ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК
GAS-FILLED DISCHARGE DEVICE

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников для коммутации цепей сильноточных ускорителей заряженных частиц.
Известен газонаполненный разрядник (Капишников Н.К. Высоковольтный управляемый разрядник с широким диапазоном рабочих напряжений // ПТЭ №1, 1991 г., с.155-158), содержащий два основных и один управляющий электроды. Один из основных электродов неподвижен, а другой имеет привод осевого (возвратно-поступательного) перемещения в виде упругой пружины-диафрагмы, примыкающей к торцу регулировочной камеры. Перемещение электрода осуществляется путем изменения давления газа в регулировочной камере и обеспечивает широкий диапазон напряжений срабатывания разрядника.
Недостатком аналога является высокая сложность обеспечения заданного давления газа в регулировочной камере и малый ресурс работы пружины-диафрагмы (200 циклов регулирования).
Наиболее близким к заявляемому является газонаполненный разрядник разборной конструкции (Князев В.М. Разрядник для работы с искровыми камерами, ПТЭ №2, 1970 г., с.118-120), содержащий диэлектрический корпус, два основных электрода, расположенных соосно друг напротив друга внутри корпуса и электрически отделенных друг от друга изолятором (диэлектрическим корпусом), механизм возвратно-поступательного перемещения одного из электродов вдоль оси разрядника, диэлектрический фланец, закрепленный на торце корпуса. Широкий диапазон напряжений срабатывания разрядника обеспечивается, как и в аналоге, путем изменения величины межэлектродного зазора при осевом перемещении подвижного электрода. Механизм возвратно-поступательного перемещения подвижного электрода выполнен в виде винтовой пары, приводимой в движение длинным шестигранным стержнем с закрепленным на его конце штурвалом.
Недостатками прототипа являются его большие габариты, высокое значение собственной индуктивности, малый ресурс работы, низкая технологичность изготовления деталей винтовой пары подвижного электрода и наличие люфтов в механизме возвратно-поступательного перемещения, приводящих к высокой погрешности установки необходимого напряжения срабатывания.
Задачей данного изобретения является создание удобного в работе, максимально простого в обслуживании и ремонте, стабильного газового разборного разрядника с регулируемым напряжением срабатывания и высоким ресурсом работы.
Техническим результатом является:
- уменьшение габаритов;
- устранение люфтов механизма перемещения электрода;
- повышение технологичности изготовления;
- повышение удобства эксплуатации;
- снижение собственной индуктивности;
- увеличение ресурса работы.
Технический результат достигается тем, что в газонаполненном разряднике, содержащем два электрода, расположенных соосно друг напротив друга внутри корпуса и электрически отделенных друг от друга изолятором, а также закрепленный на торце корпуса через диэлектрический фланец механизм возвратно-поступательного перемещения одного из электродов вдоль оси разрядника, новым является то, что корпус выполнен металлическим, а механизм перемещения содержит два одноплечих и два двуплечих Г-образных рычага, попарно связанных друг с другом и с фланцем, ходовой винт, перпендикулярный оси разрядника и связанный с концами двуплечих рычагов посредством поворотных втулок, и выносную диэлектрическую рукоятку, жестко связанную с ходовым винтом, при этом подвижный электрод закреплен на подпружиненном штоке и электрически соединен с корпусом при помощи металлической мембраны.
Выполнение корпуса разрядника в виде металлического цилиндра и электрическое соединение подвижного электрода с корпусом посредством тонкой металлической мембраны позволяет существенно снизить индуктивность разрядника за счет частичного компенсирования магнитных полей токоподводов подвижного и неподвижного электродов.
Использование в механизме перемещения двух одноплечих и двух двуплечих Г-образных рычагов, попарно связанных друг с другом и с фланцем, и применение ходового винта, связанного с концами двуплечих рычагов посредством поворотных втулок, приводит к повышению технологичности изготовления и сборки деталей механизма, а также к повышению ресурса его работы. В прототипе имеются детали, требующие больших трудозатрат для их изготовления, такие, например, как втулка с глубоким шестигранным отверстием.
Выполнение штока, на котором закреплен подвижный электрод, подпружиненным позволяет ликвидировать люфты в механизме возвратно-поступательного перемещения, что позволяет существенно снизить погрешность установки межэлектродного зазора и соответствующего ему напряжения срабатывания разрядника.
Закрепление механизма перемещения на диэлектрическом фланце позволяет предотвратить протекание больших импульсных токов через детали механизма, что могло бы привести к его заклиниванию или преждевременному износу.
Расположение ходового винта перпендикулярно оси разрядника позволяет сократить длину разрядника и упростить его конструкцию, так как не требуется принятия мер против проворачивания штока с подвижным электродом вокруг оси.
Выносная диэлектрическая рукоятка способствует повышению удобства и безопасности эксплуатации разрядника, поскольку позволяет находиться оператору на безопасном расстоянии от деталей разрядника, находящихся под высоким потенциалом.
Замена диэлектрического корпуса на металлический позволяет повысить надежность герметичного соединения деталей разрядника и значительно упростить операции его сборки и разборки.
На фиг.1 изображена конструкция заявляемого разрядника, где
1 - корпус;
2 и 3 - неподвижный и подвижный электроды;
4 - неподвижный шток;
5 - изолятор;
6 - подвижный шток;
7 - диэлектрический фланец;
8 - металлическая мембрана;
9 - одноплечие рычаги;
10 - двуплечие Г-образные рычаги;
11 - ходовой винт;
12 - поворотная втулка;
13 - поворотная резьбовая втулка;
14 - диэлектрическая рукоятка;
15 - пружина.
