RU2497224C2 - Gas-discharge switchboard - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: gas-discharge switchboard includes a gas-filled tight housing with a cathode and an anode, which are located in it and made in the form of a shell enclosing a discharge area, and in the form of a grid, with a gap relative to each other. An insulator is installed in the housing between lead-ins of the cathode and the abnode. The housing is filled with working gas consisting of helium and/or neon with additives of hydrogen in the amounts leading to preferable hydrogen ionisation, with pressure of 0.05 to 0.5 torr.

EFFECT: owing to the above hydrogen additives to working gas there provided is increase of switching speed and achievement of possibility of switching of high-voltage electric pulses with subnanosecond rise front.

4 cl, 4 dwg

Description

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.The invention relates to electronic equipment, namely, to electric gas-discharge electronic devices and can be used to create pulse devices, in particular, pulse generators, power supplies of pulse devices, pulsed lasers and other devices.

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.A known gas-discharge switch is a thyratron (Vogelson TB, Breusova LN, Vagin LN. Pulse hydrogen thyratrons. M .: "Soviet Radio", 1974, 211 pp.), Containing a gas-filled sealed enclosure, in which hydrogen with a pressure of tens of Pa was used as a working gas; electrodes were made in the casing: a heated cathode, an anode, and a grid located between them.

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.When an electric pulse is applied to the grid between the grid and the cathode of the thyratron, a gas discharge is ignited. The discharge plasma penetrates behind the grid, into the space between the grid and the anode, as a result of which the latter becomes conductive, closing the electrical circuit to the load.

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.The disadvantages of the known technical solution include the low switching speed, the impossibility of switching high-voltage electrical pulses with a subnanosecond rise front, as well as the low switching efficiency of nanosecond pulses, large power losses during switching, high energy consumption of the cathode heating, a long time from the moment the power is supplied to the cathode heater until ready device for switching impulse.

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.The reasons that impede the achievement of a technical result are as follows. A long preparation time for the thyratron, mainly due to the need to heat the cathode. To carry out switching, the cathode must be heated. The time interval from the moment of supplying power to the cathode heater until the thyratron is ready for switching, that is, the period of time to achieve the required cathode heating, is significant, is minutes. In addition, the transition time of a thyratron from a non-conducting to a conducting state (switching front) is significant - from 10 to 50 ns, depending on the size of the device and the magnitude of the switched current.

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.As the closest analogue, a gas-discharge switch has been adopted (see description to RF patent No. 2089003, IPC: 6 H01J 17/02, 6 H01T 2/00) containing a gas-filled sealed housing in which high-voltage electrodes are located - an anode with or without a hollow chamber and a first cathode with a hollow chamber bounded by metal walls with openings forming a high-voltage discharge gap, an auxiliary anode, and a second cathode located in the opposite part of the device from the main anode — the control unit for turning on the discharge, which informs I high voltage gap through holes in the electrodes, and also comprising a reservoir with a supply of the working gas, wherein the first cathode is adjacent to a second cathode formed in the form of one or more closed cavities with one or more holes, and an auxiliary anode is disposed within the second cathode. The working gas used is hydrogen or deuterium. In the device, the auxiliary anode is made in the form of one or several rings located symmetrically relative to the axis of the device, with holes connecting the cavity of the second cathode with the cavity of the first cathode, and one or more terminals of the auxiliary anode are made in the screen, on which the electric potential of the second cathode is applied. The second cathode is made in the form of an annular closed cavity, the axis of which coincides with the axis of the device, with holes in the wall facing the first cathode, and in the inner cylindrical wall facing the auxiliary anode placed coaxially inside the second cathode and made in the form of a cylinder with holes, located symmetrically relative to the holes in the second cathode. The holes in the walls of the auxiliary anode and the second cathode facing the first cathode are made in the form of an annular gap. Between the end walls of the first and second cathodes, a partition with holes is installed. The cavity of the second cathode is divided into sectors by radial conductive bridges located between the holes in the walls of the second cathode. Part of the surface of the second cathode is made of emission-active material or a tablet of the specified material is installed inside its cavity. The control unit is made up of one or more blocking electrodes located in the cavity of the first cathode. The blocking electrode is made with the possibility of electrical contact with the auxiliary anode or is made with the possibility of the formation of a single element with it. The reservoir with the supply of working gas is connected to the gas-filled sealed housing through a hollow insulator, the length of which is selected, providing electric strength along its outer surface, and the cavity inside the insulator is divided by electrodes with holes into a series of high-voltage gaps, providing electric strength of the reservoir with the supply of working gas. The holes in the structural elements of the device are made with a diameter of less than 3 mm and are located misaligned relative to each other. The volume between one of the electrodes of the device and the reservoir with a working gas supply is filled with a porous mass of a dielectric with a secondary emission coefficient from 0.9 to 1.2 or with dielectric particles with the indicated value of the surface secondary emission coefficient, for example, silica sand coated with chromium oxide.

