ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРИБОР
GAS-DISCHARGE DEVICE

(i) Область техники
Изобретение относится к электронной и плазменной технике, в частности к мощным управляемым и неуправляемым приборам, включая вакуумные и газонаполненные разрядники, тиратроны различных типов, "псевдоискровые" коммутаторы, плазменные выключатели, а также и к другим приборам, предназначенным для коммутации в импульсном и непрерывном режиме посредством плазменных каналов сильноточных высоковольтных цепей различных электроэнергетических, электрофизических и радиотехнических устройств.
(ii) Предшествующий уровень техники
Известны сильноточные псевдоискровые коммутаторы (pseudospark switch), содержащие корпус и установленные в нем высоковольтные электроды (ВЭ) - полые анод и катод, выполненные из однородных материалов с узлом запуска, размещенном в катодной полости [US Patent # 5,091,819, Feb. 25, 1992, "Gas-electronic switch (pseudospark switch)", J. Chrisiansen, K. Frank, W. Hartmann, C. Kozlik].
Недостатком таких коммутаторов является ограниченная долговечность, обусловленная тем, что в условиях коммутации больших импульсных токов, разряд между электродами при первоначальном возникновении нескольких каналов, имеет тенденцию стягиваться (линчеваться) в один токопроводящий канал под влиянием собственного магнитного поля. Это приводит к локализации разрушающего воздействия разряда на электроды и резко снижает ресурсные возможности прибора. Особенно это сильно заметно в приборах с единичным инжекционным отверстием в катоде. Процесс воздействия разряда на электроды сопровождается испарением и ионизацией материала электрода, за счет чего поддерживается динамическое равновесие заряженных частиц в газоразрядной плазме между электродами и устанавливается минимально возможное падение напряжения в разряде. Образующийся при этом токопроводящий канал при длительностях импульса до десяти мкс (или при коммутируемых зарядах менее 0,1 Кл) имеет относительно малую подвижность. Он воздействует на ограниченный участок поверхности электрода в течение всего срока службы прибора. Поэтому разрушению подвергается только определенный локальный участок электрода у инжекционного отверстия, в то время как остальные участки поверхности в течение всего срока службы оказываются почти незадействованными.
Увеличение рабочей поверхности электродов, числа отверстий в катоде, либо числа катодных полостей практически не приводит к увеличению долговечности разрядника.
Например, известен псевдоискровой коммутатор (US Patent No.5,126,638, June 30, 1992, Inventor R. Dethlefsen, Assignee: Maxwell Laboratories, Inc., San Diego, CA, "Coaxial pseudospark discharge switch"), в котором для увеличения коммутируемых токов использована коаксиальная цилиндрическая конструкция, причем анод помещен внутри катода. При этом катод разделен на множество единичных катодных полостей, которые формируют кольцевые разрядные каналы по оси прибора, обеспечивая суммарно большую коммутирующую способность.
Похожая конструкция отражена в US Patent No.5,502,356 Mar. 26, 1996. "Stabilized radial pseudospark switch". Inventor Malcolm W. McGeoch. Assignee: Plex Corporation, Brookline, Mass.
Недостатком указанных конструкций является неоднородная загрузка током катодных полостей, что не обеспечивает длительную коммутацию зарядов выше 1 Кл, технологические сложности изготовления, обуславливающие высокую цену, большие габариты, а также практическая невозможность увеличения свыше 30 кВ рабочего напряжения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является сильноточный разрядник [Бочков В.Д., Зайдман С.Ш., Сирота Е.И., Нечаев А.Г., Канарейкина Н.А. / Сильноточный разрядник, Патент РФ №1792207, H01T 1/24, 01.04.91. Опубл. БИ №17, 1997], содержащий установленные в корпусе противостоящие высоковольтные электроды (ВЭ), рабочая часть, по крайней мере, одного из которых выполнена в виде слоистой металлической структуры из слоев металлов или сплавов металлов, расположенных в порядке уменьшения значения теплоты сублимации, в направлении к рабочей части этого электрода.
