ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК

(i) Область техники
Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к вакуумным и газоразрядным приборам, в частности неуправляемым коммутационным разрядникам, предназначенным для коммутации сильноточных высоковольтных цепей различных импульсных устройств, в том числе систем зажигания авиационных двигателей, а также к защитным разрядникам, предназначенным для защиты аппаратуры от грозовых импульсов и других электромагнитных наводок.
(ii) Предшествующий уровень техники
Первые газоразрядные и вакуумные управляемые разрядники были разработаны, запатентованы и изготовлены в Англии в 30-х годах прошлого столетия. Известная конструкция (J.M.Lafferty "Triggered vacuum gaps" Proc. IEEE, Vol.54, pp.23-32, Jan. 1966) содержит два электрода, разделенные снаружи изолирующей и герметизирующей от внешней среды оболочкой, а внутри их рабочие поверхности разделены вакуумным или газонаполненным промежутком.
Процесс импульсного пробоя разрядного промежутка состоит из трех стадий: предпробойной, стадии формирования, и стадии гашения разряда. Предпробойная стадия ответственна за временную стабильность разряда, определяя такой важный параметр разрядников как статистическое время запаздывания пробоя, его разброс, а следовательно, и динамическое напряжение пробоя. На этой стадии начало и скорость развития разряда определяют факторы наличия облучения электродов и объема газа заряженными частицами, фотонами света, рентгеновскими, гамма и космическими лучами, напряженность электрического поля, состояние поверхности электродов и ряд других факторов. Почти все эти процессы, их интенсивность, носят случайный, вероятностный характер, что ведет к разбросу временных параметров разрядников, а также такого параметра как напряжение первого пробоя (эффект первого импульса), превышающему на 50 и более процентов среднее значение напряжения пробоя. Для нормальной работы аппаратуры это требует повышения запаса напряжения источников питания, а соответственно и рабочих напряжений конденсаторов, увеличения их массогабаритных параметров. В связи с этим такие разрядники не приемлемы для коммутации емкостных накопителей во многих применениях, например, в системах зажигания авиационных двигателей.
63
4
63
Для повышения стабильности напряжения первого пробоя и снижения его отклонения от установившегося, создают искусственную предионизацию за счет введения в прибор радиоактивных изотопов (Киселев Ю.В., Черепанов В.П. "Искровые разрядники", М. - "Советское радио", 1976, а также Киселев Ю.В., "Искровые разрядники", Рязань РРТИ, учебное пособие, 1989). Так, например, введением дозы изотопа Ni с активностью 185·10 1/с (50 мкКи), среднеквадратичное отклонение напряжения первого пробоя о уменьшается в 2 раза. Однако изотоп Ni вводится в виде твердых или жидких солей, опасен в экологическом плане и требует весьма строгих мер обращения, специальной утилизации, подвергает опасности заражения окружающей среды, что усложняет и удорожает производство разрядников,
Известен искровой разрядник (Зорин A.M., Митрохина И.А. ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК, Заявка: 2003107187/09 от 18.03.2003. Опубликовано: 20.08.2004), который содержит цилиндрический корпус с держателями электродов и газовое наполнение, состоящее из аргона и водорода. В наполнение введена добавка трития до значения 0,74±0,186 МБк (2±0.5 мкКи), обеспечивающая стабилизацию первого пробоя прибора. Тритий более прост в обращении, так как, улетучиваясь в случае разгерметизации или разрушения разрядника, сравнительно быстро обеспечивает снижения уровня радиации в помещении до предельно допустимого. Однако этот изотоп имеет высокую стоимость и условия обращения с ним и утилизации также удорожают производство и эксплуатацию приборов.
Известен также разрядник (Киселев Ю.В., Черепанов В.П. "Искровые разрядники", М. - "Советское радио", 1976), содержащий катод, расположенный внутри полости диэлектрического экрана, основание с отверстиями которого обращено к аноду. Недостатком такой конструкции является сложность, а также недостаточно высокая стабильность временных параметров, повышенное падение напряжения на приборе, снижение значений частоты и сроков службы прибора.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является неуправляемый ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК (Меркулов Б.П., Рябова Е.М., Патент РФ №2208280 от 08.11.2001), в котором высокая стабильность напряжения пробоя достигается за счет предварительной ионизации основного разрядного промежутка коронным разрядом. Для получения коронирующего разряда, стабилизирующего процессы возникновения и развития разряда в основном разрядном промежутке, в конструкции разрядника имеются два дополнительных электрода в виде полого тела вращения с осевым отверстием, каждый из которых коаксиально расположен и соединен с одним из основных электродов. Геометрические размеры элементов разрядника при этом соответствующим образом выбираются.
