ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК
GAS-FILLED DISCHARGER

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных приборов, например, разрядников-обострителей с субнаносекундной коммутацией со срезающим разрядником для формирования заднего фронта импульса субнаносекундной длительности. Такие разрядники найдут применение при разработке мощных источников электромагнитных импульсов для проведения исследовательских работ по обеспечению электромагнитной совместимости технических систем, испытания радиотехнических средств на стойкость к воздействию электромагнитных импульсов, в импульсных рентгеновских аппаратах для промышленной дефектоскопии и в других целях.
Известен газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса и изолятора, два электрода, один из которых закреплен на металлическом корпусе, а другой на изоляторе, выполненном в виде полого тела вращения (усеченного конуса) и размещенного внутри металлического корпуса, при этом одно основание изолятора соединено с торцом корпуса, а другое, на котором закреплен электрод, обращено в сторону второго электрода и вывод электрода, проходящий внутри изолятора [Авт. свидетельство СССР №360886, H01J 17/18, 1973 г.].
Данный разрядник имеет большую механическую прочность, что позволяет наполнять его газом до давления порядка единиц МПа. Высокое давление газа при малых межэлектродных расстояниях в такой конструкции обеспечивает время коммутации в пределах единиц не. Недостатком разрядника является низкая электрическая прочность из-за неравномерного распределения потенциала электрического поля вдоль образующей конической поверхности изолятора, обусловленного неоптимальными размерами и взаимным расположением элементов разрядника. К недостаткам разрядника следует также отнести недостаточную механическую прочность при формировании амплитуды импульса порядка 200 кВ и выше с длительностью фронта порядка 0,2-0,3 не, что может быть получено при давлении более 10 МПа. Кроме того, конструкция, имеющая один высоковольтный вывод при использовании его в генераторах высоковольтных импульсов с субнаносекундными фронтами, не позволяет сделать развязку входа и выхода, т.е. высоковольтные импульсы подаются на вход генератора, имеющий гальваническую связь с высоковольтным выводом разрядника через центральную жилу коаксиала со стороны нагрузки. Наличие второй цепи генератора для зарядки его емкостного накопителя энергии параллельной его нагрузки приводит к искажению ТЕМ-волны из-за рассогласования и затягивания фронта выходного импульса. Существенным недостатком этого разрядника является сравнительно большая индуктивность канала разряда. В таком разряднике происходит одноканальный искровой пробой по оси прибора с достаточно большой величиной индуктивности искрового канала, что ограничивает его быстродействие.
В классической схеме генератора рентгеновского излучения параметры импульса напряжения, воздействующего на электродную систему рентгеновской трубки, определяются временем коммутации разрядника (определяет передний фронт импульса), импедансом рентгеновской трубки и величиной емкости излучателя (определяют спад напряжения - задний фронт, который определяется постоянной времени разряда емкости излучателя). В конструкции генератора рентгеновского излучения элементы высоковольтного излучателя (трансформатор, разрядник, развязывающая индуктивность и рентгеновская трубка) размещены по оси металлического цилиндра практически без согласования трубки с линией передач. При отсутствии согласования в линии появляются отраженные от рентгеновской трубки волны, которые затем, отразившись от выходной нагрузки импульсного генератора, вновь возвращаются к рентгеновской трубке, мешая нормальной работе. Колебательный процесс в разрядной цепи генератора способствует сильной эрозии материалов электродов разрядника и трубки, ограничивая их долговечность.
Известен также газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана и размещенного в нем изолятора в виде полого усеченного конуса, два соосных электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, внутри которого проходит осевой вывод второго электрода. В разряднике образован дополнительный объем, ограниченный дном цилиндрического стакана и продолжением его цилиндрической части за дном стакана, в который введен второй изолятор в виде полого усеченного конуса с большим основанием, соединенным с краем продолжения цилиндрической части стакана и меньшим, обращенным внутрь объема. Осевой вывод второго электрода гальванически соединен с расположенным во втором изоляторе вторым осевым выводом через отверстия в дне цилиндрического стакана посредством проводников, каждый из которых проходит через отверстие, образуя зазор, обеспечивающий электрическую прочность разрядника [Патент РФ 2379781 С1, H01J 17/02, 06.10.2008 г.]
Такая конструкция позволяет создать газонаполненный разрядник с раздельными входом и выходом для формирования высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундными фронтами (менее 1 нс).
