ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ КОММУТАТОР

Изобретение относится к электронной технике, а именно, к электрическим газоразрядным электронным приборам и может быть использовано при создании импульсных устройств, в частности, импульсных генераторов, источников питания импульсных устройств, импульсных лазеров и других приборов.

Известен газоразрядный коммутатор - тиратрон (Фогельсон Т.Б., Бреусова Л.Н., Вагин Л.Н. Импульсные водородные тиратроны. М.: «Советское радио», 1974 г, 211 с.), содержащий газонаполненный герметичный корпус, в котором в качестве рабочего газа использован водород с давлением в десятки Па, в корпусе выполнены электроды: накаливаемый катод, анод и сетка, расположенная между ними.

При подаче электрического импульса на сетку между сеткой и катодом тиратрона зажигается газовый разряд. Плазма разряда проникает за сетку, в пространство между сеткой и анодом, в результате чего, последнее становится проводящим, замыкая электрическую цепь на нагрузку.

К недостаткам известного технического решения относится низкая скорость коммутации, невозможность коммутации высоковольтных электрических импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания, а также низкая эффективность коммутации наносекундных импульсов, большие потери мощности при коммутации, большое энергопотребление подогрева катода, большое время с момента подачи питания к подогревателю катода до готовности прибора к коммутации импульса.

Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в следующем. Большое время подготовки тиратрона к работе, главным образом, обусловленное необходимостью подогрева катода. Для осуществления коммутации необходим подогрев катода. Промежуток времени с момента подачи питания к подогревателю катода до готовности тиратрона к осуществлению коммутации, то есть промежуток времени для достижения требуемого подогрева катода, значителен, составляет минуты. Кроме того, значительно время перехода тиратрона из непроводящего в проводящее состояние (фронт коммутации) - от 10 до 50 нс, в зависимости от размера устройства и величины коммутируемого тока.

В качестве ближайшего аналога принят газоразрядный коммутатор (см. описание к патенту РФ №2089003, МПК: 6 H01J 17/02, 6 H01T 2/00), содержащий газонаполненный герметичный корпус, в котором расположены высоковольтные электроды - анод с полой камерой либо без нее и первый катод с полой камерой, ограниченной металлическими стенками с отверстиями, образующие высоковольтный разрядный промежуток, вспомогательный анод и второй катод, расположенные в противоположной от основного анода части устройства - узле управления моментом включения разряда, сообщающемся с высоковольтным промежутком через отверстия в электродах, а также содержащее резервуар с запасом рабочего газа, при этом первый катод выполнен смежно со вторым катодом, сформированным в виде одной или нескольких замкнутых полостей с одним или несколькими отверстиями, а вспомогательный анод размещен внутри второго катода. В качестве рабочего газа использован водород или дейтерий. В устройстве вспомогательный анод выполнен в виде одного или нескольких колец, расположенных симметрично относительно оси прибора, с отверстиями, соединяющими полость второго катода с полостью первого катода, а один или несколько выводов вспомогательного анода выполнены в экране, на который подан электрический потенциал второго катода. Второй катод выполнен в виде кольцеобразной замкнутой полости, ось которой совпадает с осью устройства, с отверстиями в стенке, обращенной к первому катоду, и во внутренней цилиндрической стенке, обращенной к вспомогательному аноду, размещенному коаксиально внутри второго катода и выполненному в виде цилиндра с отверстиями, расположенными симметрично относительно отверстий во втором катоде. Отверстия в стенках вспомогательного анода и второго катода, обращенных к первому катоду, выполнены в виде кольцевой щели. Между торцевыми стенками первого и второго катодов установлена перегородка с отверстиями. Полость второго катода разделена на секторы радиальными проводящими перемычками, размещенными между отверстиями в стенках второго катода. Часть поверхности второго катода выполнена из эмиссионно-активного материала или внутри его полости установлена таблетка из указанного материала. Узел управления выполнен в составе одного или нескольких блокирующих электродов, размещенных в полости первого катода. Блокирующий электрод выполнен с возможностью электрического контакта со вспомогательным анодом или выполнен, с возможностью образования с ним единого элемента. Резервуар с запасом рабочего газа соединен с газонаполненным герметичным корпусом через полый изолятор, длина которого выбрана, обеспечивающей электрическую прочность по внешней его поверхности, а полость внутри изолятора разделена электродами с отверстиями на ряд высоковольтных промежутков, обеспечивающих электрическую прочность резервуара с запасом рабочего газа. Отверстия в конструктивных элементах устройства выполнены диаметром менее 3 мм и расположены несоосно относительно друг друга. Объем между одним из электродов устройства и резервуаром с запасом рабочего газа заполнен пористой массой из диэлектрика с коэффициентом вторичной эмиссии от 0,9 до 1,2 или диэлектрическими частицами с указанным значением поверхностного коэффициента вторичной эмиссии, например, кварцевым песком, покрытым окисью хрома.