Недостатком конструкции является низкая стабильность напряжения пробоя при рабочих напряжениях менее 50 кВ, а также сложность изготовления при таких напряжениях коронирующих зазоров и малый срок службы.
(iii) Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание неуправляемого искрового коммутационного разрядника с высокой электрической прочностью и долговечностью, малым разбросом по амплитуде напряжения пробоя в различные моменты времени коммутации (в т.ч. напряжения первого пробоя), с высокой временной стабильностью коммутируемых импульсов тока, а также с технологически простой, экологически чистой конструкцией без применения радиоактивных изотопов.
Это достигается тем, что в искровом разряднике, содержащим изолятор, фиксирующий высоковольтные электроды (ВЭ), разделенные разрядным промежутком, а также дополнительный элемент, соединенный с основным ВЭ и расположенным, по крайней мере в одном ВЭ, этот дополнительный элемент выполнен в виде прилегающей к поверхности ВЭ и обращенной к противоположному ВЭ вставки из материала, имеющего физические свойства, например характер диэлектрической проницаемости, или проводимости, отличные от свойств основного материала ВЭ, в частности, из полупроводника или диэлектрика.
Другим отличием является то что, по крайней мере, один из ВЭ имеет отверстие, открытое во внутреннюю часть прибора с диаметром, меньшим размера основного разрядного промежутка, и соединяющее каналом внутреннюю часть прибора с выполненной в этом электроде полостью, имеющей размер больший диаметра отверстия.
Третьим отличием является то что, вставка выполнена в виде диэлектрического либо полупроводящего покрытия, нанесенного на части поверхности ВЭ, обращенной к противоположному ВЭ.
Четвертым отличием является то, что вставка выполнена в виде композиционной пористой (поликристаллической) металлической, полупроводящей, либо диэлектрической основы, промежутки (зазоры между кристаллами) которой заполнены инородным материалом, например при основе, выполненной из металлического спеченного порошка, поры между частицами порошка заполняются диэлектрическим или полупроводящим веществом и, наоборот, при основе выполненной из диэлектрического порошка, поры между частицами его заполняются металлическим или полупроводящим веществом.
Пятым отличием является то, что вставка выполнена из диэлектрического материала обладающего значением диэлектрической проницаемости ε более 2, а максимальная ширина вставки в поперечном оси прибора сечении не более чем в 10 раз превышает значение межэлектродного разрядного промежутка.
Шестым отличием является то, что материал вставки выполнен на основе полупроводника с нелинейной вольтамперной характеристикой с пороговым напряжением не менее 50 В.
Седьмым отличием является то, что материал вставки выполнен в виде полупроводниковых или диэлектрических композиций с пористостью не более 40% из порошков одного или нескольких полупроводниковых и диэлектрических материалов.
Восьмым отличием является то, что дополнительный элемент, соединенный с основным ВЭ, объединен с основным изолятором, фиксирующим высоковольтные электроды, при этом место соединения изолятора с ВЭ находится на поверхности ВЭ обращенной к противоположному ВЭ.
Девятым отличием является то, что материал вставки выполнен на основе материала с работой выхода менее 3 эВ (щелочного, щелочноземельного металла, гексаборида лантана).
(iv) Предпочтительные примеры осуществления изобретения и краткое описание чертежей
Возможные варианты осуществления предлагаемого изобретения поясняется чертежом.
На фигуре 1 показан общий вид конструкции искрового разрядника. Искровой разрядник, содержит высоковольтные электроды ВЭ (1 и 2), разделенные изолятором 3 и разрядным промежутком 4, а также дополнительный элемент - вставку 5, прилегающую к поверхности ВЭ 2, обращенной к противоположному ВЭ 1. Высоковольтные электроды выполняются из проводящего материала с высокой стойкостью к эрозии, например, вольфрама или композиции вольфрам-медь, вольфрам-никель-барий, а вставка - из материала, имеющего физические свойства, диэлектрическую проницаемость, и/или проводимость, отличные от свойств основного материала ВЭ, в частности, из полупроводника или диэлектрика. При подаче напряжения на высоковольтные электроды в местах контакта разнородных материалов возникают эффекты, способствующие развитию пробоя между ВЭ. В случае вставки из диэлектрика - происходит усиление электрического поля, величина которого зависит от значения его диэлектрической проницаемости ε и формы электрода β. Коэффициент ε, например, при наличии микроострия в контакте диэлектрик-ВЭ, определяется соотношением длины к диаметру микроострия. При этом электрическое поле увеличится пропорционально произведению εβ. В случае вставки из полупроводника, кроме вышеуказанного усиления поля, из р-n перехода возникает фото- и электронная эмиссии, способствующая инициированию разряда.
