Газоразрядное коммутирующее устройство

 

ГАЗОРАЗРЯДНОЕ КОМ1-1УТИРУЩ УСТРОЙСТВО, содержащее цилиндричес кие коаксиальные электроды и управ ляющую катушку, отличающе ся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик и хар теристик управления по зажиганию и гашению разряда без снижения ком тирующей способности по току и напряжению , внутренний электрод выполнен в виде двух секций разного диаметра , а управляющая катушка - в виде двух секций разной длины, причем длинная секция катушки установлена над пространством большего межэлектродного зазора и выполнена с длиной, равной длине секции внутреннего электрода меньшего диаметра, короткая секция катушки установлена со стороны меньшего межэлектродного зазора на расстоянии от длинной секции катушки, превьшгающем по крайней мере в два раза величину меньшего межэлектроднрго зазора, а величины ( 2 межэлектбольшего f, и меньшего родных зазоров выбраны из соотношений cC,T2RL,, где RL , Ri - циклотронные радиусы электрона, соответствующие коммутирующему напряжению и напряжению поддержания разряда . ,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1191978 (58 4 И 01 J 17/14 1 50

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ г- Ъ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ i„" / н втоеском свидяткльствм т

laic. т (21) 3700636/24-21 (22) 15,02.84 ,(46) 15, 11. 85. Бюл. М - 42 . (71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) А.M.Àðø, В.П.Андронова, В.И.Крижановский, А.И.Кузьмичев и А.И.Шендаков (53) 621.387.(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР 1Ф 439026, кл. Н 01 J 1/40, 1974.

Н.Pettetier "1ас аг гоп un tube . h gaz à commande magnetique" Electronique. Industr ielle. (54) (57) ГАЗОРАЗРЯДНОЕ КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее цилиндричес- кие коаксиальные электроды и управляющую катушку, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик и характеристик управления по зажиганию и гашению разряда без снижения коммутирующей способности по току и напряжению, внутренний электрод выполнен в виде двух секций разного диаметра, а управляющая катушка — в виде двух секций разной длины, причем длинная секция катушки установлена над пространством большего межэлектродного зазора и выполнена с длиной, равной длине секции внутреннего электрода меньшего диаметра, короткая секция катушки установлена со стороны меньшего межзлектродного зазора на расстоянии от длинной секции катушки, превышающем по крайней мере в два раза величину меньшего межэлектродного зазора, а величины большего б"„ и меньшего d межэлектродных зазоров выбраны из соотношенийЫ" q 2к(, d g 72R(2 где К ° К4 — ц клотронные радиусы электрона, соответствующие коммутирующему напряжению и напряжению поддержания разряда.

1191978

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к газоразрядным коммутирующим устройствам с магнитным управлением, предназначенным для управляемого 5 зажигания и гашения разряда, и может быть использовано в различных мощных импульсных установках.

Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик и характеристик управления по зажиганию и гашению разряда без снижения коммутирующей способности по току и напряжению за счет снижения мощности управления, 15

На фиг..1 представлена схема устройства; на фиг. 2 — диаграмма токов.

Газоразрядное коммутирующее устройство содержит два цилиндрических коаксиальных электрода 1 и 2. Внут- 20 ренний электрод состоит из двух секций 3 и 4, образующих два межэлектродных зазора 5 и 6. Со стороны большего из них установлена секция катушки 7, а со стороны меньшего — секция 25 катушки 8. Устройство наполнено газом низкого давления, которое опре1

10 деляется из условия р(— -(Тор), R — r

1 где. h — длина свободного пробега электрона при 1 Торе, для обеспечения необходимой электрической прочности в соответствии с левой ветвью кривой Пашена. Каждый из промежутков охвачен собственной катушкой управления (6 и 7): Длина катушки 7"для зазора 5 (основного) с большим межэлектродным расстоянием равна его длине вдоль оси, а длина катушки 8 для второго зазора 6 (вспомогатель- 4р ного) меньше его длины. Расстояние между .секциями катушек 7 и 8 от первого промежутка выбирается таким, чтобы оно более чем в два раза превы- .. шало межэлектродное расстояние вто- 45 рого зазора, т.е. Р 2(R-r>). Граничные увловия выбора межэлектрод- ного расстояния первого зазора (R-r )

1 следующие. Для обеспечения устойчивого зажигания оно должно по край- 5р ней мере в 2 раза превьппать циклотронный радиус электронов при коммутируемом анодном напряжении.

Увеличение межэлектродного расстояния первого зазора (уменьшение rÄ)55 ограничивается условиями охлаждения анода (разряд большую часть времени горит в первом зазоре) и необходимостью обеспечения электрической прочности устройства в соответствии с левой ветвью кривой Пашена.

Практика показывает, что с точки зрения обеспечения электрической прочности в диапазоне 10-40 кВ величина произведения p(R-r„) для водорода должна быть порядка 0,3 мм рт.ст.

Например, при давлении водорода

0,1 Тор межэлектродное расстояние первого промежутка может быть выбрано до 3 см, при давлении 0,05 Тор

его можно увеличивать до 6 см.

Что касается межэлектродного расстояния второго зазора то его величина по крайней мере должна превыппать два циклотронных радиуса при напряжении поддержания разряда (400 В). В этом случае уже обеспечивается устойчивый разряд. Однако ввиду возможности появления вакуумного пробоя в исходном режиме, когда Н2=0 и к электродам приложено высокое коммутируемое напряжение, межэлектродное расстояние второго зазора не следует брать менее, 34 см.