К недостаткам ближайшего аналога относится низкая скорость коммутации, невозможность коммутации высоковольтных электрических импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания.

Хотя в рассматриваемом техническом решении по сравнению с первым указанным аналогом использован холодный полый катод, в результате чего не требуется подогрев катода, тем не менее, это обстоятельство не устраняет необходимости подогрева генератора водорода. Несмотря на то, что время подготовки тиратрона к работе снижено по сравнению с первым указанным аналогом, время коммутации в таком тиратроне благодаря его конструктивным особенностям и использованию в качестве рабочего газа водорода или дейтерия составляет от 3 до 10 нс, обеспечивая все еще низкую скорость коммутации и невозможность коммутации импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания. Переход устройства из непроводящего в проводящее состояние (время коммутации) достаточно длителен.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение скорости коммутации;

- достижение возможности коммутации высоковольтных электрических импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания.

Технический результат достигается в газоразрядном коммутаторе, содержащем газонаполненный герметичный корпус, в котором расположены катод и анод, катод и анод выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, с зазором друг относительно друга, корпус заполнен рабочим газом в составе гелия и/или неона с добавками водорода в количествах, приводящих к преимущественной ионизации водорода.

В газоразрядном коммутаторе корпус заполнен рабочим газом в составе гелия и/или неона с добавками водорода в количествах, приводящих к преимущественной ионизации водорода, а именно, с давлением водорода 0,05÷0,5 Торр.

В газоразрядном коммутаторе катод и анод выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, с зазором друг относительно друга, эквидистантно, при этом диаметр катода не менее чем в 10 раз больше зазора, анод в виде сетки выполнен с геометрической прозрачностью 85%, корпус заполнен рабочим газом в составе гелия и/или неона с добавками водорода в количествах, приводящих к преимущественной ионизации водорода, а именно, заполнен гелием под давлением 6 Торр и водородом, характеризующимся давлением, от 0,1 до 0,3 Торр.

В газоразрядном коммутаторе катод и анод выполненные, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, с зазором друг относительно друга, снабжены на концах электрическими вводами, а корпус, в котором расположены анод и катод, снабжен изолятором, установленным между электрическими вводами катода и анода.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 показана конструкция газоразрядного устройства для коммутации высоковольтных импульсов, где 1 - катод; 2 - анод-сетка; 3 - изолятор; 4 - электрические вводы. На Фиг.2 приведена схема подключения газоразрядного коммутатора к импульсному источнику питания, выполненному в составе источника питания постоянного напряжения, коммутирующего устройства высоковольтных импульсов (тиратрона, лампы, транзистора или другого), разрядной емкости C, индуктивности L₁ и L₂, диода D, пиковой емкости C₀, через последовательно соединенное с газоразрядным коммутатором сопротивление нагрузки (активная) R_H, где 5 - источник питания постоянного напряжения; 6 - коммутирующее устройство высоковольтных импульсов (тиратрон, лампа, транзистор или другое); 7 - газоразрядный коммутатор. На Фиг.3 показаны экспериментальные данные, демонстрирующие коммутационные характеристики устройства, - зависимости времени коммутации от напряжения на C₀ при разных составах рабочего газа в газонаполненном корпусе устройства, где 8 - зависимость, полученная в случае использования гелия с давлением P_He=8 Торр; 9 - зависимость, полученная в случае использования смеси гелия и водорода с давлением, соответственно, P_he=4 Торр и 10 - зависимость, полученная в случае использования смеси гелия и водорода с давлением, соответственно, P_He=4 Торр и На Фиг.4 приведена экспериментальная зависимость частоты следования импульсов от давления водорода при давлении гелия p_He=6 Торр и сопротивлении активной нагрузки R_H=50 Ом.

