УПРАВЛЯЕМЫЙ ВАКУУМНЫЙ ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК С ПЛЁНОЧНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Полезная модель относится к электротехнике и сильноточной электронике, в частности к средствам коммутации, и может использоваться для коммутации сильноточных высоковольтных электрических систем.
Известен управляемый вакуумный разрядник, содержащий коаксиальную трехэлектродную систему в герметичной диэлектрической оболочке. Поджигающая система образована двумя электродами - катодом и поджигающим электродом и плотно сжатой между ними прокладкой из диэлектрика. Катод и анод образуют основной разрядный промежуток. Патент Российской Федерации №143137, МПК Н01Т 2/02, 20.07.2014.
-7
Такой разрядник работает следующим образом. При подаче на поджигающий электрод импульса положительной относительно катода полярности у кромки катода на границе трех сред- металл, диэлектрик, вакуум- возникают токи автоэлектронной эмиссии, приводящие к испарению материала катода и ионизации испаренного вещества. Ионизация паров вещества катода превращает их в проводящую среду - плазму. На границе «плазма - катод» формируется область электронной эмиссии - катодное пятно. Образующаяся у поверхности катода плазма - катодный факел - в силу большой подвижности электронов под действием электрического поля смещается в направлении поджигающего электрода. Происходит искровой пробой по поверхности диэлектрика с ионизацией молекул сорбированного на его поверхности газа. В условиях продолжающегося поступления плазмы из катодного пятна и выравнивания потенциалов катода и поджигающего электрода происходит расширение катодного факела в направлении анода. С замыканием промежутка «катод - анод» плазмой факела напряжение между катодом и анодом начинает падать, и разряд в вакуумном промежутке за время порядка 10 с переходит в дуговую стадию. Происходит срабатывание коммутирующего устройства.
Недостатком данного разрядника является то, что при механической сборке поджигающей системы возможны отклонения от осевой симметрии, т.е. оси катода, что может привести к смещению диэлектрика, и таким образом, протяженность и форма диэлектрической поверхности, по которой будет происходить электрический разряд, окажется различной на различных участках периметра поджигающей системы, т.е. условия разряда будут отличаться. В результате вышеуказанных обстоятельств происходит привязка инициирующего и основного разрядов к определенному участку периметра диэлектрической прокладки, на котором условия развития инициирующего разряда обеспечивают наименьшую величину напряжения пробоя. На данном участке происходит ускоренная эрозия системы поджига, ведущая к короткому замыканию и выходу системы поджига из строя. Кроме того, конструкция указанной модели затрудняет использование с целью снижения амплитуды поджигающего импульса и уменьшения габаритов разрядника тонкой - толщиной порядка 0,1 мм или менее - диэлектрической прокладки, выполненной из эрозионностойкого тугоплавкого материала, например керамики, в силу хрупкости указанного материала.
Известен тригатронный разрядник, состоящий из корпуса, образующего разрядную камеру, внутри которой установлены поджигающая система и основной электрод. Поджигающая системам состоит из электрода (катода), выполненного с центральным отверстием, в котором размещены диэлектрическая втулка и поджигающий электрод. На торце катода установлена дисковая токопроводящая накладка, контактирующая с торцевой поверхностью диэлектрической втулки и закрывающая внутреннюю кромку этой втулки. Разрядная камера изготавливается из диэлектрического материала и может быть вакуумирована. Патент Российской Федерации №1364192, МПК Н01Т 2/02, 09.02.1995. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Разрядник работает следующим образом. При подаче управляющего импульса напряжения на поджигающий электрод по поверхности диэлектрической втулки возникает скользящий разряд. Разряд начинает формироваться с кромки токопроводящей накладки в сторону поджигающего электрода за счет образования первичных электронов. Возникновение скользящего разряда в дальнейшем приводит к пробою между катодом и основным электродом.
