярном оси диэлектрической капиллярной структуры 5 (оси первой разрядной структуры). В результате указанных смещений для разрядного капиллярного канала характерен продольный профиль ломаной формы. Смещение между каждым i-ым и (i+1)-вым участками выполнено с возможностью исключения наложения проекций, их пересечения, при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось диэлектрической капиллярной структуры 5 (ось первой разрядной структуры) перпендикулярна. Данное условие, накладываемое на величину смещения, в общем случае определяет его нижнюю границу.
1
2
2
Верхняя граница смещения в общем случае задана условием, согласно которому латеральные «карманы» выполняются обеспечивающей объемное протекание тока глубиной, определяемой расстоянием между краями участка отверстия с поперечным сечением площадью s и краями участка отверстия с поперечным сечением площадью s в направлении, перпендикулярном оси диэлектрической капиллярной структуры (оси первой разрядной структуры), которое совпадает с направлением смещения участков с поперечным сечением площадью s. Причем указанное расстояние не менее минимально возможного размера (диаметра) поперечника разрядного капиллярного канала, который, как будет приведено ниже, - 0,15 мм.
Поскольку сквозное отверстие диэлектрической капиллярной структуры 5, являющее разрядным каналом, состоящим из чередующихся участков, образующих расширения - «карманы», и участков разрядного капиллярного канала, предназначено обеспечить объемное протекание электрического тока, то этим условием определяется количество участков i и j в диэлектрической капиллярной структуре и их геометрические параметры. Необходимостью выполнения указанной функции сквозным отверстием диэлектрической капиллярной структуры исключается локализация i-го участка за пределами «кармана». Локализация i-го участка за пределами «кармана» приводила бы к нарушению сообщения i-го участка с (i+1)-вым участком. Протекание электрического тока по разрядному каналу к аноду 6 оказалось бы заблокированным, что означало бы неработоспособность диэлектрической капиллярной структуры 5 и, соответственно, коммутатора.
Диэлектрическая капиллярная структура 5, выполненная вне корпуса, снабжена металлическим экраном, вплотную опоясывающим ее с внешней стороны (см. Фиг. 1а) и б), на Фиг. 1в) и г) экран не показан). Кроме вышеприведенного назначения экрана в целях достижения технического результата, выполненный экран решает вопрос теплоотвода разрядного канала, поскольку выполнен из металла, который относится к материалам, обладающим хорошими теплопроводящими характеристиками. В указанном ближайшем аналоге вопрос теплоотвода решался за счет условий ограничения размера поперечного сечения разрядного капиллярного канала.
В предпочтительном варианте реализации предлагаемого газоразрядного коммутатора диэлектрическая капиллярная структура 5 снабжена примыкающим к ней металлическим экраном, опоясывающим ее с внешней стороны по всей ее длине (см. Фиг. 1а) и б)). То есть, как показано, металлический экран выполнен в виде плотно примыкающего цилиндра, длина которого равна длине диэлектрической капиллярной структуры 5. Указанная особенность способствует достижению технического результата в максимальной возможной степени.
В предпочтительных вариантах реализации предлагаемого газоразрядного коммутатора диэлектрическая капиллярная структура 5, помимо охватывающего ее с наружной стороны экрана, может быть выполнена со следующими особенностями.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
В отношении сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, выполненные в количестве j участки с поперечным сечением площадью s и выполненные в количестве i участки с поперечным сечением площадью s, реализованы с поперечным сечением круглой формы, соответственно, с диаметром d и диаметром d с d<d (см. Фиг 1а) и б)).
1
2
2
2
2
2
2
2
2
Центр поперечного сечения площадью s диаметром каждого j участка расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры 5). Каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры 5). Смещение между каждым i-ым и (i+1)-вым участками выполнено с возможностью исключения какого-либо наложения проекций при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры (ось диэлектрической капиллярной структуры 5) перпендикулярна (см. Фиг. 1а) и б)). При этом смещения обеспечивают следующее. Центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого первого из i-ых участков располагается на оси первой разрядной структуры. Центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого второго из i-ых участков располагается в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x. Центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого третьего из i-ых участков располагается в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x.
2
3
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Диэлектрическая капиллярная структура 5 в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины из пластин керамики AlO круглой формы толщиной, например, 1 мм. Для получения сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, в j пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s круглой формы, с диаметром d, например, 4,5 мм, а в i пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s круглой формы, с диаметром d, например, 1 мм (см. Фиг. 1а) и б)). В j пластинах центр каждого участка с поперечным сечением площадью s расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры 5). В отношении одной третьей части i пластин центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого из участков расположен на оси первой разрядной структуры x c d/2<x. В отношении второй третьей части i пластин центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого из участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x. В отношении остальной третьей части i пластин центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого из участков расположен в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x.
1
2
Соотношение d/d, в частности, может составлять от 4,5 до 9, включая указанные
значения, или более, определяя глубину «карманов», при которой выполняется условие протекания электрического тока в разрядном капиллярном канале, а не по поверхности разрядного канала.
