ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК
GAS-FILLED DISCHARGER

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников-обострителей для малогабаритных импульсных генераторов рентгеновских и электронных пучков и импульсов высокого напряжения наносекундной длительности.
Известен газонаполненный разрядник (авторы Авилов Э.А., Воинов Б.А. и Юрьев А.Л., а.с. №2120153, кл. МПК 6 H01J 17/02, опубл. 10.10.98 г.), содержащий, по меньшей мере, один электрод, расположенный на меньшем основании конического изолятора, и дисковую манжету, одна поверхность которой соединена с торцевой поверхностью конического изолятора, а другая соединена с внутренней плоской поверхностью электрода.
Недостатком этого разрядника является ограничение его диаметра до 50 мм, при котором еще возможно проведение качественной пайки металлокерамического узла. Это ограничение вызвано большой жесткостью дисковой манжеты и резким возрастанием механических напряжений в паяном шве малого основания изолятора при увеличении диаметра шва. В результате рабочее напряжение пробоя такого разрядника не может превышать 220 кВ.
Наиболее близким к заявляемому является "Газонаполненный искровой разрядник" (авторы Белкин Н.В., Гольченко А.Н., Меркулов Б.П., а.с. №1804263, кл. МПК 6 H01T 2/02, опубл. в Бюл. №27, 27.09.96 г.), содержащий металлический корпус в виде стакана с отбортовкой, соосно установленные в нем два электрода и конический полый изолятор. Один из электродов закреплен на внутреннем торце корпуса. На малом основании изолятора закреплены второй электрод и экран, закрывающий выступы деталей с острыми кромками в месте соединения деталей с изолятором. Большим основанием изолятор закреплен на отбортовке корпуса. Закрепление электрода на изоляторе произведено посредством пайки через тонкую коваровую манжету, что при обеспечении надежного спая позволяет увеличить диаметр разрядника до 150-200 мм.
Недостатками прототипа является следующее:
- большое отношение диаметра корпуса к рабочему напряжению разрядника по сравнению с аналогом (у аналога этот параметр равен К=50 мм/220 кВ = 0.23 мм/кВ; у прототипа К=80 мм/300 кВ = 0.27 мм/кВ, т.е. примерно на 20% больше), что приводит к существенному возрастанию габаритов и массы малогабаритных импульсных генераторов, создаваемых на базе таких разрядников;
- экран выполнен в виде цилиндра со округлениями на краях, что приводит к высокому значению напряженности электрического поля на этих округлениях и пробоям с экрана на корпус разрядника при уменьшении диаметра корпуса или использовании рабочего газа с пониженной электропрочностью, например водорода. Этот газ перспективен для применения в малогабаритных разрядниках, поскольку имеет малое время восстановления электропрочности и позволяет на порядок повысить частоту повторения срабатываний по сравнению с азотом, элегазом и т.п. Однако неправильная конструкция экрана приводит к пробоям с экрана на корпус разрядника, увеличению разброса напряжения срабатывания разрядника и уменьшению ресурса его работы.
При создании данного изобретения решалась задача создания компактного надежного малогабаритного разрядника с высокими значениями стабильности напряжений пробоя и ресурса работы при заполнении его рабочим газом с пониженной по сравнению с азотом и элегазом электропрочностью, например водородом.
Техническим результатом является повышение электропрочности зазора между экраном и внутренней стенкой корпуса за счет снижения напряженности электрического поля на участке поверхности экрана, обращенном к внутренней стенке корпуса.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газонаполненным разрядником, содержащим металлический корпус в виде стакана с отбортовкой, соосно установленные в нем, по меньшей мере, два электрода, экран и конический полый изолятор, большое основание которого закреплено на отбортовке корпуса, а малое соединено с одним из электродов через тонкую манжету, другой электрод закреплен на внутреннем торце корпуса, новым является то, что наружная поверхность экрана содержит два сопряженных друг с другом участка поверхности тел вращения, образующая которых описывается формулами:
где R - радиальные координаты точек образующей;
Z - координаты точек образующей вдоль оси вращения;
f - аргумент, определяющий значения функций R и Z; -π/2≤f≤π/2;
D - наружный диаметр экрана;
Н - параметр, характеризующий высоту участка экрана;
R1 - радиальная толщина экрана;
k - показатель степени.