Недостатками прототипа является следующее:
- невозможность гарантированного обеспечения симметричности и отсутствия зазоров при сборке системы «дисковая проводящая накладка - диэлектрическая втулка- катод», что неминуемо приведет к привязке поджигающего и основного разрядов к определенному участку системы поджига, ускоренной эрозии этого участка, снижению стабильности срабатывания и сокращению ресурса системы поджига;
- привязка катодного пятна, возникающего на границе трех сред «металл -диэлектрик - вакуум», вызывает ускоренную эрозию материала катода и диэлектрической втулки, т.е. ведет к образованию каверны, и выносу металла на поверхность диэлектрика, что станет в конечном итоге причиной снижения ресурса работы и, как следствие, короткого замыкания и выхода из строя системы поджига и разрядника в целом.
Техническим результатом полезной модели является повышение ресурса работы управляемого вакуумного разрядника за счет гарантированного обеспечения симметричности поджигающей системы путем изменения конструкции разрядника.
Технический результат достигается тем, что в управляемом вакуумном искровом разряднике, содержащем коаксиальную электродную систему в герметичной диэлектрической оболочке, включающую катод, поджигающий электрод и анод, катод и поджигающий электрод вакуумноплотно соединены с керамической подложкой способом диффузионной сварки через пленочное металлическое покрытие подложки, выполненное в виде двух коаксиальных колец, разделенных полосой керамической поверхности шириной 10-100 мкм, при этом одно из колец является продолжением катода, а другое - продолжением поджигающего электрода, а подложка является частью герметичной диэлектрической оболочки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
1 - катод;
2 - поджигающий электрод;
3 - анод.
4 - подложка;
5 - металлическое покрытие;
6 - крышка;
На фиг. 1 представлен вакуумный управляемый разрядник.
На фиг. 2 представлена схема поджигающей системы разрядника.
2
3
Разрядник включает коаксиальную электродную систему, состоящую из катода 1, кольцеобразного поджигающего электрода 2, анода 3. Катод 1 и поджигающий электрод 2 находятся на керамической подложке 4 толщиной примерно 1 мм, выполненной, например, из корунда (АlО), с отверстием по оси симметрии. На подложку нанесено металлическое покрытие 5, например алюминиевое или титановое, в виде пленки толщиной 10-100 мкм в форме коаксиальных колец, разделенных полосой керамики без покрытия шириной 10-100 мкм. В качестве метода нанесения металлического покрытия может выступать метод осаждения через маску паров материала металлической мишени, подвергающейся магнетронному, электроннолучевому или лазернолучевому испарению.
Катод 1 и поджигающий электрод 2 вакуумноплотно соединены с подложкой 4 с применением технологии диффузионной сварки через металлическое покрытие 5, являющееся, таким образом, продолжением соответствующих электродов.
Электродная система находится в герметичном диэлектрическом корпусе, состоящем из подложки 4 и диэлектрической крышки 6, выполненной, например, из керамики, при этом анод 3 находится на крышке 6 и вакуумноплотно соединен с ней с применением технологии диффузионной сварки. При сборке все металлические элементы соединяются с диэлектрическими (керамическими) вакуумноплотно с применением технологии диффузионной сварки.
Разрядник работает следующим образом. При подаче на поджигающий электрод импульса положительной относительно катода полярности амплитудой в несколько киловольт по поверхности керамической подложки между катодом и поджигающим электродом развивается искровой электрический разряд. На поверхности катода возникает катодное пятно и проводящая среда- плазма, эмитируемая из катодного пятна, замыкает пространство по керамике между основными электродами катодом и анодом. Происходит коммутация, т.е. срабатывание разрядника.
Таким образом, в результате изменения конструкции разрядника достигаются следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- гарантированная высокая степень симметричности системы поджига при ширине поверхности диэлектрика, по которой осуществляется электрический разряд (пробой) в процессе срабатывания системы поджига, порядка 0,1 мм;
- наличие переходного слоя на границе «металл - диэлектрик», возникающего в процессе диффузионной сварки, т.е. размытие границы трех сред «металл - диэлектрик - вакуум», что затрудняет привязку катодного пятна и образование каверны;
- отсутствие зазоров между элементами системы поджига;
- обеспечение высокой механической прочности диэлектрического промежутка между поджигающим электродом и катодом,
что позволяет повысить ресурс разрядника.