RU203340U1 - Controlled gas-filled arrester - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области импульсной техники и представляет собой управляемый газонаполненный разрядник, который может использоваться в качестве первичного коммутатора сильноточных импульсных электрофизических устройств, например, ускорителей электронов. Управляемый разрядник содержит соосные анод, катод и окно для ввода лазерного излучения, размещенные в герметичном корпусе, объем которого заполнен газом с давлением от 0,1 МПа до 10 МПа. Анод и катод выполнены из нержавеющей стали в виде тел вращения. Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности срабатывания, снижение времени задержки срабатывания и увеличение срока службы управляемого разрядника.Технический результат достигается тем, что лазерное излучение вводится в управляемый разрядник по оси электродов через окно, расположенное за катодом. В катоде выполнено сквозное отверстие с диаметром, минимально необходимым для фокусировки лазерного излучения на аноде. Тем самым достигается более быстрое перекрытие разрядного промежутка за счет использования катодонаправленного стримера с анода. Расположение окна за катодом с минимально необходимым для фокусировки отверстием и использование вставки из вольфрамового сплава на аноде в области фокусировки лазерного излучения снижает вероятность запыления окна ввода излучения продуктами эрозии электродов. Тем самым достигается увеличение срока службы разрядника.The utility model relates to the field of pulsed technology and is a controlled gas-filled spark gap that can be used as a primary switch for high-current pulsed electrophysical devices, for example, electron accelerators. The controlled spark gap contains a coaxial anode, a cathode and a window for inputting laser radiation, placed in a sealed housing, the volume of which is filled with gas with a pressure from 0.1 MPa to 10 MPa. The anode and cathode are made of stainless steel in the form of bodies of revolution. The technical result of the utility model is an increase in the stability of operation, a decrease in the response delay time and an increase in the service life of the controlled spark gap. The technical result is achieved by the fact that laser radiation is introduced into the controlled spark gap along the axis of the electrodes through a window located behind the cathode. A through hole is made in the cathode with a minimum diameter necessary for focusing the laser radiation on the anode. Thus, a faster overlapping of the discharge gap is achieved due to the use of a cathode-directed streamer from the anode. The location of the window behind the cathode with the minimum hole required for focusing and the use of a tungsten alloy insert on the anode in the focusing area of the laser radiation reduces the likelihood of dusting the radiation input window with electrode erosion products. This increases the service life of the arrester.

Description

Полезная модель относится к области импульсной техники и представляет собой управляемый разрядник, который может использоваться в качестве первичного коммутатора сильноточных импульсных электрофизических устройств, например, ускорителей электронов.The utility model relates to the field of pulsed technology and is a controlled spark gap that can be used as a primary switch for high-current pulsed electrophysical devices, for example, electron accelerators.

Известен управляемый разрядник, содержащий катод и анод, расположенные в герметичном диэлектрическом корпусе с окном для ввода сфокусированного управляющего лазерного излучения, анод выполнен в виде цилиндрического стакана, внешней стороной обращенный к окну, а дном - к катоду, в дне стакана на оси симметрии разрядника выполнено сквозное отверстие диаметром, минимально достаточным для фокусировки луча лазера на поверхности катода. Объем корпуса разрядника заполнен газом с давлением от 10³ Па до 10⁶ Па [Патент Российской Федерации № 196890, МПК H01T 14/00 (2006.01), 19.03.2020]. Недостатком является зажигание лазерной плазмы на катоде, которая используется для инициации стримера для перекрытия разрядного промежутка. Перекрытие разрядного промежутка возможно, как стримером с катода, так и стримером с анода. Катодонаправленный стример с анода имеет большую скорость и временную стабильность, чем анодонаправленный стример с катода [A. H. Guenther, J. R. Bettis / The laser triggering of high-voltage switches //J. Phys. D: Appl. Phys. 1978, 11 1577]. Таким образом, инициирование и использование анодонаправленного стримера c катода для перекрытия разрядного промежутка является основным недостатком такого разрядника, приводящим увеличению задержки и нестабильности срабатывания.Known controllable spark gap containing a cathode and anode, located in a sealed dielectric housing with a window for the input of focused control laser radiation, the anode is made in the form of a cylindrical glass, the outer side facing the window, and the bottom - to the cathode, in the bottom of the glass on the axis of symmetry of the spark gap is made a through hole with a minimum diameter sufficient to focus the laser beam on the cathode surface. The volume of the arrester body is filled with gas with a pressure from 10 ³ Pa to 10 ⁶ Pa [Patent of the Russian Federation No. 196890, IPC H01T 14/00 (2006.01), 19.03.2020]. The disadvantage is the ignition of the laser plasma at the cathode, which is used to initiate the streamer to close the discharge gap. Overlapping of the discharge gap is possible both by a streamer from the cathode and by a streamer from the anode. A cathode-directed streamer from the anode has a higher speed and temporal stability than an anode-directed streamer from the cathode [AH Guenther, JR Bettis / The laser triggering of high-voltage switches // J. Phys. D: Appl. Phys. 1978, 11 1577]. Thus, the initiation and use of an anode-directed streamer from the cathode to close the discharge gap is the main disadvantage of such a spark gap, leading to an increase in the delay and instability of operation.