К недостаткам ближайшего аналога относится низкая скорость коммутации, невозможность коммутации высоковольтных электрических импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания.The disadvantages of the closest analogue include the low switching speed, the impossibility of switching high-voltage electrical pulses with a subnanosecond rise front.

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.Although the considered technical solution uses a cold hollow cathode in comparison with the first indicated analogue, as a result of which the cathode does not need to be heated, nevertheless, this fact does not eliminate the need for heating the hydrogen generator. Despite the fact that the preparation time of the thyratron for operation is reduced in comparison with the first indicated analogue, the switching time in such a thyratron due to its design features and the use of hydrogen or deuterium as a working gas is from 3 to 10 ns, providing a still low switching speed and impossibility of switching pulses with a subnanosecond rise front. The transition of the device from a non-conducting to a conducting state (switching time) is quite long.

Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:

- повышение скорости коммутации;- increased switching speed;

- достижение возможности коммутации высоковольтных электрических импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания.- the achievement of the possibility of switching high-voltage electrical pulses with a subnanosecond rise front.

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.The technical result is achieved in a gas-discharge switch containing a gas-filled sealed housing in which the cathode and anode are located, the cathode and anode are made, respectively, in the form of a shell covering the discharge region, and in the form of a grid, with a gap relative to each other, the housing is filled with working gas in the composition of helium and / or neon with the addition of hydrogen in amounts leading to the predominant ionization of hydrogen.

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.In the gas-discharge switch, the casing is filled with working gas in the composition of helium and / or neon with hydrogen additives in quantities leading to the predominant ionization of hydrogen, namely, with a hydrogen pressure of 0.05 ÷ 0.5 Torr.

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.In the gas-discharge switch, the cathode and anode are made, respectively, in the form of a shell covering the discharge region and in the form of a grid, with a gap relative to each other, equidistant, while the diameter of the cathode is not less than 10 times the gap, the anode in the form of a grid with geometrical transparency of 85%, the casing is filled with a working gas in the composition of helium and / or neon with hydrogen additives in quantities leading to the predominant ionization of hydrogen, namely, it is filled with helium under a pressure of 6 Torr and hydrogen, characterized by a pressure from 0.1 to 0, 3 Torr

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.In the gas-discharge switch, the cathode and anode, respectively, made in the form of a shell covering the discharge region, and in the form of a grid, with a gap relative to each other, are provided with electrical inputs at the ends, and the casing in which the anode and cathode are located is equipped with an insulator installed between electrical inputs of the cathode and anode.

