Результат интеллектуальной деятельности: ВАКУУМНЫЙ ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК

Изобретение относится к электротехнике и сильноточной электронике, в частности к средствам коммутации, и может использоваться для коммутации сильноточных высоковольтных электрических систем.

Известен разрядник с лазерным поджигом, содержащий в корпусе с окном для ввода луча поджигающего лазера два противостоящих основных электрода, один из которых выполнен со сквозным отверстием, расположенным напротив окна в корпусе, и собирающую линзу, установленную между поджигающим лазером и указанным основным электродом с отверстием, фокус которой расположен в промежутке между основными электродами, при этом между основными электродами установлен дополнительно введенный электрод-мишень со сквозным отверстием, расположенным соосно со сквозным отверстием основного электрода, причем средняя точка на оси отверстия электрода-мишени расположена в фокусе указанной линзы. Авторское свидетельство SU 1101133, МПК Н01Т 14/00, 30.11.1985. В разряднике используется эффект лазерной искры для ионизации диэлектрической среды - газа - в межэлектродном промежутке, реализация которого требует достижения интенсивности излучения оптического диапазона в фокусе собирающей линзы примерно 10¹¹ Вт/см² и выше [1, 2], что требует применения импульсного лазера высокой мощности и является препятствием на пути создания компактного вакуумного электроразрядного коммутирующего устройства.

Известен управляемый вакуумный разрядник, содержащий коаксиальную электродную систему в герметичной диэлектрической оболочке: внутренние катод и поджигающий электрод, разделенные цилиндрической диэлектрической прокладкой, и внутренний анод, выполненный в виде полого стакана. Патент Российской Федерации №143137, МПК Н01Т 2/02, 20.07.2014. Катод, поджигающий электрод и плотно сжатая между ними прокладка из диэлектрика образуют поджигающую систему. Промежуток разрядника «катод - анод» обладает высокой электрической прочностью: его напряжение самопробоя в несколько раз превышает рабочее напряжение между катодом и анодом. При подаче на поджигающий электрод импульса положительной относительно катода полярности амплитудой в несколько киловольт у кромки катода возникают токи автоэлектронной эмиссии, приводящие к испарению материала катода и ионизации испаренного вещества. Ионизация паров вещества катода превращает их в проводящую среду - плазму. На границе «плазма - катод» формируется область электронной эмиссии - катодное пятно. Образующаяся у поверхности катода плазма - катодный факел - в силу большой подвижности электронов под действием электрического поля смещается в направлении поджигающего электрода. Происходит искровой пробой по поверхности диэлектрической прокладки с ионизацией молекул сорбированного на ее поверхности газа. В условиях продолжающегося поступления плазмы из катодного пятна и выравнивания потенциалов катода и поджигающего электрода происходит расширение катодного факела в направлении анода. С замыканием промежутка «катод - анод» плазмой факела между катодом и анодом начинает падать напряжение, и разряд в вакуумном промежутке за время порядка 10^-7 с переходит в дуговую стадию. Происходит срабатывание коммутирующего устройства. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком данного устройства является то, что основной источник эрозии - катодное пятно и испускаемый им плазменный факел - возникает и длительное время пребывает на стадии дугового разряда на границе катода и прокладки из диэлектрика и затем в непосредственной близости от указанной границы, вызывая значительное разрушение электрода и прокладки, что сказывается отрицательным образом на стабильности срабатывания разрядника, в частности на величине напряжения пробоя промежутка «катод- поджигающий электрод», времени задержки между моментом подачи импульса напряжения на поджигающий электрод и моментом перехода разряда в промежутке «анод-катод» в дуговую стадию.

Задачей изобретения является создание компактного вакуумного электроразрядного коммутирующего устройства, конструкция которого обеспечивает минимальную эрозию элементов данного устройства, отвечающих за создание токопроводящей среды в основном межэлектродном промежутке разрядника за счет ионизации остаточного газа УФ излучением вспомогательного искрового разряда по поверхности диэлектрика.

Технический результат заключается в увеличении ресурса и стабильности функционирования вакуумного электроразрядного коммутирующего устройства.

Технический результат достигается тем, что в вакуумном искровом разряднике, включающем герметичную диэлектрическую оболочку, содержащую коаксиальную электродную систему, включающую катод и поджигающий электрод, разделенные цилиндрической диэлектрической шайбой, и анод, обращенные друг к другу поверхности катода и анода снабжены коаксиальными стержневыми выступами, выступы разделены промежутком, при этом катод снабжен коаксиальным цилиндрическим выступом, окружающим стержневой выступ. Поджигающий электрод имеет форму кольца с диаметром отверстия, равным внутреннему диаметру цилиндрического выступа катода, между цилиндрическим выступом катода и поджигающим электродом зафиксирована диэлектрическая шайба, причем расстояние между торцевыми поверхностями стержневых выступов катода и анода меньше расстояния между анодом и коаксиальным цилиндрическим выступом катода, давление внутри герметичной оболочки разрядника составляет 10^-2-10⁰ Па.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежом.

На чертеже представлен разрез вакуумного искрового разрядника, где 1 - герметичная диэлектрическая оболочка, 2 - катод, 3 - поджигающий электрод, 4 - диэлектрическая шайба, 5 - анод, 6 - стержневой выступ катода, 7 - стержневой выступ анода, 8 - вакуумный промежуток между катодом и анодом (межэлектродный промежуток), 9 - коаксиальный цилиндрический выступ катода, 10 - отверстия для откачки газа в процессе вакуумирования разрядника.