Повышение долговечности предлагаемого разрядника обеспечивается за счет последовательного (поочередного) разрушения - выработки поверхностных, обращенных к противоположному электроду слоев металлов с меньшей теплотой сублимации, чем расположенные под ним слои металлов. Процесс разрушения начинается с выработки первого слоя, выполненного из металла с наименьшей теплотой сублимацией. Сначала происходит испарение участка рабочей поверхности электрода, находящегося вблизи от места инициирования разряда, у отверстия через которое осуществляется поджиг посредством инжекции заряженных частиц из поджигающего устройства. В этом месте в первую очередь образуется эмитирующее катодное пятно с локальной температурой выше температуры плавления и сублимации материала электрода, обеспечивающей достаточную плотность заряженных частиц и поддержание дугового разряда. Постепенно объем материала первого слоя вблизи отверстия испаряется с высвобождением лежащего под ним слоя, выполненного из металла с большей теплотой сублимации, что приводит к ухудшению условий испарения материала. Поскольку разряду энергетически выгоднее гореть на относительно более легко испаряющемся металле, создается ситуация, при которой катодное пятно и разрядный канал перемещаются на соседний участок рабочей поверхности, где слой металла с меньшей теплотой сублимации еще не выработан. Таким образом, постепенно расходуется большая часть первого слоя. После этого, наступает очередь разрушения более глубинного второго слоя, обладающего большей величиной теплоты сублимации. Процесс повторяется, так как под этим слоем лежит третий слой с еще большей теплотой сублимации. После полного разрушения второго слоя начинает разрушаться третий слой и т.д. Подобная структура автоматически регулирует более равномерную, полную и последовательную выработку слоев, обращенных к противоположному электроду, позволяет увеличить объем рабочего слоя и в итоге обеспечивает более высокую долговечность разрядника, чем известных коммутирующих устройств.
Недостатком такой конструкции является ограниченный срок службы при коммутируемых зарядах более 0,1 Кл, значениях коммутируемых токов более 100 кА и в условиях колебательного режима разряда. Это обусловлено рядом причин.
-6
При относительно небольших коммутируемых зарядах (до 0,1 Кл) подвижность катодного пятна мала, и эта конструкция оправдывает себя. Однако при увеличении значений коммутируемых токов и заряда увеличивается нестабильность пространственного положения катодных пятен, и дуга за время импульса перемещается на периферию электродов. Особенно этот процесс характерен для коммутаторов, работающих на левой ветви кривой Пашена (вакуумных и псевдоискровых разрядников и тиратронов с заземленной сеткой). Для этих приборов характерно динамичное изменение в течение импульса тока давления во внутреннем рабочем пространстве от 10 - 0,5 мм рт.ст. до повышения давления в локальной области близ катодного пятна на несколько порядков. Такое изменение приводит к смещению значения пробивного напряжения с левой ветви кривой Пашена в область правой части. При этом облегчается каскадное горение между электродами в краевых областях, уменьшается влияние экранов.
С другой стороны, из-за неидеальной симметрии токоотводов с ВЭ - катода и анода, подключаемых к внешней схеме, дуговые каналы могут пинчеваться, соединяясь в один канал и отбрасываться силой Ампера (Лоренца) на периферию прибора - боковую часть ВЭ или на диэлектрическую оболочку. Сильноточная дуга при этом может расплавить анод, что приводит к разгерметизации прибора, а воздействуя на изолятор, дуга напыляет диэлектрические пленки на катод, резко снижая электрическую прочность коммутатора [J. Slough, C. Pihl, V.D. Bochkov, et al, «Prospective Pulsed Power Applications Of Pseudospark Switches», 17 th IEEE International Pulsed Power Conference, 2009, Washington, DC, pp.255-259].
Кроме того, при работе коммутатора в условиях колебательного режима разряда, возникновение второй полуволны обратной полярности меняет знак напряжения на электродах и при этом поджиг разряда (без принудительного, управляемого поджига) происходит в том месте электрода, где энергетически легче зажечь разряд - т.е. где понижена работа выхода, имеются диэлектрические пленки, усилено поле на микровыступах поверхности электродов и пр. Обычно такие места находятся на краях электродов и дуги также образуются в этих местах, что усугубляет все процессы, еще более снижающие надежность работы.