Причинно-следственная связь между указанным техническим результатом и совокупностью существенных признаков заключается в следующем.

В предлагаемом газоразрядном коммутаторе в газонаполненном герметичном корпусе в качестве рабочего газа используют смесь, содержащую гелий, неон или азот, с добавками водорода. Именно добавки водорода приводят к сокращению длительности перехода газоразрядного коммутатора из непроводящего состояния в проводящее состояние и обеспечивают достижение указанного технического результата.

Рассмотрим ситуацию в случае отсутствия добавок водорода.

Катод и анод, расположенные в газонаполненном герметичном корпусе, выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, между последней и внутренней поверхностью катода имеется промежуток. Сетка анода, в частности, эквидистанта внутренней поверхности катода, при этом диаметр катода превышает расстояние между катодом и анодом не более чем в 10 раз. Газонаполненный корпус заполнен смесью, содержащей гелий, неон или азот. При подаче высокого напряжения (несколько киловольт) на промежутке катод-анод (на катоде - минус), при котором выполняется критерий Дрейсера для убегания электронов, генерируется электронный пучок, который пролетает за анод и возбуждает в полости анода рабочий газ. Резонансное излучение этого газа попадает на катод, вызывает фотоэмиссию и генерацию новых электронов, процесс развивается экспоненциально и промежуток катод - анод становится высокопроводящим за относительно короткое время.

Однако, в рабочем газе в составе гелия, неона или азота наблюдается сравнительно медленное нарастание фронта импульса тока dI/dt и напряжения dU/dt. Так, они составляют, соответственно, dI/dt=1,25×10¹¹ А/с и dU/dt=10¹¹ В/с при плотности тока в максимуме j=1 А/см² и скорости ее нарастания dj/dt=1,25×10⁸ А/см² с. Медленное нарастание тока и, как следствие, напряжения на нагрузке обусловлено тем, что резонансное излучение из объема полости корпуса вследствие реабсорбции излучения медленно доходит до поверхности катода. Вероятность достижения фотоном катода из точки, расположенной на расстоянии R от него, выражается формулой A=1,1×10⁶/R (Phelps A.V. Phys. Rev., V.117, №3, P.P.619-632. (1960)), при R=1 см-A=1,1×10⁶ сек^-1. Это означает, что до катода доходит только 1% фотонов за время 10 не, что и определяет относительно медленное нарастание тока. Кроме того, происходит уменьшение времени задержки развития пробоя, что вынуждает использовать более быстрый заряд рабочей емкости или накопительной линии и, следовательно, накладывает дополнительные требования на первичный коммутатор.

Добавка водорода в рабочий газ существенно повышает скорость коммутации, обеспечивает возможность коммутации высоковольтных электрических импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания. Так, в герметичном корпусе в рабочую полость, заполненную гелием и/или неоном, добавляют водород в небольших количествах, обеспечивающих преимущественную ионизацию водорода за счет меньшего потенциала ионизации молекулы водорода. В частности, вводят добавки водорода с давлением Таким образом, принципиально меняют процессы в разрядном зазоре. Благодаря меньшему потенциалу ионизации молекулы водорода по сравнению с потенциалом ионизации атома гелия φ_He=24,6 эВ разряд начинает развиваться при преимущественной ионизации водорода. Образующиеся молекулярные ионы водорода ускоряются в промежутке анод-катод. Энергия, которую приобретает ион молекулы водорода, определяется с одной стороны падением потенциала на длине свободного пробега иона до акта его перезарядки на неионизованной молекуле водорода, с другой стороны, потерей энергии за счет упругих и неупругих соударений с атомами гелия. Соотношение между величинами приобретенной и рассеянной в соударениях энергий зависит от кинетической энергии (или скорости) молекулы, и при w≥100 эВ сечение перезарядки намного превышает сечение рассеяния (Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизированных газах. М.: «Мир», 1967 г. 832 с.). Поэтому при ускорении иона молекулы водорода можно пренебречь потерями энергии на соударения до акта резонансной перезарядки. При резонансной перезарядке: импульс остается у налетающей частицы, то есть в результате акта резонансной перезарядки появляется быстрая молекула водорода H₂(1) и медленный ион молекулы водорода , который начинает ускоряться до следующего акта перезарядки. В результате при движении иона через промежуток анод - катод образуются быстрые молекулы. Их энергия приближенно равна

где e - заряд электрона;

U - приложенное напряжение к разрядному промежутку;

σ - сечение резонансной перезарядки;

N - концентрация молекул водорода.

