УПРАВЛЯЕМЫЙ ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК
TRIGGERED VACUUM GAP

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и предназначено для использования в качестве сильноточных высоковольтных коммутаторов с наносекундными временами нарастания тока и запаздывания срабатывания.
Известны управляемые вакуумные разрядники с искровым поджигом. Такие разрядники имеют малую собственную индуктивность, большую пропускную способность по току и большой диапазон коммутируемых напряжений [1].
Разрядники с искровым поджигом, как правило, содержат два основных электрода и один вспомогательный электрод. Инициирование электрического разряда в основном разрядном промежутке осуществляется электрической искрой, которая возникает при подаче управляющего импульса напряжения на вспомогательный электрод. Для успешной рабом разрядников с таким способом запуска необходимо, чтобы амплитуда поджигающего импульса напряжения была сравнимой с амплитудой напряжений на основном разрядном промежутке.
Это требует наличие дополнительного источника напряжения, что представляет собой значительные неудобства, особенно в тех случаях, когда рабочие напряжения разрядника составляют сотни киловольт и более. Кроме того, в разрядниках с искровым поджигом в момент срабатывания разрядника запускающая цепь оказывается электрически связанной с высоковольтным источником, что приводит к опасности работы на такой установке.
Известен способ поджига разрядника «Модернизированный вакуумный разрядник с шестизазорной стержневой электродной системой» [2], включающий подачу поджигающего импульса от вспомогательного трехэлектродного разрядника. К одному из основных электродов основного вакуумного трехэлектродного разрядника и батарее емкостных накопителей прикладывается напряжение от основного источника питания. Затем от автономного источника питания подается напряжение на один из основных электродов вспомогательного трехэлектродного разрядника и вспомогательную батарею емкостных накопителей. С генератора высоковольтных импульсов подается маломощный поджигающий импульс на управляющий электрод вспомогательного разрядника, вспомогательная батарея емкостных накопителей разряжается через вспомогательный разрядник. На управляющем электроде основного разрядника появляется импульс напряжения, равный зарядному напряжению вспомогательной батареи емкостных накопителей. Основной разрядник срабатывает, и батарея емкостных накопителей разряжается на индуктивную нагрузку через основной разрядник.
Недостатком этого способа является наличие дополнительных операций поджига вспомогательного разрядника от автономного источника питания, что вместе с дополнительными кабелями, контактными соединениями и другими элементами приводит к усложнению способа и, как следствие, к уменьшению надежности поджига основного разрядника.
Наиболее близким из известных технических решении является управляемый вакуумный разрядник, содержащий установленные в корпусе с окном для прохождения лазерного луча два противостоящих электрода, один из которых выполнен со сквозным отверстием, расположенным напротив указанного окна, и поджигающий лазер [3].
При воздействий на электрод-мишень сфокусированного луча рубинового лазера, работающего в режиме модулирования добротности, происходит испарение вещества мишени в начале действия лазерного импульса с последующим ускорением его за счет поглощения энергии лазерного излучения. Расширяясь, лазерный факел закорачивает разрядный промежуток. Параметры указанного разрядника такие, как время запаздывания, время нарастания тока, определяются скоростью продвижения границы плазмы, образованной лазерным лучом. Для снижения времени запаздывания, времени нарастания тока необходимо значительное увеличение мощности поджигающего лазерного импульса, что сопряжено с увеличением мощности лазерного источника, а следовательно, со снижением экономичности системы поджига.
Техническая задача, поставленная в рамках данного изобретения, заключается в улучшении временных характеристик разрядника с лазерным поджигом, т.е. сокращение времени запаздывания и времени нарастания тока в разряднике без увеличения мощности поджигающего лазерного импульса.
Поставленная задача решается тем, что в известном управляемом вакуумном разряднике, содержащем установленные в корпусе с окном для прохождения лазерного луча два противостоящих электрода, соединенных с разными клеммами источника напряжения, один из которых выполнен со сквозным отверстием, расположенным напротив указанного окна и поджигающий лазер, согласно данному изобретению первый электрод со сквозным отверстием соединен с положительной клеммой источника напряжения, а второй электрод соединен с отрицательной клеммой источника напряжения, причем упомянутый второй электрод выполнен с углублением на рабочей поверхности, расположенным напротив указанного сквозного отверстия в первом электроде, при этом углубление на катоде выполнено в виде усеченного конуса, сужение которого направлено в сторону первого электрода.