Известен разрядник [Патент США № 6555961B1, H01J 17/30, 23.04.2003], в котором перекрытие разрядного промежутка инициируется с анода с помощью скользящего разряда. При этом отмечается, что разряд с анода создает меньшие повреждения изоляторов, чем аналогичный с катода. Недостатками являются: использование сложной системы генерирования начальных электронов, которые запускают разряд с анода. Другим недостатком является наличие гальванической связи между системой запуска и высоковольтной цепью.Known arrester [US Patent No. 6555961B1, H01J 17/30, 23.04.2003], in which the overlap of the discharge gap is initiated from the anode using a sliding discharge. It is noted that the discharge from the anode creates less damage to the insulators than the similar discharge from the cathode. The disadvantages are: the use of a complex system for generating initial electrons that trigger the discharge from the anode. Another disadvantage is the presence of a galvanic connection between the starting system and the high voltage circuit.

Известен управляемый разрядник [Авторское свидетельство СССР № 1101133, H01T 14/00, 31.03.1982], содержащий, кроме двух основных электродов, промежуточный электрод-мишень с осевым отверстием, который расположен на равном расстоянии между основными электродами. Данное техническое решение позволяет формировать как катодный, так и анодный, более быстрый, стример для перекрытия разрядного промежутка. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.Known controlled spark gap [USSR Inventor's Certificate No. 1101133, H01T 14/00, 03/31/1982], containing, in addition to two main electrodes, an intermediate target electrode with an axial hole, which is located at an equal distance between the main electrodes. This technical solution makes it possible to form both a cathode and anode, faster streamer for overlapping the discharge gap. This technical solution was adopted as a prototype.

Недостатком прототипа является увеличение длины разрядного промежутка за счет введения в него промежуточного электрода-мишени, что приводит к снижению быстродействия и увеличению индуктивности разрядника и/или увеличению рабочего давления при фиксированном межэлектродном расстоянии. Поскольку лазерная плазма зажигается на среднем электроде-мишени, то разные половины разрядного промежутка перекрываются стримерами противоположной направленности. Это значит, что наличие более медленного катодного стримера не исключено полностью.The disadvantage of the prototype is an increase in the length of the discharge gap due to the introduction of an intermediate target electrode into it, which leads to a decrease in the speed and an increase in the inductance of the spark gap and / or an increase in the working pressure at a fixed interelectrode distance. Since the laser plasma is ignited at the middle target electrode, different halves of the discharge gap are overlapped by streamers of the opposite direction. This means that the presence of a slower cathode streamer cannot be completely ruled out.

Задачей полезной модели является повышение стабильности срабатывания, снижение времени задержки срабатывания и увеличение срока службы газонаполненного управляемого разрядника.The task of the utility model is to increase the stability of operation, reduce the response delay time and increase the service life of a gas-filled controlled spark gap.

