НИЗКОИНДУКТИВНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ПЕРЕХОД
LOW-INDUCTION HIGH-VOLTAGE VACUUM TRANSITION

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к технике создания и применения сильных импульсных магнитных полей, и может применяться для изоляции электродов при передаче электромагнитной энергии от мощного источника тока к плазменной или динамической нагрузке. Используется для создания коротких мегаамперных импульсов тока от взрывомагнитного генератора (ВМГ) в нагрузке с обжимаемым лайнером и других нагрузках (длительность импульса 0,1-5 мкс).
В конструкциях электрофизических установок существует глобальная проблема обеспечения высоковольтной изоляции между электродами при объединении различных типов изоляций в одной конструкции. Как правило, в генераторах высоковольтных импульсов используется твердотельная изоляция, а в нагрузках, подключаемых к ним, - вакуумная. Импульсная электропрочность твердотельной и вакуумной изоляций может достигать 250-1000 кВ/мм, в то время как поверхность раздела имеет электропрочность ~10-40 кВ/мм. Соответственно твердотельная и вакуумная изоляции могут быть тонкостенными, в то время как поверхность раздела между ними должна иметь протяженность, в десятки раз большую. Все усилия по уменьшению общей индуктивности разрядного контура за счет утончения изоляции могут быть сведены на нет из-за наличия перехода диэлектрик-вакуум.
Начиная с 1964 года, конструкция перехода диэлектрик-вакуум приобрела практически стандартный вид - это изолятор, наклоненный под углом 45° по отношению к электродам (W.A.Stygar et al./ Improved design of a high-voltage vacuum insulator interface / Phys. Rev. ST Assel. Beams 8, 050401, 2005 p.1-16).
Недостатками аналога являются наличие концентраторов напряженности электрического поля в остром вакуумном углу перехода, а также высокая собственная индуктивность перехода.
В качестве прототипа выбран низкоиндуктивный высоковольтный вакуумный переход (см. сб. "Сверхсильные магнитные поля." Тр. международной конференции MG-III. М., Наука, 1984, стр.406-409, авторы А.А.Петрухин, Н.П.Бидыло, С.Ф.Гаранин и др.), который образован коаксиально расположенными анодом и катодом, разделенными основным тонкостенным изолятором и переходным изолятором, по поверхности которого осуществляется разделение диэлектрик-вакуум.
Участок поверхности анода, находящийся в вакууме вблизи переходного изолятора, расположен под углом, обеспечивающим наклон эквипотенциальных линий к поверхности переходного изолятора менее 45°.
Недостатком прототипа является высокая напряженность электрического поля в области малых зазоров между поверхностью анода и поверхностью переходного изолятора. Это является следствием неравномерного распределения напряженности электрического поля по поверхности переходного изолятора, что приводит к снижению электропрочности устройства и пробою по поверхности изоляции.
Решаемой задачей данного изобретения является создание конструкции низкоиндуктивного высоковольтного перехода от твердотельной изоляции электродов источника тока к вакууму передающей линии с высокой электропрочностью перехода.
Техническим результатом при решении данной задачи является обеспечение равномерного распределения напряженности электрического поля вдоль поверхностей раздела изоляторов и минимальной напряженности в месте сопряжения их с электродами.
Технический результат достигается тем, что по сравнению с известным низкоиндуктивным высоковольтным вакуумным переходом, содержащим коаксиально расположенные анод и катод, разделенные основным тонкостенным изолятором и переходным изолятором, по поверхности которого осуществляется разделение диэлектрик-вакуум, при этом вакуумный участок поверхности анода вблизи переходного изолятора расположен под углом, обеспечивающим наклон эквипотенциальных линий к поверхности переходного изолятора менее 45°, новым является то, что основной и переходной изоляторы разделены промежутком, заполненным диэлектрической средой с относительной диэлектрической проницаемостью, много большей, чем диэлектрическая проницаемость материалов соприкасающихся с ней элементов конструкции.
Кроме того, торцы изоляторов заглублены в кольцевые канавки, выполненные в торцевых участках анода и катода, при этом острые кромки краев канавок выполнены с округлением, обеспечивающим снижение электрического поля в точках контакта металл-диэлектрик-вакуум («тройных точках»).