При давлении водорода и комнатной температуре - N=10¹⁶ см^-3. В этом случае при U=10 кВ и σ=10^-15 см² первоначальная энергия быстрых молекул, согласно формуле (1), составит w~1 кэВ (Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизированных газах. М.: «Мир», 1967 г, 832 с.). Молекулы с такой энергией эффективно возбуждают резонансное состояние атома гелия и, что более важно, одновременно передают ему энергию направленного к катоду движения. В результате возбужденный атом гелия излучает благодаря эффекту Доплера на смещенной частоте относительно излучения покоящегося атома. Это смещение составляет величину

,

где ν₀ - частота излучения на резонансном переходе на длине волны λ₀=58,4 нм;

c - скорость света;

ν - скорость атома гелия;

M - масса атома гелия;

w - энергия, полученная от молекулы водорода.

При w=100 эВ-Δν=1,2×10¹² Гц. Излучение атома гелия, сдвинутое на такую величину, совершенно не поглощается на резонансном переходе и потому свободно достигает поверхности катода. Вероятность излучения атома гелия на резонансном переходе равна A_r=1,8×10⁹ с^-1 (Wiese W.L., Fuhr J.R. J. Phys. Chem. Ref. Data, V.38, №3, PP.565-719 (2009)), поэтому полученное время развития разряда и времени коммутации имеет характерную величину .

После прохождения импульса тока через коммутатор скорость восстановления его электрической прочности зависит от скорости рекомбинации образовавшихся во время коммутации ионов и электронов. При этом в смеси He+H₂ через короткое время вследствие реакции квазирезонансной перезарядки имеющей сечение около 10^-15 см², за время примерно 1 мкс происходит превращение в ионы . Преобладающим механизмом рекомбинации молекулярных ионов является диссоциативная рекомбинация, которая гораздо быстрее ударно - излучательной рекомбинации, являющейся основным механизмом рекомбинации атомарных ионов (Райзер Ю.Л. Физика газового разряда. Долгопрудный. «Интеллект», 2009 г., 734 с.). Поэтому устройство, заполненное в качестве рабочего газа смесью He-H₂, быстрее восстанавливает свою электрическую прочность по сравнению со случаем заполнения гелием и/или неоном.

Таким образом, добавление в состав рабочего газа водорода в небольших количествах, обеспечивающих преимущественную ионизацию водорода по сравнению с ионизацией основных компонентов рабочего газа при развитии процессов перехода из непроводящего в проводящее состояние разрядного промежутка, приводит к сокращению длительности перехода газоразрядного коммутатора из непроводящего состояния в проводящее состояние и, как следствие, обеспечивает высокую скорость коммутации и достижение возможности коммутации высоковольтных электрических импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания.

Предлагаемый газоразрядный коммутатор содержит (см. Фиг.1) газонаполненный герметичный корпус, в котором расположены катод 1, анод 2. При этом катод 1 и анод 2 выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, с зазором друг относительно друга. Корпус заполнен рабочим газом в составе гелия и/или неона с добавками водорода в количествах, приводящих к преимущественной ионизации водорода.

В частном случае реализации в газоразрядном коммутаторе рабочий газ используют с добавками водорода в количествах, характеризующихся давлением водорода 0,05÷0,5 Торр.

В частном случае реализации газоразрядного коммутатора он содержит цилиндрический катод 1 из реакционно-спеченного карбида кремния SiC с диаметром d_c=28 мм. Диаметр катода превышает величину зазора между катодом 1 и анодом 2 не более чем в 10 раз. Эквидистантно катоду 1 расположен анод 2 в виде сетки диаметром d_a=22 мм с геометрической прозрачностью 85%. Длины катода 1 и анода 2 равны и составляют l=32 мм. Сетка анода 2 сформирована прямоугольными ячейками размером 10 мм×l,6 мм и изготовлена из проволоки, например из нержавеющей стали или любой другой, диаметром 0,21 мм. Корпус устройства заполнен гелием под давлением 6 Торр и водородом, характеризующимся давлением, от 0,1 до 0,3 Торр, соответствующим указанной величине давления гелия, при которых происходит преимущественная ионизации водорода. Корпус снабжен изолятором 3 (см. Фиг.1), например, из кварца. Цилиндрические катод 1 и анод 2 снабжены электрическими вводами 4 на концах цилиндров. Изолятор 3 установлен между вводами катода 1 и анода 2.