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 $$P_{H_2}=\mathrm{0,2}Topp;$$

10 - зависимость, полученная в случае использования смеси гелия и водорода с давлением, соответственно, P_He=4 Торр и $$P_{H_2}=\mathrm{0,4}Topp.$$

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.The invention is illustrated by the following description and the accompanying figures. Figure 1 shows the design of a gas-discharge device for switching high-voltage pulses, where 1 is the cathode; 2 - anode grid; 3 - insulator; 4 - electrical inputs. Figure 2 shows the connection diagram of a gas discharge switch to a pulsed power supply made as part of a constant voltage power supply, a switching device for high voltage pulses (thyratron, lamp, transistor or other), discharge capacitance C, inductance L ₁ and L ₂ , diode D, peak capacitance C ₀ , through the load resistance (active) R _H , connected in series with the discharge switch, where 5 is a constant voltage power supply; 6 - switching device of high voltage pulses (thyratron, lamp, transistor or other); 7 - gas discharge switch. Figure 3 shows the experimental data showing the switching characteristics of the device, - the dependence of the switching time on the voltage at C ₀ for different compositions of the working gas in the gas-filled housing of the device, where 8 is the dependence obtained in the case of using helium with a pressure P _He = 8 Torr; 9 - dependence obtained in the case of using a mixture of helium and hydrogen with pressure, respectively, P _he = 4 Torr and $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P\; H"\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P\; </figure-callout>}}_{H_{}}=0.2Topp;$$

10 - dependence obtained in the case of using a mixture of helium and hydrogen with pressure, respectively, P _He = 4 Torr and $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P\; H"\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P\; </figure-callout>}}_{H_{}}=0.4Topp.$$

Figure 4 shows the experimental dependence of the pulse repetition rate on the hydrogen pressure at a helium pressure p _He = 6 Torr and an active load resistance R _H = 50 Ohms.

Причинно-следственная связь между указанным техническим результатом и совокупностью существенных признаков заключается в следующем.The causal relationship between the specified technical result and the set of essential features is as follows.

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.In the proposed gas discharge switch in a gas-filled sealed enclosure, a mixture containing helium, neon or nitrogen with hydrogen additives is used as the working gas. It is hydrogen additives that lead to a reduction in the duration of the transition of the gas-discharge switch from a non-conducting state to a conducting state and ensure the achievement of the specified technical result.

Рассмотрим ситуацию в случае отсутствия добавок водорода.Consider the situation in the absence of hydrogen additives.

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.The cathode and the anode, located in a gas-filled sealed housing, are respectively made in the form of a shell covering the discharge region, and in the form of a grid, there is a gap between the last and inner surface of the cathode. The grid of the anode, in particular, the equidistant of the inner surface of the cathode, while the diameter of the cathode exceeds the distance between the cathode and the anode by no more than 10 times. The gas-filled housing is filled with a mixture containing helium, neon or nitrogen. When a high voltage (several kilovolts) is applied at the cathode-anode gap (minus at the cathode), at which the Dreiser criterion for runaway electrons is fulfilled, an electron beam is generated that flies past the anode and excites the working gas in the anode cavity. The resonant radiation of this gas hits the cathode, causes photoemission and the generation of new electrons, the process develops exponentially and the cathode – anode gap becomes highly conductive in a relatively short time.

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.However, in the working gas in the composition of helium, neon, or nitrogen, a relatively slow increase in the front of the current pulse dI / dt and voltage dU / dt is observed. So, they are, respectively, dI / dt = 1.25 × 10 ¹¹ A / s and dU / dt = 10 ¹¹ V / s with a current density at a maximum of j = 1 A / cm ² and its slew rate dj / dt = 1.25 × 10 ⁸ A / cm ² s. The slow increase in current and, as a consequence, the voltage at the load is due to the fact that the resonant radiation from the volume of the cavity of the housing due to reabsorption of radiation slowly reaches the cathode surface. The probability that a photon reaches the cathode from a point located at a distance R from it is expressed by the formula A = 1.1 × 10 ⁶ / R (Phelps AV Phys. Rev., V.117, No. 3, PP619-632. (1960)), at R = 1 cm-A = 1.1 × 10 ⁶ sec ^-1 . This means that only 1% of the photons reaches the cathode in a time of 10 ns, which determines a relatively slow increase in current. In addition, there is a decrease in the breakdown delay time, which forces the use of a faster charge of the working capacity or storage line and, therefore, imposes additional requirements on the primary switch.