Технический результат достигается тем, что лазерное излучение вводится в газонаполненный управляемый разрядник по оси электродов через окно, расположенное за катодом. В катоде выполнено сквозное отверстие с диаметром, минимально необходимым для фокусировки лазерного излучения на аноде. Тем самым достигается более быстрое перекрытие разрядного промежутка за счет использования катодонаправленного стримера с анода. Расположение окна за катодом с минимально необходимым для фокусировки отверстием и использование вставки из вольфрамового сплава на аноде в области фокусировки лазерного излучения снижает вероятность запыления окна ввода излучения продуктами эрозии электродов. Тем самым достигается увеличение срока службы разрядника.The technical result is achieved by the fact that laser radiation is introduced into a gas-filled controlled spark gap along the axis of the electrodes through a window located behind the cathode. A through hole is made in the cathode with a minimum diameter necessary for focusing the laser radiation on the anode. Thus, a faster overlapping of the discharge gap is achieved due to the use of a cathode-directed streamer from the anode. The location of the window behind the cathode with the minimum hole required for focusing and the use of a tungsten alloy insert on the anode in the focusing area of the laser radiation reduces the likelihood of dusting the radiation input window with electrode erosion products. Thus, an increase in the service life of the arrester is achieved.

Предлагаемая конструкция газонаполненного управляемого разрядника позволяет формировать импульсы напряжения порядка 200 кВ и выше с длительностью фронта 0,1 нс и менее и разбросом включения относительно запускающего лазерного импульса не хуже 0,3 нс.The proposed design of a gas-filled controlled spark gap makes it possible to generate voltage pulses of the order of 200 kV and higher with a rise time of 0.1 ns or less and a spread of switching on relative to the triggering laser pulse not worse than 0.3 ns.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле на полезную модель. Следовательно, заявленная полезная модель отвечает требованию «новизна».The applicant's analysis of the state of the art, including a search for patents and scientific and technical sources of information, made it possible to establish that no analogue was found, characterized by features identical to all essential features of the claimed utility model. Comparison with the prototype made it possible to identify a set of essential features in relation to the perceived technical result set forth in the formula for a utility model. Consequently, the declared utility model meets the requirement of "novelty".

Заявленное техническое решение поясняется Фиг.1, на которой представлен разрез разрядника, где:The claimed technical solution is illustrated in Fig. 1, which shows a section of the arrester, where:

1 - лазер;1 - laser;

2 - излучение лазера;2 - laser radiation;

3 - система фокусировки;3 - focusing system;

4 - окно;4 - window;

5 - катод;5 - cathode;

6 - вольфрамовая вставка;6 - tungsten insert;

7 - анод.7 - anode.