Газоразрядный коммутатор для коммутации высоковольтных электрических импульсов используют следующим образом.

Для работы газоразрядный коммутатор 7 соединяют последовательно с нагрузкой R_H и подключают к импульсному источнику питания по схеме, представленной на Фиг.2, соединяя один из электрических вводов 4 (см. Фиг.1) через нагрузку R_H с импульсным источником питания, при этом другой ввод газоразрядного коммутатора 7 соединен с точкой «земли». В схеме импульсного источника питания (см. Фиг.2) содержится емкость C, одним концом соединенная с источником питания постоянного напряжения 5, а вторым концом с индуктивностью L₁, которое другим концом заземлено. К одному концу емкости C подключено коммутирующее устройство высоковольтных импульсов (тиратрон, лампа, транзистор или другое) 6, являющееся устройством первичной коммутации. Ко второму концу емкости С подключена одним концом индуктивность L₂, вторым концом индуктивность L₂ соединена с диодом D. Базой диод D соединен с одним из концов нагрузочного сопротивления R_H. Кроме того, к базе диода D одним концом подсоединена обострительная емкость С₀, которая вторым концом соединена с точкой «земли».

Разрядная емкость источника питания C заряжается через индуктивность L₁ до напряжения U. В момент времени, когда коммутирующее устройство высоковольтных импульсов (тиратрон, лампа, транзистор или другое) 6 открывается, происходит формирование импульса напряжения отрицательной полярности на индуктивности L₁, сформированный импульс напряжения заряжает пиковую (обострительную) емкость С₀, причем С₀≤C. С₀ заряжается до напряжения близкого к U. Этот импульс напряжения прикладывают к разрядному промежутку катод 1 - анод 2 газоразрядного коммутатора (см. Фиг.1), то есть между электрическим вводом 4, через нагрузку R_H соединенным с импульсным источником питания, и вводом, соединенным с точкой «земли», и к последовательно включенной с ним активной нагрузке R_H. С задержкой (типичные значения составляют десятки-сотни наносекунд), зависящей от конструктивных параметров газоразрядного коммутатора, а также состава и давления газовой смеси внутри него, происходит быстрая коммутация устройства. Газоразрядный коммутатор переходит в проводящее состояние, в результате чего обострительная емкость C₀ начинает разряжаться через нагрузочное сопротивление R_H. Индуктивность контура состоящего из C₀, R_H и самого газоразрядного коммутатора минимизируется с целью достижения наименьшего времени коммутации устройства. Изменением индуктивности L₂ можно регулировать время зарядки обострительной емкости C₀. Частота срабатывания газоразрядного коммутатора равна частоте срабатывания коммутирующего устройства высоковольтных импульсов (тиратрон, лампа, транзистор или другое) 6, являющегося устройством первичной коммутации, то есть определяется его запускающим импульсом.

На Фиг.3 и 4 показаны экспериментально полученные кривые, демонстрирующие коммутационные характеристики газоразрядного коммутатора. Из зависимостей времени коммутации от напряжения на активной нагрузке R_H=50 Ом при разных составах рабочего газа, в частности, зависимости 8, полученной в случае использования гелия с давлением P_He=8 Торр, зависимости 9, полученной в случае использования смеси гелия и водорода с давлением, соответственно, P_He=4 Торр и и зависимости 10, полученной в случае использования смеси гелия и водорода с давлением, соответственно, P_He=4 Торр и видно, что типичные времена коммутации напряжения, формируемые на активной нагрузке R_H=50 Ом газоразрядным коммутатором с газовым наполнением, состоящим из гелия и водорода, менее 0,4 нс (см. Фиг.3). Из экспериментальной зависимости частоты следования импульсов от давления водорода при давлении гелия P_He=6 Торр и сопротивлении активной нагрузки R_H=50 Ом (см. Фиг.4) видно, что с введением водорода и увеличением его давления предельная частота функционирования газоразрядного коммутатора возрастает и достигает 8 кГц.