Вакуумный искровой разрядник состоит из коаксиальной электродной системы, заключенной внутри откачанной до давления остаточных газов 10^-4-10^-2 Тор (10^-2-10⁰ Па) герметичной диэлектрической оболочки 1, что обеспечивает высокую электропрочность промежутка «катод - анод». Электродная система содержит три электрода: катод 2 и поджигающий электрод 3, разделенные диэлектрической шайбой 4, и анод 5. Центральные части обращенных друг к другу поверхностей катода и анода имеют вид коаксиальных стержней 6 и 7 с закругленными торцами и разделенных промежутком 8. Кроме того, катод снабжен коаксиальным цилиндрическим выступом 9, окружающим центральную часть 6 и необходимым для того, чтобы фиксировать диэлектрическую шайбу 4 между катодом 2 и поджигающим электродом 3. Отверстия 10 необходимы для откачки газа в процессе вакуумирования разрядника. Расстояние между торцевыми поверхностями стержневой части катода и анода d₁ устанавливается при изготовлении меньше расстояния между анодом и коаксиальным цилиндрическим выступом катода d₂, т.е. d₁<d₂.

Разрядник работает следующим образом.

При подаче на поджигающий электрод импульса положительной относительно катода полярности амплитудой в несколько киловольт на границе раздела трех сред «вакуум - диэлектрик - металл» (вакуумированное пространство - диэлектрическая шайба - электрод катод), т.е. в области максимальной напряженности электрического поля возникают условия для образования катодного пятна и развивается искровой разряд по поверхности диэлектрической шайбы. Плотность тока в катодном пятне превышает величину 10⁸ А/см², падение потенциала в катодном слое составляет величину порядка потенциала ионизации материала катода, т.е. ~10 В. Таким образом, плотность потока энергии в пределах катодного пятна находится на уровне не менее 10⁹ Вт/см² при длительности искровой фазы 10^-7 с [3]. Опытным путем было установлено, что при протяженности зазора между анодом и катодом порядка 1 мм и указанном выше давлении остаточных газов в межэлектродном зазоре рабочее напряжение разрядника, т.е. напряжение, при котором не происходит самопробой (пробой без поджига), достигает 10 кВ. Известно, что для создания на поверхности твердотельной мишени плазмы с целью конверсии энергии оптического излучения лазера в энергию ультрафиолетового (УФ) излучения плазмы, достаточно достигнуть в пятне фокусировки плотности потока энергии на уровне ~10⁹ Вт/см² [4]. Как показали эксперименты, при таком уровне плотности потока энергии и при длительности падающего на мишень излучения (2-3)⋅10^-8 с образующаяся у поверхности мишени плазма является достаточно мощным источником УФ излучения, которое эффективно ионизирует остаточные газы в окружающем пространстве при давлении остаточных газов 10^-4-10^-3 Тор (10²-10^-1 Па) на расстоянии по крайней мере в несколько миллиметров [5]. С учетом того, что площадь пятна фокусировки лазера на мишени в описываемых экспериментах ~10^-3 см² и площадь катодного пятна [6] сравнимы по величине, ионизация остаточных газов в межэлектродном пространстве разрядника предлагаемой конструкции излучением катодного пятна при инициировании искрового разряда является эффективным механизмом создания в промежутке «анод-катод» проводящей среды с развитием в ней разряда.

Расстояние между торцевыми поверхностями стержневой части катода и анода d₁ меньше расстояния между анодом и коаксиальным цилиндрическим выступом катода d₂, т.е. d₁<d₂. Это обеспечивает локализацию канала протекания тока в промежутке анод-катод на оси симметрии разрядника, т.к. в этом случае меньше длина канала протекания тока и меньше его омическое сопротивление при том, что указанные возможные каналы протекания тока длиной d₁ и d₂ включены в электрическую цепь параллельно. Протекание большей части тока в первом канале обеспечит более сильный разогрев проводящей среды - плазмы. С ростом температуры плазмы ее омическое сопротивление падает, что приведет к дальнейшему перераспределению тока между первым и вторым каналами, причем в пользу именно первого канала. Таким образом и произойдет локализация тока разряда в промежутке анод-катод на оси симметрии разрядника.

Вакуум внутри герметичной оболочки разрядника устанавливается на уровне 10^-4-10^-2 Тор (10^-2-10⁰ Па), что позволяет одновременно обеспечить высокую электропрочность межэлектродного промежутка и высокую степень ионизации остаточного газа в пространстве между анодом и катодом УФ излучением плазмы искрового разряда по боковой поверхности диэлектрической шайбы в промежутке «катод - поджигающий электрод». Создание проводящей среды в промежутке «анод - катод» позволяет пространственно разделить канал протекания тока в промежутке «анод-катод» от промежутка «катод - поджигающий электрод» и тем самым уменьшить эрозию диэлектрической шайбы, разделяющей катод и поджигающий электрод, и прилегающие к ней поверхности указанных электродов, что повышает стабильность срабатывания системы поджига и увеличивает ресурс разрядника.

Используемая литература

1. Островская Г.В., Зайдель А.Н. Лазерная искра в газах // УФН, 1973, Т. 111, с. 579.

2. Райзер Ю.П. Оптические разряды // УФН, 1980, Т. 132, с. 549.

3. Juttner В. et al. Cathode spots // Handbook of Vacuum Arc Science and Technology. R.L. Boxman, P. Martin, D. Sanders (editors), Noyes Publications (Park Ridge, NJ), 1995, p. 281.

4. Ананьин О.Б. и др. Лазерная плазма. Физика и применения: Монография. - М.: МИФИ, 2003. - С. 10, 186.

5. Давыдов С.Г. и др. Процесс коммутации вакуумного разрядника с лазерным управлением // Успехи прикладной физики, 2014, Т. 2, №6, с. 613.

6. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. - М.: Наука, 2000. - С. 279-282, 327-341.