2
2
1
1
2
2
2
1
1
2
2
2
2
Пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности участков поперечного сечения площадью s диаметром d сформирован разрядный капиллярный канал. Пластины с участками поперечного сечения площадью s - большего диаметра d расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформированы сквозные участки меньшего диаметра d. После пластины с участком с поперечным сечением площадью s диаметром d, равным 1 мм, устанавливается пластина с участком, у которого поперечное сечение площадью s диаметром d, равным 4,5 мм, затем снова устанавливается пластина с участком с поперечным сечением площадью s диаметром d, равным 1 мм, после которой - пластина с участком с поперечным сечением площадью s диаметром d, равным 4,5 мм, и т.д.
1
2
1
При этом пакет собран в составе не менее шести пластин - трех пластин с участками поперечного сечения площадью s и трех пластин с участками поперечного сечения площадью s. Внешний диаметр всех пластин одинаков и составляет, в частности, примерно 30 мм. Одним концом диэлектрическая капиллярная структура 5 герметично установлена в отверстии торца корпуса, а другим концом она герметично соединена с анодом 6 коммутатора. Анод 6 выполнен в виде молибденового стержня диаметром, соответствующим d. Для выполнения анода 6 коммутатора возможно использование и других токопроводящих материалов, аналогичных указанному, например, нержавеющая сталь или медь.
2
2
2
d
Приведенная реализация сквозного отверстия обеспечивает регулярность ломаной форме продольного профиля капиллярного канала, по которому совершают движение электроны, что способствует достижению технического результата. В рассмотренном случае пролет электронов между i-ым и (i+1)-вым участками отверстия строго детерминирован двумя типами: во-первых, электроны совершают пролеты между участками отверстия, центр одного из которых расположен на оси диэлектрической капиллярной структуры, а центр второго - в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x, во-вторых, электроны совершают пролеты между участками отверстия, центр одного из которых расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x, a центр второго расположен в диаметрально противоположной плоскости, также лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x. Использование двух типов пролетов электронов при организации протекания тока по разрядному капиллярному каналу положительно влияет в отношении времени задержки развития разряда τ, позволяя произвести его оптимизацию, что приводит к увеличению эффекта достигаемого технического результата.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
Кроме того, в отношении сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, с выполненными в количестве j участками с поперечным сечением площадью s и выполненными в количестве i участками с поперечным сечением площадью которые реализованы с поперечным сечением круглой формы, соответственно, с диаметром d и диаметром d с d<d может быть осуществлен другой вариант его реализации, более предпочтительный в отношении достижения технического результата.
1
1
В данном варианте также центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого j участка расположен на оси первой разрядной структуры, а каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры). Также смещение между каждым i-ым и (i+1)-вым участками выполнено с возможностью исключения какого-либо наложения проекций при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры (ось диэлектрической капиллярной структуры) перпендикулярна. Однако смещения выполнены с возможностью достижения следующего.
2
2
2
2
2
2
Центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого первого из i-ых участков располагается на оси первой разрядной структуры. Центр поперечного сечения площадью диаметром каждого второго из i-ых участков располагается в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x. Центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого третьего из i-ых участков располагается на оси первой разрядной структуры. Центр поперечного сечения площадью % диаметром каждого четвертого из i-ых участков располагается в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x.
2
3
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
Диэлектрическая капиллярная структура в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины из пластин керамики AlO круглой формы толщиной 1 мм. Для получения сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, в j пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s круглой формы, с диаметром d, например, 4,5 мм, а в i пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s круглой формы, с диаметром d например, 1 мм. В j пластинах центр каждого участка с поперечным сечением площадью s расположен на оси первой разрядной структуры. В отношении половины i пластин центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого из участков расположен на оси первой разрядной структуры. В отношении одной четвертой части i пластин центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого из участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x. В отношении второй четвертой части i пластин центр поперечного сечения площадью s диаметром d каждого из участков расположен в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x.
1
2
Соотношение d/d, в частности, может составлять от 4,5 до 9, включая указанные значения, или более, определяя глубину «карманов», при которой выполняется условие протекания электрического тока в разрядном капиллярном канале, а не по поверхности разрядного канала.
2
2
1
1
2
2
2
1
1
2
2
1
1
Пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности участков поперечного сечения площадью s диаметром d сформирован разрядный капиллярный канал. Пластины с участками поперечного сечения площадью s - большего диаметра d расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформированы сквозные участки меньшего диаметра d. После пластины с участком с поперечным сечением площадью s диаметром d, равным 1 мм, устанавливается пластина с участком, у которого поперечное сечение площадью s диаметром d, равным 4,5 мм, затем снова устанавливается пластина с участком с поперечным сечением площадью s диаметром d, равным 1 мм, после которой - пластина с участком с поперечным сечением площадью s диаметром d, равным 4,5 мм, и т.д.