Рассмотренный выше «стандартный» переход, применяемый в аналоге, разрабатывался для работы в составе конденсаторных установок. Конструкции взрывомагнитных генераторов имеют некоторые особенности, которые затрудняют точное копирование конденсаторных технических решений. Основное отличие состоит в компактности ВМГ, его малых линейных размерах (~0.5 м). Вынести вакуумный переход на метровые радиусы, как это делается в американских конденсаторных установках, невозможно. Борьба за низкие индуктивности передающих линий приводит к выбору предельно тонких изоляторов, использующих возможности, предоставляемые импульсным однократным характером работы. Импульсная электропрочность твердотельной и вакуумной изоляций позволяет для типичных (для ВМГ) напряжений использовать межэлектродные промежутки толщиной 2-5 мм, в то время как поверхность раздела по существующим канонам необходимо делать ~20-60 мм. При таких соотношениях выдержать геометрические пропорции «стандартного» перехода, не раздувая общий объем передающей линии, невозможно.
Предлагаемая новая конструкция вакуумного перехода учитывает особенности конструкции ВМГ.
Основную проблему компактного и равномерного распределения электрического поля, первоначально сосредоточенного в тонком изоляторе, на достаточно протяженную поверхность перехода оказалось возможным решить с помощью сильнополярного диэлектрика. Основное положение: если диэлектрическая проницаемость участка изолятора, заполняющего пространство между электродами, оказывается много большей, чем у прилегающих к нему соседних областей, то распределение электрического поля внутри этого участка будет определяться только его геометрией. Таким образом, если между основным изолятором передающей линии и вакуумной полостью, вплотную к вакуумной полости, расположить участок межэлектродной изоляции, выполненный из сильнополярного диэлектрика с собственным равномерным полем, то поле в переходе также будет равномерным.
Введение полости между основным и переходным изолятором, заполненной диэлектрической средой с высокой относительной диэлектрической проницаемостью, например глицерином, позволяет осуществить принудительное распределение напряжения вдоль границы между переходным изолятором и вакуумным объемом (практически вне зависимости от геометрии смежных областей). Поэтому, если конфигурация участков электродов, между которыми заключена указанная полость, подобрана таким образом, что обеспечивается равномерное распределение напряженности электрического поля в полости, то при заливке полости изолирующей средой с высокой относительной диэлектрической проницаемостью ε и размещении этого участка межэлектродной изоляции в устройстве с изолирующей средой, обладающей низким ε, распределение на границе раздела этих сред будет также равномерным.
Сильнополярные жидкости не являются в полном смысле диэлектриками, они имеют собственную заметную проводимость. При подаче напряжения распределение потенциала в жидкости сначала определяется диэлектрической проницаемостью, затем с течением времени распределение потенциала будет определяться токами проводимости. Это свойство позволяет использовать для выравнивания полей не только высокую диэлектрическую проницаемость, но и повышенную проводимость (при этом необходимо будет гарантировать отсутствие вскипания жидкости за время действия высоковольтного импульса).
Из сильнополярных диэлектриков возможно применение воды (ε=80), спиртов (ε=20) и их растворов. Наилучшим выбором представляется глицерин - трехатомный спирт этилового ряда с ε=40 (безвреден, высокая температура кипения 290°С, высокая электропрочность ~70 кВ/мм).
Расположение участка поверхности анода, находящегося в вакууме вблизи переходного изолятора, под углом, обеспечивающим наклон эквипотенциальных линий к поверхности переходного изолятора менее 45°, обеспечивает максимальную электропрочность поверхности раздела. Заглубление краев изоляторов в прямоугольные кольцевые канавки, выполненные в торцевых участках анода и катода, также способствует повышению электрической прочности изолятора за счет снижения напряженности электрического поля в точках контакта металл-диэлектрик-вакуум.
На фиг.1 приведено распределение электрического поля вдоль границы раздела вакуум/полиэтилен в «стандартном» 45-градусном вакуумном переходе. Наблюдается повышение напряженности поля в остром вакуумном углу перехода.
На фиг.2 приведено распределение электрического поля вдоль границы раздела вакуум/оргстекло по прототипу. Видно, что конструкция имеет явный недостаток (отмечен восклицательным знаком): повышение напряженности поля в «тройной» точке минимум в 6.5 раз по сравнению со «стандартом».
На фиг.3 показана новая геометрия и распределение электрического поля вакуумного перехода с выравнивающим слоем из глицерина. «Тройные» точки вакуум-металл-диэлектрик убраны в область малых электрических полей - во внутренние канавки металлических электродов.
На фиг.4 приведено заявляемое устройство, где:
1 - анод;
2 - катод;
3 - основной изолятор (пленочная лавсановая изоляция);
4 - переходной изолятор (полиэтиленовая изоляция);
5 - вакуумная изоляция;
6 - сильнополярный диэлектрик (глицерин).
