ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к газоразрядной технике и может быть использована при разработке высоковольтных приборов, например, разрядников-обострителей с субнаносекундной коммутацией, для использования в мощных малогабаритных генераторах высоковольтных импульсов напряжения с длительностью фронта менее 0,5 нс.
Известен газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса и изолятора, два электрода, один из которых закреплен на металлическом корпусе, а другой на изоляторе, выполненном в виде полого тела вращения (усеченного конуса) и размещенного внутри металлического корпуса, при этом одно основание изолятора соединено с торцом корпуса, а другое, на котором закреплен электрод, обращено в сторону второго электрода и вывод электрода, проходящий внутри изолятора [Авт. свидетельство СССР №360886, H01J 17/18, 1973 г.].
Данный разрядник имеет большую механическую прочность, что позволяет наполнять его газом до давления порядка единиц МПа. Высокое давление газа при малых межэлектродных расстояниях в такой конструкции обеспечивает время коммутации в пределах единиц не. Недостатком разрядника является низкая электрическая прочность из-за неравномерного распределения потенциала электрического поля вдоль образующей конической поверхности изолятора, обусловленного неоптимальными размерами и взаимным расположением элементов разрядника. К недостаткам разрядника следует также отнести недостаточную механическую прочность при формировании амплитуды импульса порядка 200 кВ и выше с длительностью фронта порядка 0,2-0,3 нс, что может быть получено при давлении более 10 МПа. Кроме того, конструкция, имеющая один высоковольтный вывод при использовании его в генераторах высоковольтных импульсов с субнаносекундными фронтами, не позволяет сделать развязку входа и выхода, т.е. высоковольтные импульсы подаются на вход генератора, имеющий гальваническую связь с высоковольтным выводом разрядника через центральную жилу коаксиала со стороны нагрузки. Наличие второй цепи генератора для зарядки его емкостного накопителя энергии параллельной его нагрузки приводит к искажению ТЕМ-волны из-за рассогласования и затягивания фронта выходного импульса.
Известен также газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана и размещенного в нем изолятора в виде полого усеченного конуса, два соосных электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, внутри которого проходит осевой вывод второго электрода. В разряднике образован дополнительный объем, ограниченный дном цилиндрического стакана и продолжением его цилиндрической части за дном стакана, в который введен второй изолятор в виде полого усеченного конуса с большим основанием, соединенным с краем продолжения цилиндрической части стакана и меньшим основанием, обращенным внутрь объема. Осевой вывод второго электрода гальванически соединен с расположенным во втором изоляторе вторым осевым выводом через отверстия в дне цилиндрического стакана посредством проводников, каждый из которых проходит через отверстие, образуя зазор, обеспечивающий электрическую прочность разрядника [Патент РФ №2379781 С1, H01J 17/02, 06.10.2010 г]
Такая конструкция газонаполненного разрядника позволяет создать газонаполненный разрядник с раздельными входом и выходом, для формирования высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундными фронтами (менее 1 нс).
В таком разряднике происходит одноканальный искровой пробой по оси прибора с достаточно большой величиной индуктивности искрового канала, что ограничивает быстродействие разрядника.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели разрядника является разрядник с коаксиальным расположением электродов, содержащий цилиндрический электропроводящий корпус, на внутренней поверхности которого закреплен внешний электрод, имеющий форму тора, два изолятора с центральным отверстием, через которые проходит электропроводящий стержень с закрепленным на нем внутренним электродом, имеющим форму диска и расположенным относительно внешнего электрода таким образом, что они образуют искровой разрядный промежуток в виде кольца [Патент РФ №64822, Н01J 17/00, 2007 г. - прототип]
В такой конструкции газонаполненного разрядника соотношение диаметров электропроводящих корпуса и стержня обеспечивает согласование разрядника с коаксиальной линией передачи генератора по волновому сопротивлению с одновременной развязкой входа и выхода генератора.
Кольцевой обостряющий разрядник при выполнении условий многоканальной коммутации обеспечивает минимальное сопротивление и минимальную индуктивность разрядника, что позволяет получить высоковольтные импульсы напряжения с длительностью переднего фронта менее 0,5 нс. Однако при формировании высоковольтных импульсов напряжения свыше 200 кВ с субнаносекундными фронтами сложно обеспечить равномерный по периметру искровой зазор величиной порядка 1 мм, что мешает реализации многоканальной коммутации. В такой конструкции при невыполнении равномерности искрового зазора по периметру кольца разряд привязывается к одной точке с наименьшим зазором, что приводит к искажению ТЕМ -волны и затягиванию фронта импульса. Также конструкция данного разрядника непригодна для формирования высоковольтного импульса напряжения с амплитудой свыше 200 кВ и субнаносекундной длительностью, т.к. в этом случае разрядник следует наполнять водородом с давлением порядка нескольких единиц МПа. Конструкция не обладает достаточной жесткостью, так как изоляторы прибора выбранной конфигурации, обладающие меньшей механической прочностью по сравнению с другими деталями разрядника, при наполнении рабочим газом испытывают усилия на растяжение, что значительно снижает механическую прочность разрядника. Еще одним из существенных недостатков данной конструкции разрядника является узкий диапазон изменения допустимых рабочих температур из-за жесткой связи изоляторов электропроводящим стержнем по оси разрядника. При нагревании разрядника в процессе работы или от воздействия температуры окружающей среды в местах соединения изоляторов с корпусом и с электропроводящим стержнем возникают внутренние напряжения, приводящие к снижению механической прочности.