1
2
1
При этом пакет собран в составе не менее восьми пластин - четырех пластин с участками поперечного сечения площадью s и четырех пластин с участками поперечного сечения площадью s. Внешний диаметр всех пластин одинаков и составляет, в частности, примерно 30 мм. Одним концом диэлектрическая капиллярная структура герметично установлена в отверстии торца корпуса, а другим концом она герметично соединена с анодом коммутатора. Анод выполнен в виде молибденового стержня диаметром, соответствующим d. Для выполнения анода 6 коммутатора возможно использование и других электропроводящих материалов, аналогичных указанному, например, нержавеющая сталь или медь.
2
d
Приведенная реализация сквозного отверстия обеспечивает регулярность ломаной форме продольного профиля капиллярного канала, по которому совершают движение электроны, что способствует достижению технического результата. В рассмотренном случае реализации пролеты электронов между i-ым и (i+1)-вым участками отверстия строго детерминированы одним типом: электроны совершают пролеты между участками отверстия, центр одного из которых расположен на оси диэлектрической капиллярной структуры, а центр второго - в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x. Организация протекания электрического тока по разрядному капиллярному каналу с реализацией пролетов электронов по разрядному капиллярному каналу, ограничивающейся использованием одного типа пролета, более предпочтительна в отношении времени задержки развития разряда τ, поскольку позволяет оптимизировать его наилучшим образом. Как следствие, обеспечивается больший эффект достигаемого технического результата.
Кроме того, возможны другие предпочтительные варианты реализации, в которых поперечное сечение сквозного отверстия представляет собой щелевидную четырехугольную форму. В отличие от вышеприведенных вариантов реализации коммутатора в части сквозного отверстия, представляющего собой разрядный канал, последний характеризуется продольным профилем ломаной формы щелевидного типа. В вышеприведенных вариантах реализации латеральные «карманы» опоясывают, окружают, разрядный капиллярный канал. В рассматриваемых ниже вариантах для латеральных «карманов» характерно расширение капиллярного канала только с двух его сторон, расположенных напротив друг друга.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
В отношении сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, в котором выполнено j участков с поперечным сечением площадью s и i участков с поперечным сечением площадью s возможен вариант реализации, в котором участки имеют прямоугольную форму одной и той же ширины w, соответственно, длиной h и h с h<h, с расположением сторон шириной w между двумя параллельными плоскостями, удаленными от оси первой разрядной структуры на расстояние а сторон длиной h и h - в указанных плоскостях.
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
В рассматриваемом варианте центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого j участка расположен на оси первой разрядной структуры. Каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры). Смещения между каждым i-ым и (i+1)-вым участками выполнено с возможностью исключения наложения проекций друг на друга при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры (ось диэлектрической капиллярной структуры) перпендикулярна. Причем в результате смещений центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого первого из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры. Центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого второго из i-ых участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x. Центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого третьего из i-ых участков расположен в диаметрально противоположной плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x.
2
3
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
Диэлектрическая капиллярная структура в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины из пластин керамики AlO круглой формы толщиной, например, 1 мм. Для получения сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, в j пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной равной, например, 1 мм, и длиной h, равной, например, 4,5 мм, а в i пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной, например, 1 мм, и длиной h, равной, например, 1 мм. В j пластинах центр каждого участка с поперечным сечением площадью s расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры). В отношении первой третьей части i пластин центр поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 1 мм, каждого из участков расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры). В отношении второй третьей части i пластин центр поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 1 мм, каждого из участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x. В отношении остальной третьей части i пластин центр поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 1 мм, каждого из участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x, которая является диаметрально противоположной относительно упомянутой плоскости.
Соотношение в частности, может составлять от 4,5 до 9, включая указанные значения, или более, определяя глубину «карманов», при которой выполняется условие протекания электрического тока в разрядном капиллярном канале, а не по поверхности разрядного канала.
2
1
2
2
1
1
2
2
1
1
Пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности участков поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной равной 1 мм, сформирован разрядный капиллярный канал. Пластины с участками поперечного сечения площадью s - большей длины расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформированы сквозные участки меньшей длины. После пластины с участком с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 1 мм, устанавливается пластина с участком, у которого поперечное сечение площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 4,5 мм, затем снова устанавливается пластина с участком с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 1 мм, после которой пластина с участком с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 4,5 мм, и т.д.
1
1
1
При этом пакет собран в составе не менее шести пластин - трех пластин с участками поперечного сечения площадью s и трех пластин с участками поперечного сечения площадью Внешний диаметр всех пластин одинаков и составляет, в частности, примерно 30 мм. Одним концом диэлектрическая капиллярная структура герметично установлена в отверстии торца корпуса, а другим концом она герметично соединена с анодом коммутатора. Анод выполнен в виде молибденового, или железного, или медного стержня, поперечное сечение которого соответствует поперечному сечению площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 4,5 мм. Для выполнения анода 6 коммутатора возможно использование и других электропроводящих материалов, аналогичных указанным.