В электроде 1 на оси выполнено отверстие, соединяющее каналом 6 промежуток 4 с полостью 7. В электроде 2 выполнена вставка из диэлектрического материала 5. Чехлы 8 на служат для механической защиты откачного штенгеля 9 и подключения в электрическую схему. Отверстие канала 6 может иметь выход в любом месте ВЭ, например, в направлении перпендикулярном оси разрядника, но предпочтительнее на поверхности ВЭ, обращенной к РП 4.
Роль в данной конструкции полости 7, имеющей выход через канал 6 во внутреннюю часть разрядника весьма важна для поддержания постоянной электрической прочности разрядника на всем сроке службы. Дело в том, что при работе разрядника в результате эрозии в разряде всегда возникают микрочастицы вещества его электродов. Известно, что наличие микрочастиц в высоковольтном промежутке приводит к существенному снижению электропрочности (И.Н.Сливков, "Электроизоляция и разряд в вакууме", Атомиздат, Москва, 1972). Полость и канал, аналогично цилиндру (чашки) Фарадея обеспечивают условия для вывода из РП 4 микрочастиц, появляющихся в процессе эрозии материала электродов в разряде. Это становится возможным из-за известного эффекта постоянного движения (многократных отскоков) микрочастиц в электрическом поле. Поэтому имеется большая вероятность попадания микрочастицы через канал 6 в полость 7 с весьма малой вероятностью обратного выхода, даже при механических вибрациях прибора. Таким образом, в процессе работы разрядника его основной разрядный промежуток 4 постоянно очищается от микрочастиц.
При основе, выполненной из металлического спеченного порошка, поры между частицами порошка заполняются диэлектрическим или полупроводящим веществом, либо эмиссионно-активном веществом с малой работой выхода и, наоборот, при основе, выполненной из диэлектрического порошка, поры между частицами его заполняются металлическим или полупроводящим веществом.
В случае использования полупроводящего материала вставки рекомендуется широкозонный полупроводник типа карбида кремния, который обеспечивает в силу меньшей зависимости от температуры работоспособность при существенно более высоких температурах рабочей среды (до 500°С и более) и больших частотах следования импульсов. Его нелинейная (варисторная) вольтамперная характеристика обеспечивается при вставке, выполненной в виде композиционной пористой (поликристаллической), полупроводящей основы, промежутки (зазоры между кристаллами) которой заполнены диэлектрическим материалом. Такая конструкция обеспечивает обострение фронта импульса тока, большую, чем у диэлектрической вставки эрозионную стойкость.
Поджигатель, выполненный из основного материала с наполнителем, обладает высокой механической прочностью, а пористость менее 40%, облегчает технологический процесс откачки коммутатора.
На фиг.2 показана упрощенная конструкция, где дополнительный элемент, соединенный с основным ВЭ 2, объединен с основным изолятором, фиксирующим высоковольтные электроды, при этом место соединения изолятора с ВЭ находится на поверхности ВЭ 2, обращенной к противоположному ВЭ 1.
Прибор наполняется водородом или двуокисью углерода при давлении более 0,1 ати для обеспечения высоких пробивных напряжений на правой ветви кривой Пашена.
Разрядник данной конструкции испытывался в нескольких режимах - при рабочем напряжении 1 кВ, импульсных токах до 1 кА, коммутируемой емкости 1 мкФ и при рабочем напряжении 10 кВ, импульсных токах до 100 кА, коммутируемой емкости 200 мкФ. При этом обеспечивается нестабильность напряжения пробоя менее 5%, и сроки службы: в первом случае около 10 млн. срабатываний, а во втором 100. Данный разрядник обеспечивает стабильную коммутацию в широком диапазоне температур от -60 до +300°С.