СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОНАПОЛНЕННОГО РАЗРЯДНИКА
METHOD OF MAKING GAS-FILLED DISCHARGER

Изобретение относится к газоразрядной техники 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 способ изготовления газонаполненного разрядника, включающий, сборку элементов конструкции, тренировку, откачку и наполнение рабочим газом [Патент США №4283747,361-117, 1981 г.]
Недостатком указанного способа является то, что он не пригоден для изготовления высоковольтных искровых разрядников с водородным наполнением, так как в процессе работы таких разрядников при изготовлении их указанными способами наблюдается напыление токопроводящих продуктов эрозии материала электродов на изоляционную оболочку прибора, приводящее к неравномерному распределению потенциала электрического поля вдоль образующей поверхности изоляционной оболочки, которое по мере напыления продуктов эрозии материала электродов создает на поверхности изоляционной оболочки напряженность электрического поля, превышающую критическую, при которой развивается пробой, приводящий к потере электрической прочности. Механическая прочность разрядников, изготовленных указанным способом, недостаточна, что не позволяет выдерживать давления наполняющего газа порядка единиц МПа, необходимого для получения динамического напряжения пробоя более 100 кВ.
Известен способ изготовления газонаполненного разрядника, заключающийся в изготовлении анодного узла, включающего изолятор в виде полого усеченного конуса, на меньшем основании которого через анодный вывод припоем ПСр.-72 B припаивается анод, и катодного узла, содержащего крышку с катодом на ее внутренней стороне, сборке корпуса, выполненного в виде полого цилиндра с катодным и анодным узлами, соединении их в местах сопряжения торцевыми спаями и дополнительно охватывающим спаем между внутренней поверхностью цилиндра и боковой цилиндрической поверхностью изолятора в их нижних частях [Киселев Ю.В., Черепанов В.П. Искровые разрядники, М., «Советское радио», 1976 г., стр.65]
Недостатком данного способа является то, что его использование не позволяет изготовить разрядники с напряжением пробоя более 200 кВ, так как охватывающий спай, используемый в данном способе, применим для спаивания деталей с небольшими геометрическими размерами - диаметре сопряженных поверхностей деталей не более 50 мм и толщине стенки цилиндра не более 1 мм. Для получении времени коммутации наносекундной и субнаносекундной длительности и напряжения срабатывания 200 кВ требуется высокое давление наполняющего газа порядка единиц МПа, как правило, водорода особой чистоты, что накладывет высокие требования к механической прочности разрядника. Для выполнения требований по механической прочности необходимо толщину стенки цилиндра выбрать более 1 мм, что исключает возможность использования указанного выше способа изготовления. При увеличении толщины стеки цилиндра значительно более 1 мм из-за большой разницы теплового расширения спаиваемых деталей при температуре пайки возникает большой зазор, что снижает качество спая, а после спая деталей - изолятора и цилиндра в массе изолятора возникают сжимающие усилия пропорциональные толщине стенки цилиндра, приводящие к его разрушению.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному способу является способ изготовления газонаполненного разрядника, заключающийся в изготовлении металлического корпуса в виде полого цилиндра, изготовлении металлокерамического узла, включающего изолятор в виде полого усеченного конуса, большее основание которого соединено с манжетой охватывающим спаем, а на меньшем основании расположен экран с электродом, вывод которого проходит в изоляторе, сборке цилиндра с металлокерамическим узлом и соединении цилиндра с манжетой их внешними краями, например, аргонно-дуговой сваркой [Патент РФ №2332747, HO1J 17/18, 2008 г. - прототип]
Недостатком данного способа является низкая надежность охватывающего спая манжеты с нижней частью изолятора. Так как манжета соединена с корпусом аргонно-дуговой сваркой, то в процессе пайки крышки с корпусом во время подъема температуры в охватывающем спае возникают растягивающие усилия, вызванные расширением корпуса и при температурном коэффициенте линейного расширения материала корпуса значительно большем, чем у изолятора в спае возникает изгибающий момент, приводящий если не к разгерметизации прибора, то к значительному снижению надежности спая.