2
2
2
Приведенная реализация сквозного отверстия обеспечивает регулярность ломаной форме продольного профиля капиллярного канала прямоугольного типа, по которому совершают движение электроны, что, как и в случае капиллярного канала круглого типа, способствует достижению технического результата. Пролет электронов между i-ым и (i+1)-вым участками отверстия строго детерминирован двумя типами: во-первых, электроны совершают пролеты между участками отверстия, центр одного из которых расположен на оси диэлектрической капиллярной структуры, а центр второго в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x, во-вторых, электроны совершают пролеты между участками отверстия, центр одного из которых расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x, а центр второго расположен в диаметрально противоположной плоскости, также лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x. Использование двух типов пролетов электронов по разрядному капиллярному каналу при организации протекания по нему электрического тока положительно влияет на величину задержки развития разряда т.д. Так как предоставляет возможность для достижения ее более оптимальной величины, что в результате приводит к повышению эффекта достигаемого технического результата. Кроме того, прямоугольная форма поперечного сечения разрядного капиллярного канала, в данном случае форма квадрата, позволяет пропускать больший ток, чем круглая форма поперечного сечения разрядного капиллярного канала, при одной и той же его плотности, что способствует достижению технического результата в большей степени.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
В следующем варианте реализации сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, выполненные в количестве j участки с поперечным сечением площадью s и выполненные в количестве i участки с поперечным сечением площадью s, также реализованы с поперечным сечением прямоугольной формы одной и той же ширины соответственно, длиной h и h с h<h, с расположением сторон шириной w между двумя параллельными плоскостями, удаленными от оси первой разрядной структуры на расстояние w/2, а сторон длиной h и h - в указанных плоскостях (см. Фиг 1в) и г)).
1
1
2
2
2
При этом центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого j участка также расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры 5). Каждый i-ый и (1+1)-вый участки также смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры 5), с выполнением смещения между каждым i-ым и (i+1)-вым участками таким образом, при котором исключено какое-либо наложение проекций друг на друга при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры (ось диэлектрической капиллярной структуры 5) перпендикулярна. Отличия состоят в том, что центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого первого из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры, а центр поперечного сечения площадью шириной w и длиной каждого второго из i-ых участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном z с h/2<x.
2
3
1
2
1
2
1
2
1
2
2
2
2
Диэлектрическая капиллярная структура 5 в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины из пластин керамики AlO круглой формы толщиной 1 мм. Для получения сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, в j пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s1 прямоугольной формы шириной w, равной, например, 1 мм, и длиной h, равной, например, 4,5 мм, а в i пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной равной, например, 1 мм, и длиной равной, например, 1 мм (см. Фиг. 1а) и б)). В j пластинах центр каждого участка с поперечным сечением площадью s расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры 5). В отношении половины i пластин центр поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 1 мм, каждого из участков расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры 5). В отношении второй половины i пластин центр поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной равной 1 мм, каждого из участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x.
1
2
Соотношение h/h, в частности, может составлять от 4,5 до 9, включая указанные значения, или более, определяя глубину «карманов», при которой выполняется условие протекания электрического тока в разрядном капиллярном канале, а не по поверхности разрядного канала.
2
2
1
2
1
1
2
2
1
1
Пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности участков поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 1 мм, сформирован разрядный капиллярный канал. Пластины с участками поперечного сечения площадью s - большей длины расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформированы сквозные участки меньшей длины. После пластины с участком с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной равной 1 мм, устанавливается пластина с участком, у которого поперечное сечение площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 4,5 мм, затем снова устанавливается пластина с участком с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 1 мм, после которой пластина с участком с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 4,5 мм, и т.д.
1
2
1
1
При этом пакет собран в составе не менее четырех пластин - двух пластин с участками поперечного сечения площадью s и двух пластин с участками поперечного сечения площадью s. Внешний диаметр всех пластин одинаков и составляет, в частности, примерно 30 мм. Одним концом диэлектрическая капиллярная структура 5 герметично установлена в отверстии торца корпуса, а другим концом она герметично соединена с анодом 6 коммутатора. Анод 6 выполнен в виде молибденового стержня, поперечное сечение которого соответствует поперечному сечению площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 4,5 мм. Как отмечено выше, помимо молибдена могут быть использованы другие токопроводящие материалы нержавеющая сталь, медь и им подобные.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
Наконец в последнем варианте из представленных вариантов реализации в отношении щелевидного сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s c s>s, в котором выполнено j участков с поперечным сечением площадью s и i участков с поперечным сечением площадью s с поперечным сечением прямоугольной формы одной и той же ширины w, соответственно, длиной h и h с h<h, с расположением сторон шириной w между двумя параллельными плоскостями, удаленными от оси первой разрядной структуры на расстояние а сторон длиной h и h - в указанных плоскостях, выполнено следующее.
1
1
2
2
Также центр поперечного сечения площадью s шириной w и длиной h каждого j участка расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры). Каждый i-ый и (i+1)-вый участки смещены друг относительно друга в направлении перпендикулярном оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры), с выполнением смещения между каждым i-ым и (i+1)-вым участками таким образом, при котором исключено всякое наложение проекций друг на друга при прямоугольном проецировании их поперечных сечений на плоскость, относительно которой ось первой разрядной структуры (ось диэлектрической капиллярной структуры) перпендикулярна. Относительно участков с поперечным сечением площадью центр каждого первого из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры), центр каждого второго из i-ых участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x, центр каждого третьего из i-ых участков расположен на оси первой разрядной структуры, а центр каждого четвертого из i-ых участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x, но являющейся диаметрально противоположной по отношению к указанной.