В случае управляемой конструкции, одной из причин горения разряда на периферии может служить пониженная мощность поджига и, как следствие, неоднородная плотность заряженных частиц поступающих через инжекционные отверстия из камеры поджига в основной разрядный промежуток. Эта неоднородность приводит к неравномерному зажиганию дуговых каналов у инжекционных отверстий в катоде (градиентном электроде для 2-х и более секционных приборов), что также определяет асимметричность дуговых каналов, появление нескомпенсированной силы Ампера и тем же катастрофическим явлениям, что и в предыдущем случае.
(iii) Раскрытие изобретения
Целью изобретения является создание конструкции, обеспечивающей условия, препятствующие движению дуговых каналов к периферии ВЭ, и в то же время, горения разряда на максимально большой поверхности центрального района катода и других высоковольтных электродов, повышение надежности при повышенных значениях коммутируемого заряда и тока, при высоком сроке службы.
Сущность изобретения состоит в том, что в известном газоразрядном приборе, содержащем разделенные разрядным промежутком и установленные в изолирующем корпусе противостоящие высоковольтные электроды (ВЭ), с рабочей частью по крайней мере одного из ВЭ изготовленной в виде слоистой металлической структуры, указанная слоистая структура выполнена из базового высокопроводящего рабочего металлического слоя и расположенного на периферии над поверхностью базового слоя второго металлического слоя с относительно низкой проводимостью, имеющего контакт с базовым слоем в центральной части.
Другим отличием является то, что в газоразрядном приборе рабочий слой высоковольтного электрода, выполняется из материала обладающего высокой проводимостью и стойкостью к эрозии, имеет диаметр меньший чем базовый слой, присоединен осесимметрично к поверхности базового слоя и имеет электрический контакт с низкопроводящим слоем по своему внешнему краю, причем место контакта с базовым слоем второго металлического слоя с относительно низкой проводимостью в центральной части экранировано от действия разряда, например, за счет заглубления.
Третьим отличием является то, что в газоразрядном приборе базовый слой выполняется с рабочим слоем в единой детали с дифференциальной проводимостью, причем наибольшую проводимость имеет центральная часть базового слоя, а наименьшую (например, за счет уменьшения до нуля доли высокопроводящей меди при пропитке матрицы спрессованной из порошка вольфрама) - краевая часть.
Четвертым отличием является то, что в газоразрядном приборе базовый слой выполняется в виде индуктора, создающего при прохождении тока магнитное поле, обеспечивающее непрерывное передвижение дуговых каналов.
(iv) Предпочтительные примеры осуществления изобретения
Возможные варианты осуществления предлагаемого изобретения поясняются чертежами.
На фиг.1 показан общий вид конструкции управляемого газоразрядного прибора.
На фиг.2 показан чертеж рабочей части высоковольтного электрода.
На фиг.3 схематически представлена работа заявленной конструкции.
На фиг.4 показана конструкция неуправляемого газоразрядного прибора.
На фиг.5 показана конструкция секционированного управляемого газоразрядного прибора с полым анодом.
На фиг.6 показана конструкция слоистой структуры электродов газоразрядного прибора, с базовым электродом 4, выполненным в виде индуктора.
Газоразрядный прибор в варианте управляемого (фиг.1) содержит систему высоковольтных электродов (ВЭ) - полый катод 1, содержащий на поверхности обращенной к противоположному ВЭ - аноду 3 слои 4, 5, 6. Анод и рабочая поверхность катода разделены друг от друга основным разрядным промежутком, а сбоку экраном 9, служащим для снижения напыления материала электродов на высоковольтные изоляторы 2. Слоистая структура катода состоит из базового слоя 4, выполненного из относительно дешевого материала с высокой проводимостью, например, меди. Основным рабочим элементом катода является слой 6 из композиционного материала с высокой проводимостью и стойкостью к эрозии, например, из вольфрама, пропитанного медью, либо из карбида кремния. Этот слой плотно скреплен (спаян) с базовым слоем 4 по всей контактирующей поверхности, образуя с ним единое целое с весьма малым переходным сопротивлением. На периферии (в краевой кольцевой области) катода базовый слой 4 накрыт относительно тонким кольцевым электродом 5, имеющим электрический контакт с ним в точках 7 по всей окружности в месте стыка с электродом 6. Электрод 5 изготовлен из материала с относительно низкой проводимостью, например, молибдена, нихрома или нержавеющей стали. Расстояние между слоями 4 и 5, исключая место контакта, составляет от минимального в несколько мкм (например, в случае изготовления слоя 5 из материала с тонким слоем диэлектрика на поверхности, например, окисленной нержавеющей стали) до 1-3 мм.