На фиг.5 показана модельная сборка заявляемого высоковольтного вакуумного перехода, где:
1 - анод;
2 - катод;
3 - основной изолятор (пленочная лавсановая изоляция);
4 - переходной изолятор (полиэтиленовая изоляция);
5 - вакуумная изоляция;
6 - сильнополярный диэлектрик (глицерин);
7 - подводящий провод;
8 - полиэтиленовая втулка.
Представленная на фиг.4 конструкция высоковольтного вакуумного перехода содержит коаксиально расположенные анод 1 и катод 2, разделенные основным тонкостенным цилиндрическим изолятором 3 и переходным изолятором 4, по поверхности которого осуществляется разделение в вакуумную полость 5; основной 3 и переходной 4 изоляторы разделены промежутком, заполненным жидкой диэлектрической средой 6 с относительной диэлектрической проницаемостью, много большей, чем диэлектрическая проницаемость материалов соприкасающихся с ней элементов конструкции. Участок поверхности анода 1, расположенный в вакууме вблизи переходного изолятора 4, расположен под углом, обеспечивающим наклон эквипотенциальных линий к поверхности переходного изолятора 4 менее 45°. Торцы изоляторов 3 и 4 заглублены в кольцевые канавки, выполненные в торцах анода 1 и катода 2, при этом острые кромки краев канавок выполнены со скруглением.
При передаче электромагнитной энергии от источника (ВМГ) к вакуумной нагрузке между анодом 1 и катодом 2 прикладывается импульс высокого напряжения амплитудой до 400 кВ и длительностью 0.5-5 мкс. При этом в промежутке между основным 3 и переходным 4 изоляторами, заполненном жидким диэлектриком 6, (например, глицерином) происходит формирование электрического поля, конфигурация которого определяется формой участков анода и катода, соприкасающихся с жидким диэлектриком, диэлектрическими проницаемостями основного и переходного изолятора и жидкого диэлектрика, а также проводимостью жидкого диэлектрика. При выполнении устройства согласно заявляемому техническому решению будет обеспечиваться равномерное распределение напряженности электрического поля вдоль образующих изоляторов, что способствует отсутствию скачков напряженности на границе переходного изолятора и вакуумного объема и повышению электропрочности перехода.
С целью подтверждения осуществимости заявленного объекта и достижения технического результата был изготовлен и испытан лабораторный макет устройства.
В экспериментальной сборке переход от твердотельной изоляции источника энергии к вакууму, в котором генерируется рентгеновское излучение, является одним из самых ответственных элементов. Требование к электрической прочности высоковольтного вакуумного перехода, вытекающее из расчетов - выдерживать напряжение ~400 кВ при длительности импульса ~0,3 мкс, при токе 22 МА.
-6
-3
Модельная сборка (фиг.5) представляет собой металлический стакан - катод 2 и вставленный в него внутренний электрод - анод 1. Электроды расположены коаксиально и разделены между собой изоляторами. Электроды разделены вакуумной 5, жидкостной 6 и твердотельной изоляцией 3. С внешней стороны электроды разделены пленочной изоляцией 3 из 70 слоев лавсана (ε=3,1-3,2) толщиной 50 мкм. Вакуум (ε=1) и жидкость (глицерин) разделены полиэтиленовым (ε=2,2) изолятором 4, который является несущим элементом конструкции и обеспечивает герметичность полостей. Форма участков электродов, имеющих контакт с жидкостной изоляцией 6, подобрана таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение напряженности электрического поля вдоль промежутка между электродами. Электроды изготовлены из алюминиевого сплава АМГ-6 с чистотой обработки рабочих поверхностей Ra 0,63. Участок поверхности анода 1 расположен в вакууме к поверхности переходного изолятора 4 под углом 30° Напряжение на анод 1 подается по изолированному подводящему проводу 7, при этом корпус сборки заземлен. Для уменьшения напряженности поля на поверхности подводящего провода 7 установлена полиэтиленовая втулка 8. Сборка помещена в диэлектрический сосуд (ведерко), заполненный глицерином выше уровня катода 2 и ниже верхнего торца втулки 8. Вакуум откачивается через патрубок в нижнем фланце сборки до остаточного давления 10 Торр. В момент разряда остаточное давление в сборке не превышает 10 Торр.
Испытания макета высоковольтного перехода проводились в серии разрядов с последовательным увеличением напряжения с шагом в 50 кВ. Каждый разряд на испытуемую сборку предварялся разрядом на эквивалентную нагрузку. Экспериментальная сборка с предложенным высоковольтным вакуумным переходом выдержала без пробоев высоковольтный импульс длительностью 2 мкс напряжением 500 кВ (при характерном размере вакуумного перехода - 32 мм).
Проведенные испытания показали осуществимость устройства.