2
3
1
2
1
2
1
1
2
2
2
2
2
2
2
Диэлектрическая капиллярная структура в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины - из пластин керамики AlO круглой формы толщиной 1 мм. Для получения сквозного отверстия, обеспечивающего протекание через структуру объемного электрического тока и характеризующегося дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, в j пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной, например, 1 мм, и длиной h, равной, например, 4,5 мм, а в i пластинах сформировано по сквозному участку (отверстию) с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной равной, например, 1 мм, и длиной равной, например, 1 мм. В j пластинах центр каждого участка с поперечным сечением площадью s1 расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры). В отношении половины i пластин центр поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h равной 1 мм, каждого из участков расположен на оси первой разрядной структуры (оси диэлектрической капиллярной структуры). В отношении одной четвертой части i пластин центр поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной равной 1 мм, каждого из участков расположен в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x. В отношении другой четвертой части i пластин центр поперечного сечения площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной равной 1 мм, каждого из участков расположен в плоскости, которая диаметрально противоположна упомянутой плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с h/2<x.
1
2
Соотношение h/h, в частности, может составлять от 4,5 до 9, включая указанные значения, или более, определяя глубину «карманов», при которой выполняется условие протекания электрического тока в разрядном капиллярном канале, а не по поверхности разрядного канала.
2
1
1
2
2
2
1
Пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности участков поперечного сечения площадью s сформирован разрядный капиллярный канал. Пластины со сквозным участком (отверстием) с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 4,5 мм, расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформированы сквозные участки (отверстия) с поперечным сечением площадью s прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной равной 1 мм. После пластины с участком с поперечным сечением площадью s устанавливается пластина с участком, у которого поперечное сечение площадью затем снова устанавливается пластина с участком с поперечным сечением площадью s, после которой - пластина с участком с поперечным сечением площадью s и т.д.
1
2
1
1
При этом пакет собран в составе не менее восьми пластин четырех пластин с участками поперечного сечения площадью s и четырех пластин с участками поперечного сечения площадью s. Внешний диаметр всех пластин одинаков и составляет, в частности, примерно 30 мм. Одним концом диэлектрическая капиллярная структура герметично установлена в отверстии торца корпуса, а другим концом она герметично соединена с анодом коммутатора. Анод выполнен в виде молибденового стержня (либо из другого материала, как отмечено выше) с поперечным сечением, соответствующим s, - прямоугольной формы шириной w, равной 1 мм, и длиной h, равной 4,5 мм.
Приведенная в двух последних вариантах реализация сквозного отверстия щелевидного типа наиболее оптимальна, поскольку эффект достижения технического результата максимален.
Во-первых, прямоугольная форма поперечного сечения разрядного капиллярного канала, в данном случае форма квадрата, позволяет пропускать больший ток, чем круглая форма поперечного сечения разрядного капиллярного канала, при одной и той же его плотности.
2
Во-вторых, пролет электронов между i-ым и (i+1)-вым участками отверстия строго детерминирован: электроны совершают пролеты между участками отверстия, центр одного из которых расположен на оси диэлектрической капиллярной структуры, а центр второго - в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x. Организация протекания электрического тока по разрядному каналу с реализацией одного типа пролета электронов более предпочтительна в отношении времени задержки развития разряда поскольку обеспечивает его оптимизацию наилучшим образом.
2
Относительно наиболее предпочтительного варианта выполнения предлагаемого газоразрядного коммутатора, например, с коаксиальным плазменным катодом и диэлектрической капиллярной структурой 5, в которой поперечное сечение сквозного отверстия представляет собой щелевидную четырехугольную форму (см. Фиг. 1в)), с организацией протекания электрического тока по разрядному капиллярному каналу, при которой использован один типа пролетов электронов между i-ым и (i+1)-вым участками отверстия - пролеты между участками отверстия, центр одного из которых расположен на оси диэлектрической капиллярной структуры, а центр второго в плоскости, лежащей на расстоянии от оси первой разрядной структуры, равном x с d/2<x, на Фиг. 4 9 приведены полученные экспериментальные результаты.
He
s
d
Полученные результаты показывают, что предлагаемый газоразрядный коммутатор обеспечивает субнаносекундные времена коммутации. Например, при p≈16 Торр обеспечивается время коммутации τ≈300 пс при большом времени задержки развития τ≈330 нс, высокой эффективности η≈0,85 и достигаемой частоте следования импульсов f>200 кГц. Данные показатели существенно превосходят по своим значениям показатели, достигаемые ближайшим аналогом.