Недостатком такого разрядника является сравнительно большая величина индуктивности канала разряда. В таком разряднике происходит одноканальный искровой пробой по оси прибора с достаточно большой величиной индуктивности искрового канала, что ограничивает быстродействие разрядника.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса цилиндрической формы и расположенных в нем двух одинаковых изоляторов в виде полых усеченных конусов, большие основания которых соединены с основаниями корпуса, два электрода, расположенные напротив друг друга на торцевых поверхностях меньших оснований изоляторов, внутри которых проходят осевые выводы соответствующих им электродов [Патент РФ №2331164, H05G 1/22, опубл. 10.08.2008 г. - прототип].
Достоинством такого разрядника, входящего в состав импульсного генератора рентгеновского излучения, является возможность компактного расположения основных элементов генератора, что позволяет сократить линейные размеры коаксиала и уменьшить потери при прохождении высоковольтного наносекундного импульса от разрядника-обострителя до электродной системы рентгеновской трубки, что способствует увеличению мощности генератора.
К недостаткам следует отнести сравнительно невысокую электрическую прочность разрядника, определяемую геометрическими размерами изолятора, к которому прикладывается все импульсное напряжение источника, при этом второй изолятор по постоянной составляющей закорочен шунтирующей трубку индуктивностью и испытывает только действие высокочастотной составляющей напряжения после срабатывания разрядника-обострителя.
При работе данного разрядника-обострителя в классической схеме генератора рентгеновского излучения практически без согласования с нагрузкой (рентгеновской трубкой) на электродной системе рентгеновской трубке формируется импульс с крутым переднем фронтом, определяемым временем коммутации, и пологим задним фронтом, определяемым постоянной времени разряда емкости коаксиала (излучателя) на трубку, с наложением колебательного процесса, вызванного отсутствием согласования генератора с рентгеновской трубкой. Такой режим работы вызывает сильную эрозию материалов электродов разрядника и рентгеновской трубки и значительно ограничивает их долговечность.
Задачей данного изобретения является создание газонаполненного разрядника с субнаносекундной коммутацией и большой долговечностью.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном газонаполненном разряднике, содержащем оболочку, состоящую из металлического корпуса цилиндрической формы и расположенных в нем по оси прибора двух изоляторов в виде полых усеченных конусов, большие основания которых соединены с основаниями металлического корпуса, два основных электрода, расположенных напротив друг друга на меньших основаниях изоляторов, внутри которых проходят осевые выводы, соответствующих им основных электродов, в оболочку введены два дополнительных электрода, один из которых - внутренний, выполненный в виде диска со скругленными краями, размещен на меньшем основании одного из изоляторов и соединен с основным электродом и его выводом, закрывая место соединения вывода основного электрода с изолятором, а второй дополнительный электрод - внешний, имеющий форму тора, закреплен на внутренней поверхности металлического корпуса, образуя с внутренним дополнительным электродом искровой разрядный промежуток в виде кольца.
В предлагаемой конструкции разрядника имеются два разрядных промежутка - один осевой разрядный промежуток, формирующий передний фронт импульса, другой кольцевой разрядный промежуток (срезающий разрядник), формирующий задний фронт. При подаче импульса напряжения с микросекундной длительностью фронта от импульсного источника напряжения на осевой вывод разрядника происходит пробой осевого разрядного промежутка с малым временем коммутации (порядка ед. не), определяемым размером промежутка, родом газа и его давлением. На внутреннем электроде в виде диска формируется фронт импульса напряжения порядка единиц не, что достаточно для многоканальной коммутации кольцевого разрядного промежутка при обеспечении равномерного зазора по всему периметру. Время коммутации кольцевого разрядного промежутка (срезающего разрядника) значительно меньше чем у осевого разрядного промежутка, поэтому импульс, прикладываемый к электродной системе рентгеновской трубки, имеет задний фронт значительно круче переднего. Такая форма импульса способствует уменьшению эрозии материалов электродов как трубки, так и разрядника, что увеличивает их долговечность.