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 $$P_{H_2}=0,05÷0,5Topp.$$

Таким образом, принципиально меняют процессы в разрядном зазоре. Благодаря меньшему потенциалу ионизации молекулы водорода $${\varphi }_{H_2}=15,4эВ$$

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: $$H_2^{+}\left(1\right)+H_2\left(2\right)\to H_2\left(1\right)+H_2^{+}\left(2\right)$$

импульс остается у налетающей частицы, то есть в результате акта резонансной перезарядки появляется быстрая молекула водорода H₂(1) и медленный ион молекулы водорода $$H_2^{+}\left(2\right)$$

, который начинает ускоряться до следующего акта перезарядки. В результате при движении иона через промежуток анод - катод образуются быстрые молекулы. Их энергия приближенно равнаThe addition of hydrogen to the working gas significantly increases the switching speed, provides the ability to switch high-voltage electrical pulses with a subnanosecond rise front. So, in a sealed enclosure, small amounts of hydrogen are added to the working cavity filled with helium and / or neon, which ensure predominant ionization of hydrogen due to the lower ionization potential of the hydrogen molecule. In particular, hydrogen additives are added with pressure $$P_{H_{}}$$$${{}_2}_{}=0,05÷0,5Topp.$$

Thus, fundamentally change the processes in the discharge gap. Due to the lower ionization potential of the hydrogen molecule $${\varphi }_{H_{}}$$$${{}_2}_{}=\mathrm{one}5,\mathrm{four}\mathrm{uh}\mathrm{AT}$$

Compared with the ionization potential of the helium atom, φ _He = 24.6 eV, the discharge begins to develop with the predominant ionization of hydrogen. The resulting molecular hydrogen ions are accelerated in the anode-cathode gap. The energy that the ion of a hydrogen molecule acquires is determined, on the one hand, by the potential drop along the mean free path of the ion before it is recharged by a non-ionized hydrogen molecule, and on the other hand, by the loss of energy due to elastic and inelastic collisions with helium atoms. The ratio between the energies acquired and scattered in the collisions of the energies depends on the kinetic energy (or velocity) of the molecule, and at w≥100 eV the charge exchange cross section is much larger than the scattering cross section (McDaniel I. Collision processes in ionized gases. M.: Mir, 1967, 832 p.). Therefore, when accelerating an ion of a hydrogen molecule, energy losses due to collisions can be neglected before the event of resonant charge exchange. When resonant recharging: $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="H"\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_2^{+}\left(\mathrm{one}\right)+H_2\left(2\right)\to H_2\left(\mathrm{one}\right)+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="H"\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_2^{+}\left(2\right)$$

the impulse remains with the incident particle, i.e., as a result of the resonant charge exchange, a fast hydrogen molecule H ₂ (1) and a slow ion of a hydrogen molecule appear $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="H"\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_2^{+}\left(2\right)$$

, which begins to accelerate until the next recharge event. As a result, when an ion moves through the gap between the anode and cathode, fast molecules are formed. Their energy is approximately equal

$$w=e\text{}U/\sigma N\left(1\right),$$

$$w=e\text{A.}U/\sigma N\left(\mathrm{one}\right),$$

где e - заряд электрона;where e is the electron charge;

U - приложенное напряжение к разрядному промежутку;U is the applied voltage to the discharge gap;

σ - сечение резонансной перезарядки;σ is the cross section for resonant charge exchange;

N - концентрация молекул водорода.N is the concentration of hydrogen molecules.