He
L
Относительно достижения технического результата в части повышения степени сжатия импульсов можно судить на основании приведенных экспериментальных данных. Так, на Фиг 5 и 6 представлены экспериментальные данные времени коммутации (Фиг. 5) и времени задержки от частоты следования импульсов (Фиг. 6). Для случая использования в качестве рабочего газа гелия при p=13 Торр при напряжении U=65 кВ на рабочей емкости и используемой нагрузке R=300 Ом на основании представленных экспериментальных данных произведен расчет степени сжатия импульсов S. Получено, что степень сжатия S принимает значения от 750 до 1000, включая указанные значения.
При использовании предлагаемого газоразрядного коммутатора, он должен быть подключен к источнику питания для подачи коммутируемого напряжения.
H
H
12
11
12
11
C
11
12
12
Н
Ш
11
11
Ш
Газоразрядный коммутатор, например, реализованный в варианте, представленном на Фиг. 1а), подключают к источнику питания для подачи к коммутатору коммутируемого напряжения, например, по схеме, приведенной на Фиг. 2. Так, газоразрядный коммутатор соединяют с импульсным источником питания 7 положительной полярности через последовательно соединенные диод VD, индуктивность L, нагрузку R, которую подключают к аноду 6 коммутатора. Между индуктивностью L и нагрузкой R подключают одним выводом рабочую емкостью в составе пары неравных по номиналу последовательно соединенных емкостей С и С, где С - емкость большего номинала, С - емкость меньшего номинала. Газоразрядный коммутатор выводами сетчатого анода 2 через сопротивление R, которое выполняет функцию ограничения разрядного тока первой разрядной структуры в составе катода 1 и сетчатого анода 2, подключают к соединенным выводам емкости меньшего номинала С, которая необходима для обеспечения протекания разряда в первой разрядной структуре, и емкости большего номинала С, наличие которой делает возможным протекание разряда во второй разрядной структуре в составе катода 1, диэлектрической капиллярной структуры 5 и анода 6, что в результате, приводит к срабатыванию коммутатора. Емкость большего номинала С, выполняющую функцию общей рабочей емкости, одним выводом подключают между индуктивностью L и нагрузкой R, замыкая общую цепь и обеспечивая срабатывание коммутатора. Выводами катода 1 через токовый шунт R газоразрядный коммутатор подключают ко второму выводу емкости меньшего номинала С, замыкая цепь и обеспечивая протекание разряда в первой разрядной структуре. Соединенные второй вывод емкости меньшего номинала С и вывод токового шунта R при подключении в схему газоразрядного коммутатора заземляют.
1
Н
Н
1
Ш
1
Ш
1
2
2
1
Кроме того, подключение газоразрядного коммутатора к источнику питания для реализации подачи к коммутатору коммутируемого напряжения может быть выполнено по схеме, приведенной на Фиг. 3, с другой организацией протекания разрядных процессов в первой и второй разрядных структурах. При этом газоразрядный коммутатор соединяют с высоковольтным импульсным источником питания 8 положительной полярности через последовательно соединенные диод VD, индуктивность L, нагрузку R, которую подключают к аноду 6 коммутатора. Между индуктивностью L и нагрузкой R подключают одним выводом общую рабочую емкостью C, вторым выводом указанную емкость соединяют через токовый шунт R с выводами катода 1, соединенные выводы C и R заземляют. Емкость C обеспечивает возможность разрядного процесса во второй разрядной структуре в составе катода 1, диэлектрической капиллярной структуры 5 и анода 6, что в результате приводит к срабатыванию коммутатора. Возможность протекания разрядного процесса в первой разрядной структуре в составе катода 1 и сетчатого анода 2 обеспечивается с возможностью управления моментом подачи поджигающего импульса положительной полярности источником импульсного напряжения 7, соединенным через диод VD с сетчатым анодом 2, между которыми одним выводом подключают рабочую емкость сетчатого анода С, вторым выводом указанную емкость соединяют со вторым выводом емкости C.
Подключение газоразрядного коммутатора к источнику питания для реализации подачи к коммутатору коммутируемого напряжения может быть выполнено по другой схеме, которая аналогична приведенной на Фиг. 3, в которой сетчатый анод 2 не подключают к источнику питания. Сетчатый анод 2 находится под плавающим потенциалом, возникающим при приложении напряжения к газоразрядному коммутатору.
Возможно использование схем подключения, которые аналогичны вышеописанным, в которых в качестве источников питания выбирают источники питания отрицательной полярности. В этом случае подачу импульса осуществляют на катод 1, а анод 6 коммутатора заземляют.
Газоразрядный коммутатор, подключенный по схеме, например, приведенной на Фиг. 2, функционирует с достижением указанного технического результата следующим образом.
