ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК
GAS-FILLED DISCHARGER

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников для коммутации цепей сильноточных ускорителей заряженных частиц.
Известен газонаполненный разрядник (Киселев Ю.В., Тихонова В.Ф., Каращук И.К. «Газонаполненный разрядник». АС СССР №1262592, кл. МПК 4 H01J 17/00, опубл. в БИ №37, 07.10.86), содержащий диэлектрический корпус, соосно установленные в нем электроды с противолежащими рабочими частями, имеющими сферические поверхности, зазор между которыми образует разрядный промежуток. Разрядник заполнен ксеноном при давлении 0.8 МПа (8 атм.). Недостатками этого разрядника являются:
- в связи с расположением межэлектродного зазора напротив диэлектрического корпуса происходит интенсивное запыление корпуса продуктами эрозии электродов, что приводит к снижению ресурса работы разрядника;
- неравномерное распределение напряженности электрического поля вдоль поверхности диэлектрического корпуса, что приводит к снижению его электропрочности;
- высокая собственная индуктивность разрядника из-за большой протяженности цилиндрического изолятора.
Наиболее близким к заявляемому является газонаполненный разрядник (Богданов А.В., Меркулов Б.П., Самородов В.Г. «Газонаполненный разрядник». RU №2320048, кл. МПК H01J 17/04, опубл. в БИ №8, 20.03.08), содержащий металлический корпус в виде стакана с отбортовкой, изолятор в виде полого усеченного конуса, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна корпуса, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного другим основанием с отбортовкой корпуса. В разряднике имеется экран, закрепленный на высоковольтном вводе; экран закрывает место соединения электрода, закрепленного на изоляторе, с меньшим основанием изолятора.
В этом разряднике заданное соотношение диаметров электродов, экрана, внутренней поверхности корпуса и межэлектродного зазора позволяет обеспечить высокие значения ресурса и электропрочности изолятора.
Недостатками прототипа являются сложность изготовления конического изолятора и высокая индуктивность разрядника вследствие большой длины такого изолятора.
Задачей данного изобретения является создание простого в изготовлении разрядника с малой собственной индуктивностью и высоким ресурсом.
Техническим результатом является снижение собственной индуктивности разрядника, повышение технологичности изготовления его изолятора (при сохранении электропрочности изолятора по поверхности) и обеспечение эффективной защиты от запыления изолятора продуктами эрозии электродов.
Указанный технический результат достигается тем, что в газонаполненном разряднике, содержащем металлический корпус, в котором вдоль его оси установлены друг против друга два электрода, один из которых закреплен на высоковольтном вводе и отделен от корпуса изолятором, а другой электрически соединен с корпусом, а также экран, закрепленный на высоковольтном вводе соосно электроду, при этом ввод проходит внутри изолятора, новым является то, что изолятор выполнен в виде диска, а экран охватывает электрод, закрепленный на высоковольтном вводе, и имеет кольцевой участок и сопряженный с ним участок в виде усеченного конуса, малое основание которого располагается с зазором по отношению к изолятору не более 0.05D, где D - диаметр большого основания конического участка, а угол между образующей конуса и поверхностью изолятора лежит в пределах 20-30°.
Выполнение изолятора в виде диска позволяет:
- примерно в 2 раза сократить длину высоковольтного ввода и соответственно в 1.5-1.8 раза уменьшить собственную индуктивность разрядника;
- снизить стоимость изготовления изолятора, поскольку дисковый изолятор намного проще в изготовлении, чем конический; для разрядников разборной конструкции это имеет особое значение, поскольку при загрязнении или других повреждениях изолятора он легко заменяется на новый.
Выполнение охватывающего электрод экрана с кольцевым участком и сопряженным с ним участком в виде усеченного конуса, малое основание которого располагается с зазором по отношению к изолятору не более 0.05D, где D - диаметр большого основания конического участка, а угол между образующей конуса и поверхностью изолятора лежит в пределах 20-30°, позволяет:
- сохранить высокое значение электропрочности изолятора при изменении его формы на дисковую за счет обеспечения снижения напряженности электрического поля на поверхности изолятора;
- эффективно защитить изолятор от запыления его продуктами эрозии электродов.
На фиг.1 показана конструкция заявляемого разрядника, где
1 - корпус;
2 - электрод, закрепленный на высоковольтном вводе;
3 - электрод, электрически соединенный с корпусом;
4 - высоковольтный ввод;
5 - дисковый изолятор;
6 - экран.