В катодной полости располагается узел поджига 10, обеспечивающий управление моментом включения прибора. Основной разрядный промежуток (анод-катод) сообщается с катодной полостью через отверстия 8 в обращенном к аноду основании катода. Отверстия выполнены на диаметре меньшем диаметра низкопроводящего слоя 5 для того, чтобы привязать начало пробоя к слою 6.
В некоторых режимах работы разряд имеет тенденцию к привязке к месту стыка двух разнородных материалов (например резистивного слоя 5 с рабочим слоем 6). Это может вызвать прогорание тонкого резистивного слоя в месте контакта, ослабление его механических свойств и отслоение слоя 5, вплоть до образования короткого замыкания с противоположным высоковольтным электродом. На фиг.2 показан вариант конструкции, где для устранения этого явления место контакта 7 второго металлического (резистивного) слоя 5 с рабочим 6 и базовым слоем 4 в центральной части экранировано от действия разряда посредством заглубления. При этом по окружности между слоями 5 и 6 выполнен зазор шириной 0,5-2 мм.
Работа такой электродной системы пояснена на фигуре 3, где резистивный слой 5 условно представлен в виде переменного резистора, изменяющего свое сопротивление в зависимости от положения дугового канала 12. Наибольшее сопротивление он имеет на краю с большим значением диаметра (ближе к оболочке 2) и соответственно наименьшее - в месте соединения 7 со слоями 4 и 6.
Работа прибора происходит следующим образом. После инициирования разряда в узле поджига 10, заряженные частицы в поле анода 3 инжектируются через отверстия 8 в деталях катода 4 и 6, вызывая пробой основного промежутка между поверхностью электрода 6 и анодом 3. В начале импульса тока катодные пятна возникают у отверстий 8, но затем, из-за нестабильности дугового разряда могут сместиться из положения 11 в положение 12 на край электрода 5. При отсутствии электрода 5 дуга обычно смещается по базовому электроду 4 до положения 13, вызывая сильную эрозию боковой части анода и, касаясь диэлектрической оболочки 2 испаряет ее, напыляя диэлектрические пленки на высоковольтные электроды 1, 3, 4 и 9, резко снижая электрическую прочность прибора и быстро выводя его из строя.
Наличие электрода 5 устраняет движение дуги на периферию прибора. Это обусловлено тем, что при передвижении дуги с электрода 6 на 5, в силу большего сопротивления электрода 5 при протекании по нему тока возникает разность потенциалов между электродом 5 и 6, а так как разряду энергетически выгоднее гореть при меньшем падении напряжения, катодное пятно смещается назад, перемещая канал дуги на центральную часть ВЭ.
Газоразрядный прибор в варианте двухэлектродного, неуправляемого (фиг.4) содержит систему высоковольтных электродов (ВЭ) - катод 1, отделенный изолятором 2 и основным разрядным промежутком от анода 3. Оба ВЭ содержат на рабочей поверхности слои 4, 5, 6. Слоистая структура состоит из базового слоя 4, выполненного из материала с высокой проводимостью, например меди. Основным рабочим элементом ВЭ является слой 6 из композиционного материала с высокой проводимостью и стойкостью к эрозии, например из вольфрама, пропитанного медью, либо карбида кремния. Этот слой плотно скреплен (спаян) с базовым слоем 4 по всей плоскости контактирующей поверхности, образуя с ним единое целое с весьма малым переходным сопротивлением. На периферии (в краевой кольцевой области) катода базовый слой 4 накрыт относительно тонким кольцевым электродом 5, имеющим электрический контакт с ним в точках 7 по всей окружности в месте стыка с электродом 6. Электрод 5 изготовлен из резистивного материала с относительно низкой проводимостью, например, молибдена, нихрома или нержавеющей стали.