12
11
12
12
При подаче высокого напряжения, до 100 кВ, происходит его деление между емкостями рабочей емкости - между парой неравных по номиналу последовательно соединенных емкостей, большего номинала С и меньшего номинала С. По истечении некоторого времени наступает пробой разрядного промежутка первой разрядной структуры в составе катода 1 и сетчатого анода 2 по механизму, который характерен для приведенных аналогов, с формированием коаксиального плазменного катода. Общая рабочая емкость С, емкость большего номинала, быстро разряжается через газоразрядный промежуток между катодом 1 и сетчатым анодом 2. Образующаяся плазма шунтирует емкость С, в результате все напряжение оказывается приложенным к разрядному промежутку второй разрядной структуры в составе катода 1, диэлектрической капиллярной структуры 5 и анода 6. Момент наступления пробоя разрядного промежутка первой разрядной структуры определяется частотой следования импульсов и значением рабочего напряжения. Чем выше их значения, тем раньше наступает пробой указанного разрядного промежутка. По достижению определенного значения напряжения наступает пробой разрядного промежутка второй разрядной структуры, и газоразрядный коммутатор срабатывает.
Таким образом, в процессе использования газоразрядного коммутатора сначала зажигают разряд между катодом 1 и сетчатым анодом 2, образуя плазменный катод, затем осуществляют зажигание разряда между анодом 6 и плазменным катодом, образованным плазмой, возникающей при зажигании разряда первой разрядной структуры. В результате последовательной реализации зажигания разрядов в первой и второй разрядных структурах газоразрядный коммутатор переходит в проводящее состояние.
11
12
H
1
H
Дальнейшее нарастание электрического тока в газоразрядном коммутаторе будет ограничиваться только индуктивностью всей разрядной цепи. В связи с этим для достижения наименьшего времени коммутации индуктивность контура, состоящего из С, С, R и самого газоразрядного коммутатора (Фиг. 2) или же из C, R и самого газоразрядного коммутатора (Фиг. 3), минимизируется.
Время задержки возможно регулировать путем варьирования давления рабочего газа в корпусе и значения рабочего напряжения. Время выбирается из условий его достаточности для того, чтобы зарядить рабочую емкость, например, с помощью транзисторных генераторов или других доступных и подходящих устройств, поскольку предъявляются невысокие требования к фронту зарядного импульса и зарядному току.
1
2
1
2
1
2
С другой стороны, в предлагаемом газоразрядном коммутаторе вторая разрядная структура организована таким образом, при котором диэлектрическая капиллярная структура 5 выполнена в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием, характеризующимся дискретно-переменным размером площади поперечного сечения, принимающим значения s и s с s>s, содержащим j участков с поперечным сечением площадью s и i участков с поперечным сечением площадью которые чередуются друг с другом, и при этом участки отверстия с поперечным сечением площадью s, образующие разрядный капиллярный канал, расположены со смещение друг относительно друга, выполненное так, что обеспечивается отсутствие какого-либо наложения их проекций при проецировании в отношении каждого i-го и (i+1)-ого участков их поперечных сечений на плоскость, которая перпендикулярна оси первой разрядной структуры, на которой установлены элементы второй разрядной структуры, в частности диэлектрическая капиллярная структура 5, обеспечивается отсутствие какого-либо наложения их проекций. Это обстоятельство играет в пользу увеличения времени задержки развития разряда в отношении второй разрядной структуры и, как следствие, позволяет увеличить рабочее давление, приводя к снижению времени коммутации и позволяя повысить частоту следования импульсов. Расположение в диэлектрической капиллярной структуре 5 участков отверстия меньшим размером сечения указанным образом, обеспечивает продольный профиль капиллярного канала ломаной формы, при которой невозможна какая-либо реализация прямолинейного сквозного движения электронов по разрядному капиллярному каналу. Двигающиеся электроны, сгенерированные в каждом i-ом участке диэлектрической капиллярной структуры 5, не могут относительно быстро, с легкостью, напрямую, проникнуть в (i+1)-вый участок диэлектрической капиллярной структуры 5 и инициировать разряд. Поэтому в отношении предлагаемого коммутатора возможно значительно увеличить время задержки развития разряда при фиксированном давлении рабочего газа в корпусе и повысить рабочее напряжение либо увеличить давление рабочего газа в корпусе при фиксированном напряжении и времени задержки и сократить как в первом случае, так и во втором, время коммутации. Причем как в одном случае, так и в другом случае увеличивается частота следования импульсов и степень сжатия импульсов.
Время пробоя разрядного капиллярного канала диэлектрической капиллярной структуры 5 (время коммутации) по уровню 0,1-0,9 при условии увеличения концентрации электронов в 9 раз определяется по формуле:
e
e
e
e0
где l=αN - длина, на которой происходит размножение электрона и увеличение концентрации электронов n, v - скорость дрейфа электрона, α - коэффициент Таунсенда размножения электронов, N - концентрация атомов рабочего газа. Уменьшение длины размножения электронов l при сравнимых величинах падения напряжения на капиллярной разрядной структуре 5 предлагаемого коммутатора и капиллярной разрядной структуре указанного в качестве ближайшего аналога коммутатора приводит к значительному уменьшению величины α, являющейся функцией U/(l×p). В свою очередь, это обстоятельство на основании того, что n=nexp(αl), приводит к ограничению размножения электронов и, соответственно, к увеличению времени задержки развития разряда.
