КОМПАКТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутирующей аппаратуре, и может быть использована для коммутации электрических цепей.
Известен тригатронный разрядник (фиг.1), состоящий из корпуса 1, образующего разрядную камеру, внутри которой установлены два основных электрода - анодный 2 и катодный 3. Катодный электрод выполнен с центральным отверстием, в котором размещены втулка 4 из диэлектрика и пусковой электрод 5, выполненный в виде стержней, на торце которого установлена дисковая токопроводящая накладка 6, контактирующая с торцевой поверхностью втулки и закрывающая внутреннюю кромку этой втулки. Разрядная камера изготавливается из диэлектрического материала и может быть вакуумирована. Авторское свидетельство СССР №1364192, МПК Н01Т 2/02, 09.02.1995.
Существенным недостатком указанной модели является невозможность обеспечить высокую степень симметричности и отсутствие зазоров для сборки узла «дисковая проводящая накладка - диэлектрическая втулка - катод» при ширине промежутка между проводящей накладкой и катодом по плоской поверхности диэлектрической втулки, обращенной к аноду, порядка 0,1 мм, что необходимо для достижения компактности всего устройства. Приведенные обстоятельства приведут к привязке инициирующего и основного разрядов к выделенному участку системы поджига, ускоренной эрозии этого участка, снижению стабильности срабатывания и сокращению ресурса системы поджига.
Известен управляемый вакуумный разрядник (фиг.2), содержащий коаксиальную электродную систему в герметичной диэлектрической оболочке 7: анод 8, выполненный в виде полого стакана; катод 9; уплотняющая металлическая прокладка 10; диэлектрическая прокладка 11; поджигающий электрод 12. Катод с уплотняющей металлической прокладкой, поджигающий электрод и плотно сжатая между ними диэлектрическая прокладка образуют систему поджига. Патент Российской Федерации №143137, МПК Н01Т 2/02, 20.07.2014. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является привязка области образования катодного пятна к границе между уплотняющими металлической и диэлектрической прокладками и отсутствие- в силу сохранения пространственной структуры электрического поля при смещении вдоль оси симметрии - причин, по которым происходило бы удаление катодного пятна от указанной границы на стадии дугового разряда между катодом и анодом. Данное обстоятельство вызывает дополнительное разрушение системы поджига и уменьшает ресурс разрядника, т.к. температура вещества в катодном пятне составляет порядка 20-40 тысяч градусов Кельвина [1] и превышает температуру испарения любого конструкционного материала [2].
Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности работы и увеличении ресурса прибора.
Технический результат достигается тем, что герметичная откачанная диэлектрическая оболочка содержит коаксиальную электродную систему, включающую катод и поджигающий электрод, разделенные плотно зажатой заподлицо с ними цилиндрической диэлектрической прокладкой, а также анод в виде стакана, охватывающего катод, диэлектрическую прокладку и поджигающий электрод, при этом между диэлектрической прокладкой и катодом соосно и заподлицо с ними размещается диэлектрическая шайба с напыленным тонким слоем электропроводящего вещества - графита, который является продолжением катода.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг.3), где:
7 - герметичная диэлектрическая оболочка;
8 - анод;
9 - катод;
11 - диэлектрическая прокладка;
12- поджигающий электрод;
13 - диэлектрическая шайба. Управляемый вакуумный искровой разрядник с тонкопленочной графитовой системой поджига состоит из коаксиальной электродной системы, заключенной внутри откачанной герметичной диэлектрической оболочки 7. Электродная система содержит анод 8 и катод 9, диэлектрическую шайбу 13 с напыленным тонким слоем электропроводящего вещества - графита, диэлектрическую прокладку 11, поджигающий электрод 12. Катод и анод имеют вид коаксиальных фигур вращения, разделенных вакуумным промежутком, и изготовлены из металла, обладающего высокой проводимостью, например алюминия. Диэлектрическая прокладка и диэлектрическая шайба плотно зажаты между катодом и поджигающим электродом. Толщина диэлектрической прокладки 11 составляет порядка 0,1 мм, что позволяет снизить напряжение пробоя между катодом и поджигающим электродом до нескольких киловольт и тем самым обеспечить компактность разрядника в целом. Толщина диэлектрической шайбы 13 составляет порядка 1 мм. На плоские и внешнюю цилиндрическую поверхности шайбы 13 нанесен, например, путем напыления, тонкий - толщиной порядка нескольких микрометров - слой графита. Наличие диэлектрической шайбы позволяет обеспечить пробой по внешней цилиндрической поверхности диэлектрической шайбы и избежать пробоя по внутренней поверхности за счет значительно большего расстояния в этом случае вдоль диэлектрической поверхности между катодом и поджигающим электродом.
