ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК
VACUUM ARRESTER

Изобретение относится к электротехнике и сильноточной электронике, в частности к средствам коммутации, и может использоваться для коммутации сильноточных высоковольтных электрических систем.
11
2
9
2
Известен разрядник с лазерным поджигом, содержащий в корпусе с окном для ввода луча поджигающего лазера два противостоящих основных электрода, один из которых выполнен со сквозным отверстием, расположенным напротив окна в корпусе, и собирающую линзу, установленную между поджигающим лазером и указанным основным электродом с отверстием, фокус которой расположен в промежутке между основными электродами, при этом между основными электродами установлен дополнительно введенный электрод-мишень со сквозным отверстием, расположенным соосно со сквозным отверстием основного электрода, причем средняя точка на оси отверстия электрода-мишени расположена в фокусе указанной линзы. Авторское свидетельство SU 1101133, МПК Н01Т 14/00, 30.11.1985. В разряднике используется эффект лазерной искры для создания сгустка плазмы в межэлектродном промежутке, реализация которого требует достижения интенсивности излучения оптического диапазона в фокусе собирающей линзы примерно 10 Вт/см и выше [1, 2]. Для создания на поверхности твердотельной мишени плазмы, являющейся эффективным источником ультрафиолетового (УФ) и вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения, достаточно достигнуть интенсивности примерно 10 Вт/см в пятне фокусировки [3], что технически упрощает решение проблемы компактности коммутирующего устройства, т.к. снижается на два порядка величины требуемый уровень энергии лазерного излучения при той же длительности его импульса, а следовательно, точно так же снижается уровень энергии, первоначально запасаемой в импульсном источнике, питающем систему накачки лазера.
Известен управляемый разрядник в двухэлектродном исполнении, расположенный в откачанном корпусе, в котором катод выполнен из сплава ВНБ-3, в корпусе установлено прозрачное окно для ввода луча лазера, анод выполнен с отверстием, а в центре катода из сплава ВНБ-3 сформировано острие. Патент на полезную модель RU 119935, МПК H01J 17/64, 25.05.2012. Данное техническое решение принято в качестве прототипа. Недостатком данного устройства является то, что наличие острия значительно снижает электрическую прочность межэлектродного промежутка и повышает вероятность неконтролируемого пробоя межэлектродного промежутка, а также снижает надежность устройства, потому что в процессе эксплуатации разрядника за счет эрозии как под действием излучения лазера, так и под действием плазмы разряда будет постоянно изменяться качество поверхности острия: будет изменяться радиус кривизны поверхности острия, шероховатость поверхности. Кроме того, авторы ошибочно связывают эффективность разрядника, под которой они понимают возможность работы разрядника при низкой энергии лазерного поджига, с явлением термоэмиссии электронов с поверхности катода, т.е. с термоэмиссионными характеристиками материала катода [4]. В результате авторы предлагают в качестве материала электрода неоптимальный вариант. Также условия срабатывания разрядника, в первую очередь его временные параметры, зависят от полярности электрода, подвергающегося воздействию лазерного излучения, т.к., например, время задержки срабатывания разрядника определяется скоростью развития лазерно-плазменного факела и зависит от направления приложенного электрического поля [5]. Таким образом, если при монтаже схемы, содержащей разрядник, будут перепутаны выводы его анода и катода, время задержки срабатывания разрядника увеличится на порядок величины.
8
10
2
Задачей изобретения является создание вакуумного электроразрядного коммутирующего устройства, обеспечивающего минимальную эрозию его элементов в результате воздействия управляющего сфокусированного оптического излучения импульсного источника, создание токопроводящей среды в межэлектродном промежутке разрядника за счет ионизации остаточного газа УФ и ВУФ излучением плазмы, возникающей под действием импульса управляющего сфокусированного оптического излучения импульсного источника на поверхности мишени при достигаемой интенсивности 10-10 Вт/см в пятне фокусировки, независимость режима срабатывания от полярности электродов.
Технический результат заключается в повышении ресурса, надежности и стабильности работы устройства.
-2
0
Технический результат достигается тем, что в вакуумном разряднике, включающем герметичную диэлектрическую оболочку, содержащую коаксиальную электродную систему из двух электродов и включающую оптически прозрачное окно для ввода управляющего сфокусированного импульсного оптического излучения по оси симметрии разрядника, внутри оболочки на оси симметрии разрядника за пределами межэлектродного промежутка в точке фокуса расположена мишень из тугоплавкого материала, электроды имеют идентичную форму, каждый из электродов выполнен со сквозным отверстием для пропуска управляющего излучения в направлении мишени, отверстия расположены на оси симметрии разрядника, давление внутри герметичной оболочки разрядника составляет 10-10 Па.