Управляемый газонаполненный разрядник состоит из герметичного корпуса, рассчитанного на давление от 0,1 МПа до 10 МПа. В корпусе разрядника соосно установлены анод 7, имеющий в центральной части вольфрамовую вставку 6, и катод 5. Оба электрода изготовлены из нержавеющей стали в виде тел вращения. В катоде выполнено отверстие минимально необходимое для фокусировки запускающего лазерного излучения 2, которое поступает в разрядник через окно 4, расположенное за катодом 5. Лазерное излучение фокусируется на вольфрамовой ставке 6 в аноде 7 с помощью системы фокусировки 3, находящейся вне герметичного корпуса разрядника, что приводит к появлению лазерной плазмы на аноде, из которой под действием электрического поля, приложенного к электродам, формируется катодонаправленный стример. Типичная скорость анодного стримера 10⁹ см/с [Ретер Г. Электронные лавины и пробой а газах. М.: Мир, 1968. 390 с]. Для условий работы разрядника при напряжении 200 кВ и давлении газа, например, азота в 4 МПа, межэлектродный зазор должен быть порядка 10^-1 см. Такими образом, время перекрытия разрядного промежутка составит 0,1 нс. Такое или даже меньшее время коммутации было подтверждено специально проведенными авторами заявки исследованиями. При этом нестабильность срабатывания разрядника относительно импульса запускающего лазерного излучения при уровне напряжения питания в 90% от напряжения самопробоя разрядника составила 0,3 нс. Полученная стабильность срабатывания аналогична стабильности трехэлектродного управляемого разрядника, но в последнем случае необходим запускающий импульс с амплитудой 15-50 кВ и требуется обеспечить гальваническую связь между коммутируемой цепью и системой запуска [Shpak V. G., Shunailov, S. A., Yalandin M. I. / Investigations of compact high-current accelerators RADAN-303 synchronization with nanosecond accuracy. // Digest of Technical Papers. Tenth IEEE International Pulsed Power Conference, pp. 544-549 doi:10.1109/ppc.1995.596684].The controlled gas-filled arrester consists of a sealed housing designed for a pressure from 0.1 MPa to 10 MPa. In the housing of the arrester, the anode 7 is coaxially installed, which has a tungsten insert 6 in the central part, and the cathode 5. Both electrodes are made of stainless steel in the form of bodies of revolution. A hole is made in the cathode, the minimum required for focusing the triggering laser radiation 2, which enters the spark gap through the window 4 located behind the cathode 5. The laser radiation is focused on the tungsten rate 6 in the anode 7 using the focusing system 3 located outside the sealed housing of the spark gap, which leads to to the appearance of a laser plasma at the anode, from which a cathode-directed streamer is formed under the action of an electric field applied to the electrodes. Typical speed of the anode streamer 10 ⁹ cm / s [Reter G. Electron avalanches and breakdown in gases. M .: Mir, 1968. 390 s]. For the operating conditions of the spark gap at a voltage of 200 kV and a gas pressure, for example, nitrogen of 4 MPa, the interelectrode gap should be of the order of 10 ^-1 cm. Thus, the overlapping time of the discharge gap will be 0.1 ns. Such or even shorter switching times have been confirmed by research carried out by the authors of the application. In this case, the instability of the spark gap operation relative to the triggering laser radiation pulse at a supply voltage level of 90% of the spark gap self-breakdown voltage was 0.3 ns. The resulting operation stability is similar to the stability of a three-electrode controlled spark gap, but in the latter case, a trigger pulse with an amplitude of 15-50 kV is required and a galvanic connection between the switched circuit and the trigger system is required [Shpak VG, Shunailov, SA, Yalandin MI / Investigations of compact high-current accelerators RADAN-303 synchronization with nanosecond accuracy. // Digest of Technical Papers. Tenth IEEE International Pulsed Power Conference, pp. 544-549 doi: 10.1109 / ppc. 1995.596684].

Таким образом, приведенные выше отличительные особенности полезной модели позволяют повысить стабильность и уменьшить задержки срабатывания, а также увеличить срок службы газонаполненного управляемого разрядникаThus, the above-mentioned distinctive features of the utility model make it possible to increase the stability and reduce the response delays, as well as to increase the service life of the gas-filled controlled spark gap.

Claims (2)

1. Управляемый газонаполненный разрядник, содержащий соосные анод, катод, выполненные из нержавеющей стали в виде тел вращения, и окно для ввода лазерного излучения, размещенные в герметичном корпусе, объем которого заполнен газом с давлением от 0,1 МПа до 10 МПа, а также расположенную вне герметичного корпуса систему фокусировки, отличающийся тем, что с целью сокращения времени перекрытия разрядного промежутка и, как следствие, увеличения срока службы разрядника, возбуждение лазерной плазмы производится на аноде сквозь отверстие в катоде с диаметром, минимально необходимым для фокусирования лазерного излучения.1. A controlled gas-filled spark gap containing a coaxial anode, a cathode made of stainless steel in the form of bodies of revolution, and a window for inputting laser radiation, placed in a sealed housing, the volume of which is filled with gas with a pressure of 0.1 MPa to 10 MPa, as well as a focusing system located outside the sealed housing, characterized in that in order to reduce the time of overlapping the discharge gap and, as a consequence, increase the service life of the spark gap, the laser plasma is excited at the anode through a hole in the cathode with a minimum diameter necessary for focusing the laser radiation. 2. Управляемый газонаполненный разрядник по п.1, отличающийся тем, что в аноде в области фокусировки излучения сделана вставка из вольфрамового сплава.2. A controlled gas-filled spark gap according to claim 1, characterized in that a tungsten alloy insert is made in the anode in the radiation focusing region.

Images