Выполнение экрана с поверхностью, описываемой по формулам (1) и (2), позволяет при заданных величинах D, Н и R1, определяемых конструкцией металлокерамического узла, и оптимальном выборе параметра k предельно снизить напряженность электрического поля на поверхности экрана. При k=1 формулы (1) и (2) описывают классический эллипсоид вращения. Изменение параметра k в большую или меньшую сторону относительно значения k=1 позволяет увеличивать радиус кривизны в зонах повышенной напряженности поля на различных участках поверхности экрана, что приводит к снижению напряженности до более безопасного уровня.
Выполнение экрана из двух сопряженных участков позволяет скомпенсировать различие в искажениях конфигурации электрического поля, вызванных расположением электрода на одном торце экрана и изолятора на другом. Это также способствует снижению напряженности поля на поверхности экрана.
Снижение напряженности электрического поля на поверхности экрана по сравнению с прототипом дает возможность уменьшить диаметр разрядника, использовать рабочий газ с пониженной по сравнению с азотом и элегазом электропрочностью (например, водород), повысить стабильность и ресурс разрядника.
На фиг.1 показана конструкция разрядника-прототипа, где:
1 - корпус;
2 - электрод, закрепленный на изоляторе;
3 - электрод, закрепленный на корпусе;
4 - экран;
5 - конический изолятор;
6 - тонкая манжета.
На фиг.2 показаны поверхности равного потенциала в разряднике-прототипе.
На фиг.3 показан график зависимости напряженности электрического поля на поверхности экрана и электрода разрядника-прототипа от расстояния вдоль образующей.
На фиг.4 показана конструкция заявляемого разрядника.
На фиг.5 показаны контуры экрана и электрода заявляемого разрядника; контур экрана получен расчетным путем по формулам (1) и (2).
На фиг.6 показаны поверхности равного потенциала в заявляемом разряднике.
На фиг.7 показан график зависимости напряженности электрического поля на поверхности экрана и электрода заявляемого разрядника от расстояния вдоль образующей.
Представленный на фиг.1 газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1 в виде стакана с отбортовкой, соосно установленные в нем два электрода 2 и 3, экран 4 и конический полый изолятор 5. Большое основание изолятора 4 закреплено на отбортовке корпуса 1, а малое соединено с электродом 2 через тонкую коваровую манжету 6. Электрод 3 закреплен на внутреннем торце корпуса.
При подаче высокого напряжения на разрядник-прототип в нем появляется электрическое поле. Одной из характеристик поля является распределение линий равного потенциала по объему разрядника (см. фиг.2). Сгущение линий равного потенциала на радиусных поверхностях вблизи точек А и Б означает наличие повышенной напряженности поля на них по сравнению с цилиндрическим участком экрана. На фиг.3 приведен график зависимости напряженности поля на поверхности экрана и электрода от расстояния вдоль образующей. График наглядно показывает, что напряженность поля на радиусных участках возрастает до 55 кВ/мм, а в межэлектродном зазоре - до 75 кВ/мм. Такие значения напряженностей поля достижимы только при использовании в качестве рабочего газа азота, элегаза и их смесей. Разрядники с водородным наполнением хорошо работают при более низких значениях напряженности поля в зазоре (не более 50 кВ/мм), поэтому заполнение водородом разрядника-прототипа приведет к пробоям с электрода на корпус, и, как следствие этого, к снижению стабильности и ресурса разрядника.