Фокусировка управляющего излучения может осуществляться как при помощи фокусирующего оптического элемента, расположенного за пределами оболочки, так и при помощи окна, выполненного в виде такого элемента.
Предлагаемое техническое решение поясняется на фиг. 1, 2, где 1 - герметичная диэлектрическая оболочка; 2 - оптически прозрачное окно; 3, 4 - электроды со сквозным отверстием, 5 - мишень; 6 - внешний импульсный источник управляющего оптического излучения; 7 - фокусирующий оптический элемент.
На фиг. 1 представлен разрез вакуумного разрядника с внешним фокусирующим элементом.
На фиг. 2 представлен разрез вакуумного разрядника с окном - фокусирующим оптическим элементом.
-4
-2
-2
0
Вакуумный разрядник, управляемый сфокусированным оптическим излучением импульсного источника, состоит из герметичной диэлектрической оболочки 1, откачанной до давления остаточных газов 10-10 Тор (10-10 Па), с оптически прозрачным окном 2, внутри которой находится коаксиальная электродная система, состоящая из электродов 3 и 4, и мишень 5, находящаяся за пределами разрядного промежутка. Электроды 3 и 4 выполнены идентичными по форме, в каждом из электродов имеется сквозное отверстие по оси системы для пропуска управляющего излучения в направлении мишени 5, выполненной из тугоплавкого материала, например вольфрама, молибдена, керамики. Оптически прозрачное окно 2 предназначено для пропуска управляющего сфокусированного излучения от импульсного источника 6 внутрь оболочки 1 вдоль оси симметрии разрядника в направлении мишени 5, находящейся в точке фокуса. В качестве источника излучения может применяться импульсный оптический квантовый генератор. Опытным путем было установлено, что при величине зазора между анодом и катодом порядка 1 мм и указанном выше давлении остаточных газов в межэлектродном зазоре рабочее напряжение разрядника достигает 10 кВ.
Фокусировка управляющего излучения может осуществляться как при помощи фокусирующего оптического элемента 7 (собирающей линзы, видикона и т.п.), расположенного за пределами оболочки, так и при помощи окна 2, выполненного в виде такого элемента, например плоско-выпуклой линзы, выпуклая сторона которой находится на внешней поверхности оболочки.
Разрядник работает следующим образом.
-3
-2
-9
-8
8
10
2
-4
-2
-2
0
Излучение оптического диапазона, испускаемое внешним импульсным источником, фокусируется на поверхности мишени. Диаметр пятна фокусировки, получаемого с помощью окна, выполненного, например, в виде собирающей линзы с фокусным расстоянием порядка нескольких сантиметров, составит несколько десятых квадратного миллиметра [6]. При энергии излучения 10-10 Дж в импульсе длительностью 10-10 с, что обеспечивают серийно выпускаемые компактные твердотельные оптические квантовые генераторы со светодиодной накачкой, плотность потока энергии излучения на мишени может быть доведена до уровня 10-10 Вт/см. При таком уровне интенсивности падающего на мишень излучения образующаяся у поверхности мишени плазма является мощным источником УФ и ВУФ излучения, которое эффективно ионизирует остаточные газы внутри вакуумированной оболочки при давлении остаточных газов 10-10 Тор (10-10 Па) и создает проводящую среду в межэлектродном пространстве [4], таким образом осуществляется коммутация разрядника.
Применение мишени из тугоплавкого материала, находящейся за пределами разрядного промежутка, позволяет обеспечить минимальную эрозию элементов разрядника в результате воздействия управляющего сфокусированного оптического излучения импульсного источника и увеличить ресурс устройства.
Также вынесение мишени за разрядный промежуток и ионизация остаточных газов в разрядном промежутке УФ излучением мишени позволяет повысить надежность и стабильность работы разрядника, поскольку временные параметры срабатывания разрядника не зависят от полярности подключения электродов.
Выполнение электродов идентичными за счет выноса мишени за пределы разрядного промежутка позволяет упростить технологию их изготовления и монтажа, что также упрощает конструкцию.
Выполнение окна в виде фокусирующего элемента позволяет исключить внешний фокусирующий элемент, что упрощает конструкцию и процесс фокусировки управляющего излучения.
Используемая литература
1. Островская Г.В., Зайдель А.Н. Лазерная искра в газах // УФН, 1973, Т. 111, с. 579.
2. Райзер Ю.П. Оптические разряды // УФН, 1980, Т. 132, с. 549.
3. Ананьин О.Б. и др. Лазерная плазма. Физика и применения: Монография. - М.: МИФИ, 2003. - С. 10, 186.
4. Давыдов С.Г. и др. Процесс коммутации вакуумного разрядника с лазерным управлением // Успехи прикладной физики, 2014, Т. 2, №6, с. 613.
5. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. - М.: Наука, 2000. - С. 69.
6. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1974. - С. 239.