На фиг.1 изображен общин вид предложенного управляемого вакуумного разрядника в разрезе. Разрядник состоит из корпуса 1 и двух электродов 2 и 3. В корпусе 1 сделано окно 4. Электрод 2, соединенный с отрицательной клеммой источника напряжения 8, являющийся мишенью, выполнен с углублением 5, на рабочей поверхности, расположенным напротив указанного сквозного отверстия 4 в электроде 3. При этом углубление на электроде-мишени 2 выполнено в виде усеченного конуса, сужение которого направлено в сторону электрода 3, соединенного с положительной клеммой источника напряжения 8. Луч лазера 6 через окно 4 и сквозное отверстие 7 в электроде 3 направляется в углубление 5 на электроде-мишени 2.
Сущность изобретения заключается в следующем. Коммутация разрядника происходит за счет искрового вакуумного пробоя промежутка между электродами 2 и 3, который переходит в дугу. Известно, что пробой вакуумного промежутка обусловлен микровзрывами на отрицательно заряженном электроде (катоде) [3]. Такая картина наблюдается не только в миллиметровых вакуумных промежутках при относительно низких напряжениях пробоя, но и при сверхвысоких импульсных напряжениях для вакуумных промежутков в десятки сантиметров. Впервые такая картина была обнаружена и описана в работе [5]. При микровзрывах на катоде возникает плазма, движущаяся в сторону второго положительно заряженного электрода. Плазма, достигая анода, вызывает коммутацию промежутка. Если каким - либо способом инициировать появление плазмы в области анода, например, при использовании дополнительного поджигающего электрода, то окажется, что время запаздывания разряда увеличивается, и, следовательно, увеличится и время коммутации. Поэтому инициирование вакуумного разряда предпочтительнее инициировать разряд (плазму) в области катода, так как время запаздывания разряда в этом случае меньше, чем в вышеописанном случае. При воздействии лазерного импульса на электрод-(мишень) 2 образуется плазма (лазерный факел), которая, расширяясь, коммутирует разрядный промежуток. Применение углубления (сопла) способствует увеличению скорости заполнения разрядного промежутка плазмой лазерного факела за счет улучшения условий формирования плазменной струи. При этом корость плазмы зависит от формы углубления в электроде 2.
6
6
Как показали опыты,оптимальный внутренний профиль для обеспечения максимальной кинетической энергии струи должен иметь форму усеченного конуса. Поэтому именно так обычно изготавливают наконечники шлангов, пожарных брандспойтов, гидромониторов и прочих устройств, где необходимо получить максимальную силу и дальность струи. Оптимальный угол искоса конуса, как показали опыты, должен быть равен 16,6°. Исследованная скорость плазмы при инициировании разряда лазером на поверхности плоского катода равнялась 1,4×10 См/с. При выполнении конического углубления на катоде в виде усеченного конуса с углом искоса конуса, равным 6,6°,скорость плазмы при инициировании разряда тем же рубиновым лазером при прочих равных условиях достигала величины 1,96×10 См/с. Эксперименты показали, что время запаздывания и время нарастания тока описанного разрядника практически на 40% меньше по сравнению с известным разрядником без углубления в электроде-мишени при той же мощности поджигающего импульса.
Источники информации
1. П.Н. Дэмук и др. Книга «Техника больших импульсных токов и магнитных полей», М., Атомиздат", 1970.
2. Д.Ф. Алферова, В.А. Сидорова. Модернизированный вакуумный разрядник с шестизазорной стержневой электродной системой. - "ПТЭ", 1996 г., №3, с.82,
3. Н.С. Булыгин и др. ФТФ, 1975, №4, с.892-897, статья «Исследование вакуумного коммутатора с лазерным поджигом» - прототип.
4. http://gordon0030.narod.ru/archive/18873/index.html
5. Г.В. Смирнов.Экспериментальное изучение вакуумного пробоя сантиметровых промежутков на импульсах микросекундной длительности. - Томск., канд. диссерт., 1974 г., стр.76-77 (рис. 58 и рис.59).