В заявляемом разряднике благодаря плавному изменению кривизны обоих участков поверхности экрана удалось снизить напряженность поля почти в 2 раза по сравнению с прототипом. На фиг.4 приведена конструкция заявляемого разрядника. Он так же, как и прототип, содержит металлический корпус 1 в виде стакана с отбортовкой, соосно установленные в нем два электрода 2 и 3, экран 4 и конический полый изолятор 5. Большое основание изолятора 5 закреплено на отбортовке корпуса 1, а малое соединено с электродом 2 через тонкую коваровую манжету 6. Электрод 3 закреплен на внутреннем торце корпуса.
Заявляемый разрядник работает следующим образом. При включении разрядника в разрядный контур импульсного высоковольтного генератора, к его электродам прикладывается импульсное напряжение. Когда оно достигает напряжения срабатывания разрядника, межэлектродный зазор пробивается, и происходит быстрое подключение емкостного накопителя энергии к рентгеновской, электронной трубке или другой сильноточной нагрузке. Этот процесс происходит по необходимости в режиме одиночных включений или в частотном режиме.
На фиг.5 показаны контуры экрана и электрода заявляемого разрядника, полученные расчетным путем по формулам (1) и (2). Экран заявляемого разрядника состоит из следующих участков:
- А-Б - наружная поверхность экрана;
- Б-В - зона крепления электрода к экрану;
- В-Г - рабочая поверхность электрода;
- А-Д - радиусный завершающий участок экрана.
Наружная поверхность экрана А-Б состоит из двух участков, АО и ОБ, каждый из которых рассчитывается по формулам (1) и (2) при своих значениях параметров D, H, R1 и k.
Для заявляемого разрядника также были проведены расчеты электрических полей. Распределение линий равного потенциала по объему разрядника приведено на фиг.6. Густота линий равного потенциала вблизи экрана практически одинакова на участке А-Б экрана, что свидетельствует об отсутствии скачков напряженности поля на его поверхности. На фиг.7 приведен график зависимости напряженности поля на поверхности экрана и электрода от расстояния вдоль образующей. Из графика следует, что напряженность поля на поверхности экрана (участок А-Б) не превышает 33-35 кВ/мм, что почти вдвое меньше, чем у прототипа. При этом напряженность поля в межэлектродном промежутке равна 47 кВ/мм. Такой уровень напряженности поля позволяет применять водород в качестве рабочего газа.
В примере конкретного выполнения был изготовлен газонаполненный разрядник на 500 кВ. Его экран имеет диаметр 62 мм и состоит из двух сопряженных участков со следующими параметрами:
- участок, ближний к электроду - D=62 мм, Н=17 мм, R1=12.5 мм, k=1.1, 0≤f≤π/2;
- участок, ближний к изолятору - D=62 мм, Н=15 мм, R1=5 мм, k=1, -π/2≤f≤0.
Диаметр корпуса разрядника равен 120 мм, длина - 181 мм.
6
Разрядник был заполнен водородом под давлением 3.8 МПа (38 атм) и прошел ресурсные испытания в составе ускорителя на 500 кВ; при энергозапасе емкостного накопителя около 8 Дж и амплитуде тока через разрядник 3-3.5 кА среднеквадратичный относительный разброс его напряжений срабатывания не превышал 1.5%. В течение всего цикла испытаний (10 срабатываний разрядника) не было отмечено ни одного пробоя на корпус, что доказывает эффективность применения разрядника с заявляемой конструкцией.
Величина межэлектродного промежутка разрядника равна 12 мм. При диаметре корпуса 120 мм отношение диаметра корпуса к рабочему напряжению равно К=120 мм/500 кВ = 0.24 мм/кВ, в то время как у прототипа этот параметр равен 0.27.
Таким образом, заявляемый разрядник более компактный по сравнению с прототипом и может надежно работать при заполнении его водородом, имеющим меньшую электрическую прочность, чем у азота и элегаза.