На фиг.2 представлена фотография разобранного разрядника в примере конкретного выполнения.
Представленный на фиг.1 газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1, в котором расположены неподвижный и подвижный электроды 2 и 3, которые образуют межэлектродный рабочий зазор. Неподвижный электрод 2 закреплен на штоке 4, проходящем через изолятор 5. Подвижный электрод 3 закреплен на штоке 6; этот шток имеет возможность осевого перемещения в диэлектрическом фланце 7. При этом электрически электрод 3 соединен с корпусом 1 посредством тонкой металлической мембраны 8. Центральная часть мембраны жестко связана со штоком 6, а периферийный участок закреплен в корпусе 1. При перемещениях электрода 3 происходит упругая деформация мембраны, которая не приводит к ее разрушению. Поэтому такое соединение не препятствует осевым перемещениям подвижного электрода, но, вместе с тем, позволяет сократить путь тока через разрядник; кроме того, магнитные поля, создаваемые при протекании рабочего тока разрядника через корпус 1 и шток 4, имеют противоположные направления и потому частично компенсируют друг друга; в сочетании с уменьшением длины пути тока через разрядник это позволяет снизить его индуктивность в несколько раз по сравнению с прототипом.
Изолятор 5 и диэлектрический фланец 7 герметично установлены в корпусе 1. Перемещение электрода 3 производится при помощи винторычажного механизма, который содержит два одноплечих рычага 9 и два двуплечих Г-образных рычага 10, попарно связанных друг с другом и с диэлектрическим фланцем 7, ходовой винт 11, перпендикулярный оси разрядника и связанный с концами двуплечих рычагов посредством поворотных втулок 12 и 13, и выносную диэлектрическую рукоятку 14, жестко связанную с ходовым винтом 11. Шток 6, на котором закреплен подвижный электрод 3, отжимается от фланца 7 при помощи пружины 15; при этом выбираются все люфты механизма в шарнирных соединениях рычагов и винтовом соединении. Компенсация люфтов обеспечивает высокую точность установки межэлектродного зазора и соответствующего ему напряжения срабатывания разрядника.
Работает заявляемый газонаполненный разрядник следующим образом. При включении его в цепь сильноточного ускорителя к электродам 2 и 3 (через шток 4 и корпус 1 соответственно) подается высокое напряжение. Как правило, это напряжение создается на энергозапасающем конденсаторе, заряжаемом от высоковольтного источника питания. В межэлектродном промежутке разрядника возникает электрическое поле, напряженность которого определяется величиной приложенного напряжения, величиной межэлектродного зазора и конфигурацией электрического поля в зазоре. Когда напряженность поля достигает пробивной для данного рода газа, создаются условия для быстрого формирования канала разряда. При этом происходит перемыкание межэлектродного промежутка, вследствие чего энергозапасающий конденсатор подключается к низкоомной нагрузке. Разрядник может работать как в режиме одиночных включений, так и в частотном режиме. При необходимости изменить напряжение срабатывания разрядника производится поворот диэлектрической рукоятки 14 на определенный угол. При правом вращении рукоятки 14 ходовой винт 11 вкручивается в резьбовую втулку 13; при этом втулки 12 и 13 сжимают верхние концы двуплечих рычагов 10, а нижние концы рычагов надавливают на хвостовик штока 6, преодолевая сопротивление возвратной пружины 15; шток 6 с электродом 3 перемещается навстречу электроду 2, что приводит к уменьшению межэлектродного зазора и уменьшению напряжения пробоя. Соответственно при левом вращении рукоятки 14 происходит увеличение межэлектродного зазора.
В примере конкретного выполнения был изготовлен газонаполненный разрядник, фотография которого приведена на фиг.2. Корпус 1 разрядника, штоки 4 и 6 изготовлены из нержавеющей стали, электроды 2 и 3 - из молибдена, мембрана 8 - из алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,2 мм, изолятор 5 - из органического стекла, диэлектрический фланец 7 и рукоятка 14 - из капролона, пружина 15 - из пружинной стали, остальные детали - из стали 10. Диаметр разрядника 100 мм, длина с учетом механизма регулировки зазора - 200 мм.
Зависимость межэлектродного зазора от угла поворота рукоятки 14 в разряднике оказалась практически линейной и равна 0,35-0,38 мм на один оборот рукоятки;
максимальный зазор достигал 5,3 мм при точности его установки ±0,05 мм. При наполнении разрядника азотом под избыточным давлением 0,1 МПа (1 атм) напряжение срабатывания регулировалось от 0 до 20 кВ. Диэлектрическая рукоятка обеспечивает безопасность при работе с разрядником, находящимся под высоким потенциалом. Индуктивность разрядника около 30 нГн. Разрядник проверялся на ресурс работы в частотном режиме (емкость конденсатора разрядного контура 3 мкФ, напряжение срабатывания разрядника 10 кВ, амплитуда тока в контуре до 8 кА, частота следования импульсов около 3 Гц).
После электрических испытаний были проведены испытания на износ механизма регулировки межэлектродного зазора, для чего производилось многократное увеличение зазора от 0 до 4 мм и последующее его уменьшение от 4 мм до 0. После 500000 срабатываний разрядника и 1000 циклов регулировки зазора механизм функционировал нормально, без заеданий и люфтов. Разрядник меньше по габаритам, чем его прототип, технологичнее в изготовлении, удобнее в эксплуатации, имеет значительно меньшую индуктивность и более высокий ресурс работы.