Задачей заявленного изобретения является создание способа изготовления газонаполненного разрядника, обеспечивающего высокую и надежную герметичность прибора.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе изготовления газонаполненного разрядника, заключающемся в изготовлении металлического корпуса в виде полого цилиндра, сборке металлокерамического узла, включающего изолятор в виде полого усеченного конуса, большее основание которого соединено с манжетой охватывающим спаем, а на меньшем основании расположен экран с электродом, вывод которого проходит в изоляторе, размещении металлокерамического узла в корпусе и соединении корпуса с манжетой их внешними краями, например, аргонно-дуговой сваркой, при изготовлении металлокерамического узла, сборку изолятора с манжетой, выводом электрода, экраном и электродом проводят с размещением в местах их соединений первого припоя, например, Пср.-72 B, оплавляют первый припой, затем после размещения металлокерамического узла в корпусе устанавливают на экране проводники, в корпусе разделяющую его объем на верхнюю и нижнюю части поперечную перегородку со вторым электродом, через отверстия в которой проходят проводники, а на проводниках переходной контакт с размещением в местах их соединений второго припоя с температурой плавления не более температуры плавления первого припоя, например, Пср.-72 B, оплавляют второй припой, после чего соединяют корпус с манжетой их внешними краями, затем в верхней части объема корпуса устанавливают, соединяя с переходным контактом, второй металлокерамический узел, изготовленный путем соединения охватывающим спаем манжеты с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса, размещения внутри изолятора второго вывода электрода, а на меньшем основании изолятора экрана с размещением в местах их соединений первого припоя и его последующего оплавления, соединения внешних краев манжеты и переходного кольца, например, аргонно-дуговой сваркой, а затем после установки второго металлокерамического узла в верхней части объема соединяют внешние края корпуса и переходного кольца, например, аргонно-дуговой сваркой.
Предлагаемая последовательность сборочных операций и пайки в процессе изготовления газонаполненного разрядника в сочетании с используемыми материалами припоев, позволяет получить надежные спаи в разряднике и тем самым обеспечить высокую и надежную герметичность прибора.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным 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 изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, обеспечивающие высокую и надежную герметичность разрядника за счет использование в процессе изготовления разрядника указанной последовательности сборочных операций и операций пайки в сочетании с предлагаемыми припоями.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Заявленный способ изготовления газонаполненного разрядника поясняется чертежом.
На фиг.1 показан один из вариантов газонаполненного разрядника, изготавливаемый заявленным способом.
Газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1 в виде полого цилиндра с поперечной перегородкой 2, разделяющей его внутренний объем на верхнюю и нижнюю части, в каждой из которых расположен, выполненный в виде полого усеченного конуса изолятор - 3 в нижней части, 3' в верхней части, соединенные большими основаниями с краями соответствующих частей объема корпуса 1, два электрода, расположенные напротив друг друга в нижней части объема - первый 4 на экране 5, расположенном на меньшем основании изолятора 3, второй 6 на перегородке 2, вывод 7 первого электрода 4, размещенный внутри изолятора 3 и соединенный с расположенным в изоляторе 3' вторым выводом 8 посредством проводников 9, проходящих через отверстия 10 в перегородке 2 и закрепленных на экране 5 в нижней части объема корпуса 1 и на переходном контакте 11 в верхней части объема, манжеты 12, 12', внутренние стороны которых соединены охватывающими спаями 13 и 13' с большими основаниями изоляторов 3, 3' соответственно, при этом края манжеты 12 соединен с краем корпуса 1 в нижней части его объема, а края манжеты 12' соединены с краем корпуса 1 в верхней части его объема через переходное кольцо 14, соединения вывода первого электрода 7 и второго вывода 8 с торцевыми поверхностями меньших оснований изоляторов 3 и 3' соответственно, выполнены посредством спаев 15, 15', а с экранами 5, 5' соответственно спаями 16, 16', соединения экрана 5 с первым электродом 4 и проводниками 9 осуществляются спаями 17, 18, а корпуса 1 с перегородкой 2, проводников 9 с переходным контактом 11 посредством спаев 19, 20 соответственно, при этом спаи 13, 13', 15, 15', 16, 16', 17, 18, 19, 20 выполнены из серебросодержащего припоя Пср.-72 B, а внешние края манжеты и корпуса в нижней части объема, манжеты и переходного кольца, переходного кольца и корпуса в верхней части объема соединены друг с другом аргонно-дуговой сваркой.