9
-1
-8
-8
-6
2
3
Al
Ti
гр
пл
е
Разрядник работает следующим образом. При подаче на поджигающий электрод импульса положительной относительно катода полярности амплитудой в несколько киловольт на границе раздела трех сред «вакуум -диэлектрик- проводник (графит)», т.е. в области максимальной напряженности электрического поля [3], возникают условия для образования катодного пятна, и развивается искровой разряд по внешней цилиндрической поверхности диэлектрической прокладки. Поверхность прокладки, по которой развивается разряд, и катодное пятно являются источником проводящей среды - плазмы, распространяющейся под действием электрического поля, приложенного между катодом и анодом, в направлении анода. Замыкание промежутка «катод - анод» плазмой приводит к переходу разряда в стадию дуги. Происходит срабатывание разрядника. В диапазоне частот коммутируемого импульса тока ω << 10 с, т.е. в условиях отсутствия заметного эффекта скинирования тока, электросопротивление массивной части катода окажется много меньше, чем сопротивление графитовой пленки на поверхности диэлектрической шайбы (ρ = 2,5⋅10 Ом⋅м << ρ = 42⋅10 Ом⋅м [4]). Одновременно сопротивление графитовой пленки окажется заметно больше, чем сопротивление плазмы, которая замкнет промежуток «катод - анод». Например, при протяженности графитовой пленки (толщине диэлектрической шайбы) L = 3 мм, диаметре диэлектрической шайбы D = 5 мм, толщине пленки графита δ = 3 мкм и удельном сопротивлении графита ρ = 8⋅10 Ом⋅м [5] получим  Т.к. плазма катодного факела распространяется в окружающее пространство примерно изотропно [6, 7], то в качестве оценки протяженности и площади поперечного сечения соответствующего проводника примем L = 1 мм и S = 4 мм. Удельное сопротивление плазмы оценим по формуле  - так называемый кулоновский логарифм. Если принять температуру плазмы катодного факела Т ≈ 5 эВ, что характерно для дуговой стадии [9], то получим в качестве оценки сопротивления плазмы, закорачивающей промежуток «катод - анод»  На стадии искры температура выше, порядка 30 эВ [10], соответственно, оценка сопротивления плазмы даст величину порядка 10" Ом. Таким образом, на стадии перехода к дуговой стадии разряда в промежутке «катод - анод» создаются условия для протекания основной части тока по плазме между анодом и массивной частью катода, минуя тонкопленочную часть катода (графитовая пленка на поверхности диэлектрической шайбы). Следовательно, область возникновения катодных пятен переместится от границы «вакуум - диэлектрик - проводник (графит)» на поверхность массивной части катода. Тем самым будет предотвращено при дальнейшем протекании разряда непосредственное разрушающее воздействие области катодного пятна на систему поджига разрядника.
Следовательно, предлагаемая конструкция разрядника обеспечивает условия формирования катодных пятен в удаленной от системы поджига зоне на стадии перехода к дуговому разряду в основном разрядном промежутке, что, в свою очередь, приводит к снижению тепловой нагрузки на систему поджига в процессе горения дугового разряда в промежутке «катод - анод» и уменьшению ее эрозии при каждом срабатывании разрядника. Тем самым будет повышаться ресурс прибора и стабильность его работы.
Используемая литература
1. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. - М.: Наука, 2000. - С.290.
2. Физические величины: Справочник. /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.С. Мелихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 288-314.
3. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. - М.: Наука, 2000. - С.59-62.
4. Физические величины: Справочник. /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.С. Мелихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 438.
5. Таблицы физических величин. Справочник. /Под ред. акад. И. К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. - С. 305.
6. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. - М.: Наука, 2000.-С.194-195.
7. Месяц Г.А. Взрывная электронная эмиссия. - М.: Издательство физико-математической литературы, 2011. - С.256.
8. Райзер Б.П. Физика газового разряда. Учебн. руководство для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат.лит.1992. - С.44.
9. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. - М.: Наука, 2000.-С.381.
10. Месяц Г.А. Взрывная электронная эмиссия. - М.: Издательство физико-математической литературы, 2011. - С.110, 168, 256.