Задачей данной полезной модели является создание газонаполненного разрядника с кольцевым разрядным промежутком, имеющего малое время коммутации (менее 0,5 нс) с развязкой входной и выходной цепей при формировании высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундной длительностью за счет увеличения механической прочности и обеспечения равномерности кольцевого разрядного промежутка.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном газонаполненном разряднике содержащем цилиндрический электропроводящий корпус, с закрепленным на нем внешним электродом, имеющим форму тора, два герметично соединенные с краями электропроводящего корпуса изолятора с центральным отверстием, через которые проходит электропроводящий стержень с закрепленным на нем внутренним электродом, дискообразной формы, образующий с внешним электродом искровой разрядный промежуток в виде кольца, изоляторы выполнены в виде полых усеченных конусов, расположенных внутри электропроводящего корпуса и соединенных большими основания с его краями, а электропроводящий стержень состоит из двух осевых выводов, каждый из которых проходит внутри соответствующего ему изолятора и соединен с его меньшим основанием, при этом внутренний электрод расположен на торцевой поверхности меньшего основания одного из изоляторов и соединен с проходящим внутри него осевым выводом, который гальванически связан со вторым осевым выводом посредствам цангового соединения
Такая конструкция разрядника обладает высокой механической прочностью, т.к. изоляторы, выполненные в виде усеченных конусов, при наполнении рабочим газом (водородом) высокого давления испытывают усилия на сжатие и имеют практически десятикратный запас прочности по сравнению с усилиями на растяжение. Цанговое соединение между осевыми выводами снимает напряжения в конструкции разрядника при температурном воздействии из-за имеющейся свободы перемещения вдоль оси прибора.
Предлагаемая конструкция разрядника позволяет наполнять приборы до давления более 10 МПа, что необходимо при формировании амплитуды импульса напряжения порядка 200 кВ и выше с длительностью фронта порядка 0,2-0,3 нс и обеспечивает равномерность кольцевого разрядного промежутка.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле на полезную модель.
Следовательно, заявленная полезная модель отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.
Заявленное техническое решение поясняется чертежом.
На фиг. 1 показан один из вариантов предлагаемого газонаполненного разрядника с кольцевым разрядным промежутком.
Разрядник состоит из электропроводящего цилиндрического корпуса 1, на внутренней поверхности которого закреплен внешний электрод 2, имеющий форму тора, двух изоляторов 3 и 4, выполненных в виде полых усеченных конусов и расположенных внутри электропроводящего корпуса 1 по оси прибора так, чтобы их большие основания были герметично связаны с краями корпуса 1, двух осевых выводов 5 и 6, проходящих внутри изоляторов, один из которых 5 соединен с меньшим основанием изолятора 3 и внутренним электродом 7 в виде диска со скругленными краями и расположенным относительно внешнего электрода с образованием разрядного промежутка в виде кольца, другой вывод 6 соединен с меньшим основанием второго изолятора 4 и имеет гальваническую связь с другим выводом 5 посредством цангового соединения 8 по оси прибора.
Работает газонаполненный разрядник следующим образом.
В результате подачи высоковольтных импульсов напряжения на осевой вывод 6, гальванически соединенный с осевым выводом 5 посредством цангового соединения 8 по оси прибора, происходит зарядка емкостной накопительной линии совместно с емкостью основного межэлектродного промежутка, при пробое которого в нагрузке выделяется импульс напряжения с формой импульса напряжения зависящей от коммутационных характеристик разрядника и элементов разрядного контура. К краю внутреннего электрода 7 фронт импульса подходит одновременно по всему периметру кольцевого разрядного промежутка и при соблюдении условия равномерности зазора происходит пробой в нескольких местах и образуются несколько проводящих каналов, что позволяет значительно сократить время коммутации разрядника и получить фронт импульса напряжения менее 0,5 нс.
Таким образом, предлагаемая конструкция разрядника с коаксиальным расположением электродов позволяет создать газонаполненный разрядник с раздельными входом и выходом для формирования высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундными фронтами (менее 0,5 нс).