После прохождения тока при разряде рабочей емкости плазма в капиллярном канале в ближнем, послеимпульсном периоде быстро рекомбинирует в процессе амбиполярной диффузии и в дальнейшем в процессе свободной диффузии (Райзер Ю.П., Физика газового разряда, М.: Наука, 1987 г., 592 с.). К приходу следующего импульса разрядный капиллярный канал полностью восстанавливает свои изолирующие свойства.
-8
10
-3
2
При малой концентрации остаточных электронов, близкой к фоновой, время жизни электронов определяется их свободной диффузией на стенку и составляет порядка 10 с. Поэтому при подаче напряжения на капиллярный канал их накопление происходит очень медленно. После достижения в ходе накопления концентрации электронов порядка 10 см, при которой радиус экранирования Дебая становится сопоставимым размерам поперечного сечения s - участков меньшего размера в поперечнике - разрядного капиллярного канала, свободная диффузия затруднена, и диффузия протекает как амбиполярная. Она на 2-3 порядка медленнее, чем свободная диффузия. В связи с этим накопление заряда, то есть, увеличение концентрации плазмы, резко ускоряется, и разрядный капиллярный канал становится проводящим. Ток нарастает и наступает пробой второй разрядной структуры с диэлектрической капиллярной структурой 5. Газоразрядный коммутатор срабатывает.
d
В процессе функционирования предлагаемого газоразрядного коммутатора осуществляется нейтрализация поверхностных зарядов на внутренней поверхности разрядного капиллярного канала. Обеспечивается емкостной разряд между внутренней поверхностью диэлектрической капиллярной структуры 5 и внешним экраном из металла, который вплотную охватывает диэлектрическую капиллярную структуру 5 опоясывающим образом. За счет нейтрализации поверхностных зарядов на внутренней поверхности разрядного капиллярного канала капилляра достигают уменьшения концентрации электронов в капиллярном канале, что обуславливает увеличение τ. Без нейтрализации поверхностных зарядов обеспечивается их быстрое накопление, что препятствует уходу свободных электронов на стенки, негативно сказываясь на времени задержки развития разряда. Подчеркнем, что величина задержки развития разряда зависит от длины экрана и максимальна при ее наибольшей длине. Полная экранировка диэлектрической капиллярной структуры 5, то есть, по всей ее длине, приводит к наилучшим характеристикам устройства.
При разработке предлагаемого коммутатора осуществлен ряд экспериментов, результаты которых показывают следующее.
Размер в поперечнике капиллярного канала не должен быть менее 0,15 мм. Это размер является критическим - объемное протекание электрического тока через диэлектрическую капиллярную структуру отсутствует. При меньших размерах поперечника капиллярного канала разряд не развивается. Причиной является быстрый уход электронов на стенки.
e
e
2
н
e
e
e
e
e
0
e
deb
deb
0
d
Не
d
s
e
s
5
-3
15
-3
3
-1
9
Проведенные оценки показывают, что для обеспечения разницы потенциалов между стенкой капиллярного канала и его центром около 1 кВ достаточен ток, равный примерно 1 мА в микросекундном импульсе. Время задержки развития разряда % можно оценить как время изменения концентрации электронов в капиллярном канале от начального (фонового) уровня n=10 см до n=3,6×10 см, что определяется, например, из экспериментально полученных значений тока после пробоя капиллярного канала около 350 А для прямоугольной формы участков отверстия с поперечным сечением меньшего размера s с размерами 70×10×0,3 мм при нагрузке R=300 Ом. Изменение концентрации электронов обусловлено ионизационным размножением и потерями электронов. Потери электронов в предпробойной стадии практически полностью определяются свободным пролетом их до стенки, в конечной стадии амбиполярной диффузией. В таком случае dn/dt=α×v×n-(n/t), с известными данными по α [А.П. Бохан и др. Физика плазмы. Т. 32, 599 (2006)] и v [J. Dutton, J. Phys. Chem. Ref. Data, V. 4, Р. 577 (1975)], с временем ухода электронов из рабочей области разряда на стенки, определяемом формулой t=t×(1+n/n), где n является концентрацией электронов, при которой дебаевский радиус плазмы равен поперечному размеру капиллярного канала, а t определяется из экспериментальной зависимости времени задержки от напряжения τ(U) на основании опубликованных результатов [P.A. Bokhan, et al., J. Phys. D.: Appl. Phys. V. 51, 364001 (2018)]. Используя величины приведенной напряженности электрического поля Е/р, соответствующие максимуму коэффициента ионизации Таунсенда, можно оценить ожидаемые параметры разряда. В частности, при напряжении вплоть до U=200 кВ, давлении гелия р=50 Торр и длине разрядного промежутка 170 мм, Е/р=235 В/(см ⋅ Торр) время задержки составит τ≈400 нс. Время пробоя, определяемое как время, за которое концентрация электронов увеличивается по уровню 0,2-0,8 равно τ≈700 нс. В частности, при величине α/p≈0,172 (см ⋅ Торр) и v≈8,4×10 см/сек, что реализуется при U=20 кВ, давлении гелия 4 Торр и длине капиллярного канала 350 мм, время коммутации составляет τ=600 пс и согласуется с зависимостями на Фиг. 5.