УПРАВЛЯЕМЫЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к области импульсной техники, к формированию импульсов токов и напряжения, а именно к управляемым разрядникам для коммутации больших токов, для использования в качестве коммутаторов емкостных накопителей энергии.
Известен управляемый разрядник, содержащий установленные в герметичном изоляционном корпусе противостоящие анод и катод, внутри камеры установлены пьезодатчики, в котором один из электродов выполнен клиновидной формы. Патент на изобретение RU 2302053, H01J 7/64, 27.06.2007. Электрод имеет большую площадь, а его клиновидность не дает высокого выхода электронов.
Известен разрядник с лазерным управлением, содержащий корпус, в котором установлены два противостоящих электрода, один из электродов имеет сквозное отверстие, в котором на пути прохождения луча лазера установлено прозрачное окно для ввода луча лазера. Окно закрыто металлизированной пленкой для создания лавинного потока. Авторское свидетельство SU 1641161, H01T 1/20, 15.04.1994. Недостатком указанного разрядника является наличие лавинного потока, напыляющего электроды и стенки корпуса разрядника, что приводит к аномальным пробоям.
Известны разрядники двухэлектродные, реже трехэлектродные, выполненные в стеклянном или в металлокерамическом корпусе. В них обычно использованы активные катоды: оксидированный или торированный вольфрам; никель, покрытый калием или барием; сплавы вольфрама, никеля и окиси бора или молибдена и вольфрама. Выпускается сплав ВНБ-3 в виде вольфрамового прутка составом: W - 92%; Ni - 4,5%; остаток - окись бора (СУО 021 048-722 ТУ, 1972). Катод из сплава ВНБ-3 имеет малую распыляемость и малую работу выхода. Применяют также чистые металлы: вольфрам, нержавеющую сталь, молибден, алюминий (Шустов М.А., Протасевич Е.Т. Теория и практика газоразрядной фотографии. - Томск: Изд-во ТПУ, 2001. - С. 102-103).
Недостатком указанного разрядника, имеющего плоский катод, является низкая эффективность.
Известен также управляемый разрядник, содержащий корпус, в котором расположены: окно для ввода лазерного излучения; анод с отверстие в центре для пропускания лазерного излучения; катод, выполненный из сплава ВНБ-3, содержащего вольфрам 92%, никель 4,5% и окись бора 3,5%, и имеющий в центре острие, а также лазер и собирающую линзу для фокусировки лазерного излучения на острие катода. Патент на полезную модель RU 119935, H01J 17/64, 27.08.2012. Недостатком указанной полезной модели является низкая стабильность характеристик разрядника. Так как всегда присутствуют угловые ошибки юстировки оптической схемы лазера и разрядника, возможен уход лазерного луча частично или полностью на боковую поверхность острия. Это приводит к увеличению площади пятна лазерного излучения на катоде и к уменьшению плотности мощности лазерного излучения, поглощенного катодом. В свою очередь, уменьшение плотности мощности лазерного излучения на катоде будет приводить к увеличению времени задержки между фронтом лазерного импульса и фронтом импульса тока разрядника, к уменьшению крутизны фронта импульса тока разрядника. В ряде схем эти характеристики разрядника являются критическими. При уменьшении плотности мощности лазерного излучения на катоде ниже пороговой возможен срыв разряда.
Известен также управляемый разрядник, содержащий лазер, фокусирующую линзу, корпус, в котором расположены прозрачное окно для ввода луча лазера, катод из сплава ВНБ-3, выполненный в виде усеченного конуса, имеющего плоскую площадку, диаметр которой определяют по формуле
ПЛ
где d - диаметр площадки катода;
ƒ - фокусное расстояние линзы;
Q - угол расходимости лазерного излучения;
φ
σ - среднеквадратическая ошибка угла юстировки;
P - вероятность попадания всего лазерного луча в площадку катода, и анод, имеющий отверстие, диаметр которого определяют по уравнению
otv
где d - диаметр отверстия в аноде;
ПЛ
d - диаметр площадки катода;
h - расстояние от верхней плоскости анода до площадки катода;
Л
d - выходной диаметр луча лазера;
ƒ - фокусное расстояние линзы.
Патент РФ на полезную модель RU 155327, H01J 17/64, 10.10.2015. Данное техническое решение принято в качестве прототипа. Недостатком прототипа является отсутствие автоматического контроля юстировки оптической схемы разрядника, что может привести к постепенному ухудшению его характеристик. Нарушение юстировки оптической схемы разрядника под действием неблагоприятных эксплуатационных факторов, таких, как вибрации, перепады температуры и др. приводит, к тому, что лазерный луч будет частично попадать на поверхность анода. Это приведет к уменьшению плотности энергии лазерного излучения на катоде и, как следствие, к увеличению времени задержки между фронтом лазерного импульса и фронтом импульса тока разрядника, к уменьшению крутизны фронта импульса тока разрядника. Для обнаружения постепенного ухудшения характеристик разрядника требуется их постоянный контроль в процессе эксплуатации, что не всегда возможно, так как управляемый разрядник может годами эксплуатироваться в составе физической установки.
Предлагаемая полезная модель устраняет указанный недостаток.