При изготовлении разрядника первоначально проводят сборку первого и второго металлокерамических узлов, в процессе которой совмещают манжеты с внешними поверхностями больших оснований изоляторов, устанавливают в изоляторах выводы электродов, а на меньших основаниях изоляторов экраны, после чего на экране одного из изоляторов располагают электрод, при этом в местах соединения собранных элементов размещают первый припой, например, Пср.-72 B. После сборки металлокерамических узлов проводят оплавление припоя. Затем первый металлокерамический узел с электродом размещают в корпусе, совмещая края корпуса с манжетой. Устанавливают на экране первого металлокерамического узла проводники, размещают в корпусе разделяющую его объем на верхнюю и нижнюю части перегородку со вторым электродом, расположенным со стороны первого электрода, и отверстиями через которые пропускают проводники, устанавливают на проводниках переходной контакт с расположением в местах соединения указанных элементов второго припоя с температурой плавления не более температуры плавления первого припоя, например, также Пср.-72 B. Проводят оплавление второго припоя, а затем соединяют корпус с манжетой первого металлокерамического узла, например, аргонно-дуговой сваркой. После чего собирают второй металлокерамический узел с переходным кольцом, совмещая кромки переходного кольца и манжеты, и соединяют их, например, аргонно-дуговой сваркой. Размещают в верхнем части объема корпуса второй металлокерамический узел, совмещая его с переходным контактом первого металлокерамического узла, и соединяют внешние края корпуса в верхнем объеме с переходным кольцом второго металлокерамического узла, например, аргонно-дуговой сваркой.
Проведение операций сборки и пайки металлокерамических узлов, а также пайки корпуса с внутренней перегородкой, экрана и переходного контакта с проводниками происходит при отсутствии связи между манжетами и корпусом, так как они на момент пайки не соединены друг с другом. Отсутствие связи манжеты первого металлокерамического узла с корпусом в процессе подъема температуры не вызывает предельных усилий в охватывающем спае манжеты с большим основанием изолятора, приводящих к разгерметизации, наблюдаемой в спае в случае соединения манжеты и корпуса при подъеме температуры в процессе пайки, когда возникают изгибающие усилия из-за разных температурных коэффициентов линейного расширения материалов корпуса и изолятора.
В заявленном способе изготовления используется двухступенчатая пайка изолятора с деталями разрядника, поэтому для уменьшения внутренних усилий в местах спая первым припоем, возникающих в процессе оплавления второго припоя, температура плавления второго припоя должна быть не более температуры плавления первого припоя.
При использовании заявленного изобретения были изготовлены экспериментальные образцы разрядника-обострителя с межэлектродным расстоянием 1,5 и 2 мм с динамическим напряжением пробоя 150 и 200 кВ соответственно. Приборы наполнялись водородом особой чистоты до давления (более 10 МПа), обеспечивающего указанные выше динамические напряжения пробоя при времени нарастания напряжения равном 100 нс.
Проведенные испытания подтвердили высокую механическую прочность и надежность газонаполненного разрядника, изготовленного заявленным способом.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления позволяет создать газонаполненный разрядник с высокой механической прочностью, надежностью и герметичностью, пригодный для использования в генераторах высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундными фронтами (менее 0,5 нс) и развязкой его входа и выхода, который найдет применение при разработке мощных источников электромагнитных импульсов для проведения исследовательских работ по обеспечению электромагнитной совместимости технических систем, испытания радиотехнических средств на стойкость к воздействию электромагнитных импульсов и других целей.