Таким образом, предлагаемый разрядник позволяет получить высоковольтные импульсы с субнаносекундными фронтами за счет конструкции осевого разрядного промежутка, выбора состава и давления наполняющего газа, а с помощью срезающего разрядника (кольцевой разрядный промежуток, работающий в режиме многоканальной коммутации) крутой спад напряжения, что уменьшает эрозию материалов электродов как разрядника, так и рентгеновской трубки и значительно увеличивает их долговечность.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, позволяющие создать разрядник с субнаносекундной коммутацией (менее 0,5 нс) и большой долговечностью за счет того, что в разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса цилиндрической формы и расположенных в нем по оси прибора двух изоляторов в виде полых усеченных конусов, большие основания которых соединены с основаниями металлического корпуса, два основных электрода, расположенные напротив друг друга на торцевых поверхностях меньших оснований изоляторов, внутри которых проходят осевые выводы, соответствующих им электродов, введены два дополнительных электрода, один из которых - внутренний, выполненный в виде диска со скругленными краями, размещен на меньшем основании одного из изоляторов и соединен с основным электродом и его выводом, закрывая место соединения вывода основного электрода с изолятором, а второй дополнительный электрод - внешний, имеющий форму тора, закреплен на внутренней поверхности металлического корпуса, образуя с внутренним дополнительным электродом искровой разрядный промежуток в виде кольца.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Заявленное изобретение поясняется чертежом фиг. 1, на котором показан один из вариантов предлагаемого газонаполненного разрядника.
Газонаполненный разрядник содержит оболочку, состоящую из металлического корпуса 1 цилиндрической формы и расположенных в нем по оси прибора двух изоляторов 2 и 3 в виде полых усеченных конусов так, чтобы их большие основания были герметично связаны с краями корпуса 1 - для изолятора 2 через манжету 4 и переходное кольцо 5, а для изолятора 3 через манжету 6 посредством швов аргонодуговой сварки, два основных электрода 7 и 8, расположенные напротив друг друга на торцевых поверхностях меньших оснований изоляторов, внутри которых проходят осевые выводы 9, 10 соответствующих им электродов, экран 11, закрывающий место соединения осевого вывода 9 электрода 7 с торцевой поверхностью меньшего основания изолятора 2, два дополнительных электрода 12 и 13, один из которых внешний электрод 13, имеющий форму тора, закреплен на внутренней поверхности металлического корпуса 1, другой - внутренний электрод 12, выполненный в виде диска со скругленными краями, расположенный под основным электродом 8 и одновременно выполняющий функцию экрана места соединения вывода 10 электрода 8 с изолятором 3 и расположенный относительно внешнего электрода 13 таким образом, что они образуют искровой промежуток в виде кольца и штенгель 14 для наполнения разрядника рабочим газом.
Работает газонаполненный разрядник в импульсном генераторе рентгеновского излучения следующим образом.
В результате подачи высоковольтного импульсного напряжения на осевой ввод 9 при заземленном корпусе 1 разрядника происходит зарядка распределенной емкости излучателя аппарата совместно с емкостью разрядного промежутка между электродами 7 и 8 и последующий его пробой. После пробоя осевого разрядного промежутка между электродами 7 и 8 к электродам 12 и 13 прикладывается импульс напряжения с длительностью фронта порядка 1 нс, определяемого временем коммутации осевого разрядного промежутка. Амплитуда этого импульса равна динамическому напряжению пробоя осевого разрядного промежутка. Параметры импульса напряжения и геометрия кольцевого разрядного промежутка между электродами 12. 13 обеспечивают условия многоканальной коммутации, поэтому время коммутации кольцевого разрядника (срезающего), образованного этими электродами, значительно меньше времени осевого разрядника, образованного электродами 7, 8. На вводе 10 формируется высоковольтный импульс напряжения с крутыми фронтами. С ввода 10 импульс напряжения прикладывается к электродной системе рентгеновской трубке. Такая форма импульса способствует уменьшению эрозии материалов электродов из-за устранения колебательных процессов в разрядной цепи как трубки, так и разрядника, что увеличивает их долговечность.
7
При использовании заявленного изобретения были изготовлены два экспериментальных образца с межэлектродным расстоянием осевого разрядного промежутка 3 и 4 мм и кольцевого разрядного промежутка 1 и 1,3 мм на динамическое напряжение пробоя 200 и 240 кВ соответственно. Приборы наполнялись водородом особой чистоты до давления более 50 атм, обеспечивающие указанные выше динамические напряжения при времени нарастания напряжения равном 500 нс. Проведенные испытания подтвердили правильность выбранных технических решений в предлагаемой конструкции газонаполненного разрядника. Экспериментальные образцы имеют время коммутации менее 0,5 нс и минимальную наработку не менее 10 пробоев.
7
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет создать газонаполненный разрядник для формирования высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундной длительностью фронтов и большой долговечностью (не менее 10 пробоев).