Работа неуправляемого разрядника, за исключением процесса инициирования, весьма схожа с работой управляемого, соответствующего фиг.1. В этом варианте, первоначально пробой между ВЭ может произойти и со слоев 5, но в силу описанных выше причин, быстро переходит на рабочую поверхность слоев 6.
На фиг.5 показана конструкция секционированного управляемого газоразрядного прибора с полым анодом. Двухсекционная конструкция с одним градиентным электродом 14 (с двумя высоковольтными промежутками: катод-градиент и градиент-анод) применяется для коммутации при повышенном напряжении и обеспечивает удвоенную электрическую прочность, трехсекционная при введении двух градиентов - утроенную электрическую прочность и т.д. Полость 15 в аноде дает возможность прибору иметь большую наработку в колебательном режиме разряда с большими обратными токами. При этом плазма разряда в течение первого полупериода заполняет полость 15, которая во втором полупериоде работает как полый катод, привязывая начало разряда к району близ отверстий 8. Так как при коммутации больших токов (свыше 20 кА) отверстия 8 в градиенте 14 не могут пропустить токи без обрыва, то они служат только для инициирования разряда, а основной ток коммутируется за счет каскадного горения дуги с ВЭ. При таком горении градиентный электрод становится последовательным катодом и поэтому его конструкция повторяет конструкцию катодной структуры рис.1. При коммутации обратной полуволны тока в режиме осциллирующего разряда, полярность анода изменяется на отрицательную, поэтому он выполняет роль катода, в связи с чем конструкция его также повторяет конструкцию катода.
Требуемого эффекта можно достичь и при выполнении базового слоя с рабочим слоем в единой детали с дифференциальной проводимостью, причем наибольшую проводимость должна иметь центральная часть базового слоя, а наименьшую (например, за счет уменьшения до минимума доли высокопроводящей меди при пропитке матрицы спрессованной из порошка вольфрама) - краевая часть. Снизить содержание меди можно, например, при меньшей пористости вольфрамовой матрицы на ее краевых частях, полученной за счет повышенного в этих местах усилия прессования.
На фиг.6 показана конструкция слоистой структуры электродов газоразрядного прибора, которая содержит базовый электрод 4, выполненный в виде индуктора. Пунктиром показан путь тока разряда I. Такая конструкция определяет при прохождении тока наличие продольной и аксиальной составляющей магнитного поля в разрядном промежутке, приводящего дуговые каналы в постоянное перемещение, что обеспечивает диффузную форму разряда и снижение эрозии рабочей поверхности электродов 3 и 6.
Приборы могут быть как вакуумными, так и газонаполненными. К примеру, управляемые приборы (фиг.1 и 5) наполняются водородом или его изотопом дейтерием при давлении 0,1-0,8 мм рт.ст. для обеспечения высоких пробивных напряжений на левой ветви кривой Пашена. В качестве источника водорода используется титановый генератор (резервуар) водорода.
Управляемый коммутатор, имеющий конструкцию фиг.5 (с внутренний диаметром 108 мм у керамической оболочки 2), испытывался в режиме - анодное напряжение от 1 до 50 кВ, импульсных токах до 200 кА, коммутируемом заряде до 10 Кулон, частотой 0,1 Гц. При этом обеспечивается время запаздывания 0,1-0,3 мкс, джиггер менее 5 не, срок службы около 1,5 млн. срабатываний. Важно, что катодные пятна дуговых каналов имеют свободу для перемещения по всей поверхности высоковольтного электрода 6 с равномерной его выработкой (эрозией). В тоже время дуга практически не выходит за рамки электрода 6, обеспечивая высокий срок службы прибора, что является показателем эффективности конструкции и достижения поставленной цели.
Данная конструкция может быть использована не только в коммутирующих приборах, но и в других устройствах, включая электрофизические и термоядерные установки, где важна задача поддержания плазмы в стабильном пространственном положении.