На фиг.2 показана конструкция разрядника с дисковым изолятором без экрана.
На фиг.3 показано распределение напряженности электрического поля вдоль образующей дискового изолятора для заявляемого разрядника (см. фиг.3а) и разрядника без экрана (см. фиг.3б).
На фиг.4 показана фотография узла разрядника, в который входят изолятор, высоковольтный ввод, экран и электрод.
Представленный на фиг.1 газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1, в котором вдоль его оси установлены друг против друга электроды 2 и 3, электрод 2 закреплен на высоковольтном вводе 4 и отделен от корпуса изолятором 5, а электрод 3 электрически соединен с корпусом, а также экран 6, закрепленный на высоковольтном вводе 4 соосно электроду 2, при этом ввод проходит внутри изолятора 5. Изолятор выполнен в виде диска, а экран охватывает электрод, закрепленный на высоковольтном вводе.
Заявляемый разрядник работает следующим образом. При включении его в высоковольтную цепь к нему прикладывается высокое напряжение. Когда величина напряжения достигает напряжения пробоя межэлектродного промежутка, образованного электродами 2 и 3, разрядник срабатывает и осуществляет коммутацию цепи.
Уменьшение длины пути тока через разрядник путем применения дискового изолятора малой осевой протяженности позволяет в 1.5-1.8 раза снизить его индуктивность по сравнению с прототипом, что позволяет коммутировать большие токи и за меньшее время. При этом экран позволяет снизить напряженность электрического поля на поверхности изолятора до безопасного уровня, при котором отсутствуют пробои вдоль изолятора.
На фиг.3 приведены графики расчетной зависимости тангенциальной составляющей напряженности поля на поверхности дискового изолятора от расстояния от корпуса вдоль радиальной образующей изолятора. Потенциал между корпусом и вводом был задан равным 20 кВ, наружный диаметр изолятора 100 мм, диаметр высоковольтного ввода 20 мм. На фиг.3а приведен график для заявляемого разрядника по фиг.1, на фиг.3б - для разрядника по фиг.2, у которого экран отсутствует. Хорошо видно, что у заявляемого разрядника напряженность поля слабо меняется вдоль образующей изолятора и не превышает значения 0.7 кВ/мм. У разрядника по фиг.2 наблюдается рост напряженности в районе ввода до 1.6 кВ/мм, что, по крайней мере, в 2 раза больше, чем у заявляемого разрядника. Зазор между торцом малого основания экрана и поверхностью изолятора обусловлен технологическими требованиями при изготовлении разрядника. Его величина не должна превышать 0.05D, где D - диаметр большого основания конического участка, иначе эффективность экрана будет заметно снижаться, и при этом уменьшится электропрочность изолятора.
Выполнение экрана с кольцевым участком позволяет увеличить зону охвата электрода на высоковольтном вводе, что способствует эффективной защите изолятора от запыления продуктами эрозии, разлетающимися с высокой скоростью из межэлектродного промежутка при срабатывании разрядника. Очевидно, что введение конического экрана с кольцевым участком в конструкцию разрядника оказалось удачным техническим решением.
В примере конкретного выполнения был изготовлен газонаполненный разрядник на статическое напряжение пробоя 20 кВ, конструкция которого приведена на фиг.1. Корпус 1 разрядника, электроды 2 и 3 изготовлены из молибдена, ввод 4 и экран 6 - из нержавеющей стали, изолятор 5 - из органического стекла. Диаметр разрядника 100 мм, длина 60 мм, индуктивность - около 30 нГн. Разрядник прошел ресурсные испытания в следующем режиме:
1. Рабочий газ - азот.
2. Напряжение пробоя - 20 кВ.
3. Емкость конденсатора разрядного контура - 0.2 мкФ.
4. Индуктивность разрядного контура - 2 мкГн.
5. Количество включений - 100000.
В течение всего времени испытания на ресурс разрядник работал без пробоев по изолятору. На изоляторе после 100000 включений разрядника (см. фиг.4) видны незначительные следы запыления, ресурс разрядника до конца не выработан.
Разрядник-прототип с коническим изолятором (диаметр разрядника 80 мм, длина 95 мм), испытанный на статическом напряжении 20 кВ, имеет индуктивность около 50 нГн и в указанном режиме выдержал 83000 включений, после чего начались пробои по поверхности изолятора.
Таким образом, заявляемый разрядник имеет индуктивность почти в 1.8 раза меньше, а ресурс выше, чем у разрядника-прототипа.