Коммутирующее устройство. последовательно включают в высоковольтную цепь. При подаче в первый (основной) зазор 5 импульса магнитнбгo поля Н„ (фиг. 2) длительностью 7„ несколько меньшей длительности разрядного тока I p (7z ), в основном зазоре 5 зажигается разряд в скрещенных полях, обеспечивающий прохождение разрядного тока. Импульс магнитного поля Н> подается во второй (вспомогательный) зазор 6 в момент времени, предшествующий на величину д72, равную нескольким микросекундам, окончанию импульса Н „ так, чтобы в нем сформировался устойчивый разряд. Длительность импульса Н () выбирается равной 10-15 икс. За это время плазма в первом зазоре полностью распадается, и его электропрочность восстанавливается. При окончании импульса Н разряд во втором зазоре гаснет и прибор полностью выключается. Таким образом, энергетические характеристики прибора в период проводимости и характеристики управления по зажиганию разряда обеспечиваются первым (основным)зазором. Второй (вспомогательный) промежуток включается лишь кратковременно в момент времени, близкий к окончанию разрядного тока, 1191978 н

Н

Нг R-r, что — -0 9

Н R r

1 г.

Легко показать, 1О

20

30

40

3 °

3 5 U

55 и определяет характеристики управления ио гашению разряда.

Влияние плазмы второго зазора на процесс деионизации в первом зазоре практически несущественно благодаря удалению второй катушки, а соответственно и разрядной плазмы второго зазора (протяженность разряда в магнитном поле н коаксиальной .системе электродов определяется длиной магнитной катушки).

Деионизация плазмы между двумя коаксиальными цилиндрами в продольном направлении спадает по экспоненциальному закону пропорционально величине е (1 — длина цилиндров, d — - расстояние между ними), поэтому уже двукратное превышение величины по сравнению с межэлектродным расстоянием второго зазора обеспечивает надежное экранирование первого зазора от второго.

Длительность импульса Н опреде1 ляется длительностью разрядного тока С и равна

-. = -à -(-. — 4-. )

Р 2 "2

Оценить значения Н„ и H можно из выражения

37)

Н=К вЂ” — — — — — ——

r„ где К вЂ” постоянная, зависящая от первого и третьего коэффициентов Таунсенда, от величины отношения заряда электрона к массе;

r >- r — радиусы катода и анода соотк а ветственно; .П вЂ” коммутируемое напряжение.

Данное выражение получено для случая однородного магнитного поля.

При использовании н качестве наполняющего газа водорода с давлением 0,1 Тор можно с достаточной степенью приближенности принять

К=3,5 и тогда

-3 5)0

Н вЂ” — — - — ——

Здесь U следует брать в вольтах, г„ и г — сантиметрах.

В данном устройстве

3 5VUn

=---2.— —------(R г)1 фу г)I

1 где U — коммутируемое напряжение; — напряжение поддержания разряда.

При одинаковом коммутируемом напряжении имеем т.е. можно сказать, что величины магнитных полей различных разрядных промежутков при одинаконом коммутируемом напряжении обратно пропорциональны их межэлектродным расстояниям.

Таким образом, использование н устройстне двух промежутков, различающихся межэлектродным расстоянием, позволяет улучшить энергетические характеристики устройства, уменьшить мощность управления устройством.

Переброс разряда в промежуток. с меньшим межэлектродным расстоянием позволяет повысить коммутируемую способность предлагаемого устройства по току, так как вероятность перехода разряда в неуправляемый магнитным полем дуговой режим с уменьшением расстояния между электродами уменьшается.

С целью опытной проверки техни ческой эффективности устройства, было испытано 2 макета. Один макет прибора содержит обычную коаксиальную систему электродов (как у извес гного), с межэлектродным расстоянием

4 мм (макет N- 1). Второй макет был выполнен в соответствии с изобретением и содержал два промежутка с межэлектродным расстоянием 16 мм (первый) и 4 мм (нторой), каждый из которых. был охвачен отдельной катушкой управления, расстояние между катушками равнялось 10 мм. Радиус катода в обоих макетах составлял 25 мм, высота катода — 60 мм. Высота рабочей части катода (протяженности основного разрядного промежутка) выбиралась равной 4 см и определялась длиной катушки) (в макете Р 2 это первая основная катушка). Все испытания были проведены при коммутируемом напряжении

Бк=6 кВ и давлении водорода, устанавливаемом с помощью генератора водоро- . да, 0,1 Тор.

Результаты обследования макетов сведены н таблицу.

Отсюда отношение мощности управ-, ления в известном устройстве к мощ1191978

230

Ф-2,5

1,5

420

380

520

140

180

180

170.Вспомогательной катушки

180

ВНИИПИ Заказ 7165/49 Тираж 678 Подписное Филиал ППП "Патент", геУжгородр ул.Проектная, 4 нос ти управления в предлагаемом устройстве равно

Н Гд„ вЂ” -" — - = 3,9.

Н „с,„+Н,=., .Максимальный анодный ток, при котором

)происходит устойчивое выключение прибора без снятия высокого напряжения, А

Время выключения .прибора, (время спада анодного тока от уровня 0,9 до уровня

0,1), мкс

Падение напряжения на приборе в проводящий период, В

Минимальное значение магнитного поля, обеспечивающее устойчивое зажигание разряда, Э

Длительность разрядного тока, мкс

Длительность магнитного поля, мкс:

Основной катушки

Значение магнитного поля вспомогательной катушки, при котором падение напряжения во втором промежутке такое же, как и в первом, Э

Отношение энергетических потерь в разрядном промежутке в известном устройстве к энергетическим потерям в предлагаемом равно Щ+ .