ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к электротехнике и сильноточной электронике, в частности к средствам коммутации, и может использоваться для коммутации сильноточных высоковольтных электрических систем.
11
2
8
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 1101133, МПК Н01Т 14/00, 30.11.1985. В разряднике используется эффект лазерной искры в среде газа высокого давления для создания сгустка плазмы в межэлектродном промежутке, реализация которого требует достижения интенсивности излучения оптического диапазона в фокусе собирающей линзы порядка 10 Вт/см и выше [1, 2]. В то же время для создания на поверхности твердотельной мишени плазмы, которая, расширяясь в вакуум, создает в пространстве между электродами вакуумного разрядника проводящую среду, достаточно достигнуть интенсивности порядка 10-10 Вт/см в пятне фокусировки [3]. Указанное техническое решение упрощает проблему компактности коммутирующего устройства в целом, т.к. снижается на два порядка величины требуемый уровень энергии лазерного излучения при той же длительности его импульса, следовательно, снижается на два порядка величины уровень энергии, первоначально запасаемой в импульсном источнике, питающем систему накачки лазера, следовательно, становится возможным значительно уменьшить размеры системы, обеспечивающей поджиг разряда.
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 Н01J 17/64, 25.05.2012. Данное техническое решение принято в качестве прототипа. Недостатком данного устройства является, во-первых, то обстоятельство, что наличие проводящего острия значительно снижает электрическую прочность межэлектродного промежутка и повышает вероятность неконтролируемого пробоя межэлектродного промежутка. Во-вторых, наличие острия снижает надежность устройства и стабильность его работы, 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, и, следовательно, будут постоянно изменяться условия развития разряда, например время задержки между моментом воздействием излучения на катод и моментом образования проводящего канала между электродами.
8
10
2
Задачей полезной модели является создание вакуумного электроразрядного коммутирующего устройства, отличающегося надежным и стабильным срабатыванием и обеспечивающего минимальную эрозию элементов данного устройства в результате воздействия сфокусированного управляющего оптического излучения импульсного источника. Коммутирующее действие предлагаемого устройства основано на создании токопроводящей среды в межэлектродном промежутке разрядника за счет заполнения плазмой, возникающей под действием импульса управляющего сфокусированного оптического излучения импульсного источника на внутреннюю поверхность диэлектрической оболочки разрядника при достигаемой интенсивности порядка 10-10 Вт/см в пятне фокусировки.
Технический результат заключается в повышении надежности и стабильности работы и в увеличении ресурса разрядника.
Технический результат достигается тем, что в вакуумном разряднике, включающем герметичную диэлектрическую оболочку, содержащую коаксиальную электродную систему, состоящую из двух электродов, оптически прозрачное окно для ввода управляющего сфокусированного импульсного оптического излучения по оси симметрии разрядника, причем каждый из электродов выполнен со сквозным отверстием для пропуска управляющего излучения, отверстия расположены на оси симметрии разрядника. Герметичная диэлектрическая оболочка выполнена из корунда, а управляющее излучение фокусируется не на поверхности электрода, а на внутренней поверхности герметичной оболочки на оси разрядника за пределами межэлектродного промежутка. Оболочка откачана до давления остаточных газов, обеспечивающего электропрочность коммутируемого промежутка до срабатывания разрядника.