Техническим результатом полезной модели является реализация автоматической регистрации факта нарушения юстировки оптической схемы разрядника, что позволит предотвратить постепенное ухудшение его характеристик.
Технический результат достигается тем, что в управляемом разряднике, содержащем лазер, фокусирующую линзу и корпус, в котором расположены окно для ввода излучения лазера, катод, выполненный из сплава ВНБ-3 в виде усеченного конуса, имеющего плоскую площадку, диаметр которой определяют по формуле
,
ПЛ
где d - диаметр площадки катода;
ƒ - фокусное расстояние линзы;
Q - угол расходимости лазерного излучения;
φ
σ - среднеквадратическая ошибка угла юстировки;
P - вероятность попадания всего лазерного луча в площадку катода, анод, выполненный с отверстием, диаметр которого определяют по уравнению
,
otv
где d - диаметр отверстия в аноде;
h - расстояние от верхней плоскости анода до площадки катода;
Л
d - выходной диаметр луча лазера;
ƒ - фокусное расстояние линзы, вплотную к окну на расстоянии от его края, рассчитываемом по уравнению
,
pr
где L - расстояние от края окна до фотоприемника;
okn
r - радиус окна для ввода излучения лазера;
a
L - расстояние от внешней поверхности окна до поверхности анода, направленной к катоду;
a
h - толщина анода, размещают фотоприемник, соединенный с регистрирующим устройством.
a
otv
1
a
okn
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично представлен разрядник с лазерным управлением, где: 1 - лазер, 2 - собирающая линза, 3 - корпус, 4 - окно для ввода лазерного излучения, 5 - катод из сплава ВНБ-3 в виде усеченного конуса, имеющего плоскую площадку, диаметр которой рассчитывают по уравнению (1), 6 - анод, выполненный с отверстием в центре, диаметр которого рассчитывают по уравнению (2), 7 - фотоприемник, 8 - регистрирующее устройство. Поверхность анода 6, обращенную к окну 4 предварительно обрабатывают любым известным способом, обеспечивающим высоту неровностей поверхности соизмеримой с длиной волны лазера и обеспечивающей диффузное отражение лазерного излучения. На чертеже также показаны: AB=h - толщина анода, BC=d - диаметр отверстия в аноде; AB=L - расстояние от внешней поверхности окна 4 до поверхности анода 6, обращенной к катоду 5, DE=r - радиус окна 4.
1
Фотоприемник 7 располагают вплотную к входному окну 4 и соединяют с регистрирующим устройством 8. В случае нарушения юстировки оптической схемы разрядника фотоприемник 7 принимает диффузно отраженное от поверхности анода лазерное излучение и выдает электрический сигнал на регистрирующее устройство 8, которое выдает сигнал о том, что требуется юстировка оптической схемы разрядника. Для предотвращения ложного срабатывания фотоприемника 7 при отражении лазерного излучения от катода 5 и плазменного канала между анодом 6 и катодом 5 при срабатывании разрядника фотоприемник 7 должен находиться в «тени» анода 6. Из чертежа видно, что фотоприемник 7 должен находиться между точками C и E.
1
1
Рассмотрим обозначенные на чертеже треугольники ABC и ABC, которые являются подобными. Легко видеть, что
1
Используя уравнение (3), найдем длину отрезка CE
pr
Следовательно, фотоприемник 7 должен быть размещен на расстоянии L от края окна 4, рассчитываемому по уравнению
φ
ПЛ
Л
otv
a
a
okn
pr
-3
Пример расчета. Для P=0,99, σ=Q=10 и ƒ=10 см по формуле (1) получим d=0,07 см. Примем h=1,5 см, d=0,5 см. Тогда по формуле (2) получим d=0,1345 см. Примем h=0,5 см, L=3 см, r=1,5 см. По формуле (5) получим L≤0,76 см.
Разрядник работает следующим образом. До начала работы разрядника включают лазер 1. Площадка катода 5 из сплава ВНБ-3 является точкой фокусировки лазерного луча. Луч лазера 1 собирающей линзой 2 фокусируется на площадку катода 5 из сплава ВНБ-3. При подаче импульса излучения от лазера 1 через окно 4 на катоде 5 формируются пробойные процессы. Катод 3 в виде усеченного конуса увеличивает напряженность поля, уменьшает работу выхода электрона из материала в зоне эмиссии, приводит к росту плотности термоэлектронов, обеспечивающих формирование пробойных процессов в основном межэлектродном промежутке разрядника. После формирования проводящего плазменного канала между анодом 6 и катодом 5 происходит передача энергии из емкостного накопителя в нагрузку. Изменения положения лазерного луча на площадке катода от разряда к разряду вследствие ошибок юстировки или ее нарушения из-за воздействия на разрядник неблагоприятных эксплуатационных факторов не приводят к выходу луча на боковую поверхность катода с высокой наперед заданной вероятностью, что обеспечивает высокую стабильность характеристик разрядника. Если происходит существенное нарушение юстировки и лазерный луч частично попадает на анод 6, диффузно отраженное поверхностью анода 6 лазерное излучение попадает на фотоприемник 7, который выдает электрический сигнал на устройство регистрации 8.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели осуществляется автоматическая регистрация факта нарушения юстировки оптической схемы разрядника, что предотвращает ухудшение характеристик разрядника.