2
3
Предложенное техническое решение позволяет одновременно обеспечить высокую электропрочность межэлектродного промежутка, увеличить надежность и стабильность работы всего устройства за счет отказа от использования катода с острием, увеличить ресурс разрядника за счет уменьшения потока вещества, напыляемого на внутреннюю поверхность прозрачного окна в корпусе разрядника, предназначенного для ввода управляющего оптического излучения, за счет замены элемента конструкции, изготовленного из соответствующего материала и подвергающегося воздействию управляющего излучения. Замена материала, поверхность которого подвергается воздействию управляющего оптического излучения, а именно, замена металлического сплава на основе вольфрама (XV) на диэлектрик корунд (А1O) приводит к следующим последствиям. Толщина пленки, напыляемой на внутреннюю поверхность прозрачного окна в оболочке разрядника при однократном воздействии импульса управляющего оптического излучения, пропорциональна толщине поверхностного слоя, прогреваемого до температуры испарения (сублимации) под воздействием падающего на поверхность материала излучения. Толщину прогретого поверхностного слоя можно оценить следующим образом [5]:
А1
1/2
Δ(τχ), χ=λ/(ρс),
где Δ - толщина поверхностного прогретого слоя, τ - длительность импульса излучения, χ - коэффициент температуропроводности материала, λ - коэффициент теплопроводности материала, ρ и с - плотность и удельная теплоемкость материала. Подстановка численных значений указанных параметров [6, 7] дает результат
W
Al203
Δ/Δ≈5,
W
Аl203
где Δ и Δ - толщина поверхностного прогретого слоя в сплаве на основе вольфрама и в корунде, соответственно; т.е. толщина пленки, напыляемой на внутреннюю поверхность прозрачного окна в оболочке разрядника при однократном воздействии импульса управляющего оптического излучения на корунд примерно в 5 раз меньше, чем при воздействии такого же импульса на вольфрамовый сплав. Таким образом окно в оболочке разрядника выдержит примерно в 5 раз большее число срабатываний разрядника при воздействии излучения на корунд, не теряя необходимой прозрачности.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где 1 - герметичная диэлектрическая оболочка; 2 - оптически прозрачное окно; 3, 4 - электроды, 5 - импульсный источник управляющего оптического излучения, 6 - фокусирующий оптический элемент.
Вакуумный разрядник, управляемый сфокусированным оптическим излучением импульсного источника, состоит из герметичной оболочки 1, изготовленной из корунда. Оболочка откачана до давления остаточных газов, обеспечивающего электропрочность коммутируемого промежутка до срабатывания разрядника. В оболочке имеется оптически прозрачное окно 2 для пропуска управляющего излучения от импульсного источника вдоль оси симметрии разрядника. Внутри оболочки находится коаксиальная электродная система, содержащая два электрода 3 и 4, в каждом из которых имеется сквозное отверстие по оси системы для пропуска управляющего излучения в направлении внутренней поверхности оболочки 1. В качестве импульсного источника управляющего излучения 5 может выступать, например, импульсный оптического квантовый генератор. Управляющее излучение фокусируется на внутренней поверхности оболочки 1.
Фокусировка управляющего излучения может осуществляться как при помощи фокусирующего оптического элемента 6 (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.
-3
-2
-9
-8
8
10
2
Вакуумный разрядник работает следующим образом. Излучение оптического диапазона, испускаемое импульсным источником, фокусируется на внутренней поверхности оболочки, выполненной из корунда. Диаметр пятна фокусировки, получаемого с помощью, например, собирающей линзы с фокусным расстоянием порядка нескольких сантиметров, составит несколько десятых [4]. При энергии излучения 10-10 Дж в импульсе длительностью 10-10 с, что обеспечивают коммерческие серийно выпускаемые компактные твердотельные оптические квантовые генераторы со светодиодной накачкой, плотность потока энергии излучения на внутренней поверхности оболочки разрядника может быть доведена до уровня 10-10 Вт/см. При таком уровне интенсивности излучения, падающего на внутреннюю поверхность оболочки разрядника, и под его воздействием на материал оболочки происходит образование плазмы, которая, распространяясь в пространстве, создает проводящую среду между электродами, осуществляя коммутацию разрядника.
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. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1974. С.239.
5. Асюнин В.И. и др. Воздействие импульсного вакуумно-дугового разряда на поверхность элементов разрядного устройства // Письма в ЖТФ. 2016, Т. 42, Вып.7, С.65-72.
6. Таблицы физических величин. Справочник. / Под ред. акад. И.К. Кикоина. - М., Атомиздат,1976. - с.56-66, 142-165,256-231.
7. Физические величины: Справочник. / А.П. Бабичев, Н.А.Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.С. Мелихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С.99-110, 197-220, 337-363.