При давлении водорода $$P_{H_2}=0,3Topp$$

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 величинуAt hydrogen pressure $$P_{H_{}}$$$${{}_2}_{}=0,3Topp$$

and room temperature - N = 10 ¹⁶ cm ^-3 . In this case, at U = 10 kV and σ = 10 ^-15 cm ^{2, the} initial energy of fast molecules, according to formula (1), will be w ~ 1 keV (McDaniel I. Collision processes in ionized gases. M.: Mir , 1967, 832 s.). Molecules with such energy effectively excite the resonance state of the helium atom and, more importantly, simultaneously transfer the energy of the motion directed toward the cathode to it. As a result, an excited helium atom radiates due to the Doppler effect at a displaced frequency relative to the radiation of a stationary atom. This displacement amounts to

$$\Delta \nu =\frac{\nu }{c}{\nu }_0=\frac{\nu }{c}\frac{c}{{\lambda }_0}=\frac{1}{{\lambda }_0}\sqrt{\frac{2w}{M}}\left(2\right)$$

, $$\Delta \nu =\frac{\nu }{c}{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="\nu "\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\nu </figure-callout>}}_0=\frac{\nu }{c}\frac{c}{{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="\lambda "\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\lambda </figure-callout>}}_0}=\frac{\mathrm{one}}{{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="\lambda "\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\lambda </figure-callout>}}_0}\sqrt{\frac{2w}{M}}\left(2\right)$$

,

где ν₀ - частота излучения на резонансном переходе на длине волны λ₀=58,4 нм;where ν ₀ is the radiation frequency at the resonant transition at a wavelength of λ ₀ = 58.4 nm;

c - скорость света;c is the speed of light;

ν - скорость атома гелия;ν is the speed of the helium atom;

M - масса атома гелия;M is the mass of the helium atom;

w - энергия, полученная от молекулы водорода.w is the energy received from the hydrogen molecule.

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 $$\tau \sim A_r^{-1}\approx 0,55нс$$

.At w = 100 eV-Δν = 1.2 × 10 ¹² Hz. The radiation of the helium atom, shifted by such a value, is completely not absorbed at the resonance transition and therefore freely reaches the cathode surface. The probability of a helium atom radiation at the resonant transition is A _r = 1,8 × ¹⁰ September with ^{-1 (Wiese WL, Fuhr JRJ Phys} . Chem. Ref. Data, V.38, №3, PP.565-719 ( 2009)) , therefore, the obtained development time of the discharge and the switching time has a characteristic value $$\tau \sim A_r^{-\mathrm{one}}\approx 0,55n\mathrm{from}$$

.

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 $$H_{}^{+}+H_2\to He+H_2^{+},$$

имеющей сечение около 10^-15 см², за время примерно 1 мкс происходит превращение в ионы $$H_2^{+}$$

. 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.After the current pulse passes through the switch, the rate of restoration of its electric strength depends on the rate of recombination of ions and electrons formed during the switching. Moreover, in the He + H ₂ mixture after a short time due to the quasi-resonant charge exchange reaction $$H_{}^{+}+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="H"\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_2\to He+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="H"\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_2^{+},$$

having a cross section of about 10 ^-15 cm ² , during about 1 μs, conversion to ions $$H_{}^{}$$$${}_2^{+}$$

. The predominant mechanism of molecular ion recombination is dissociative recombination, which is much faster than shock-radiative recombination, which is the main mechanism of atomic ion recombination (Raizer Yu.L. Gas discharge physics. Dolgoprudny. Intellect, 2009, 734 pp.). Therefore, a device filled as a working gas with a He-H ₂ mixture restores its electric strength faster than when it is filled with helium and / or neon.

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.Thus, the addition of small amounts of hydrogen to the composition of the working gas, which ensures predominant ionization of hydrogen over the ionization of the main components of the working gas during the development of the transition from a non-conducting to a conducting state of the discharge gap, reduces the duration of the transition of a gas-discharge switch from a non-conducting state to a conducting state and, as a result, provides high switching speed and achieving the possibility of switching high-voltage electric their pulses with a subnanosecond rise front.

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.The proposed gas discharge switch contains (see Figure 1) a gas-filled sealed housing in which the cathode 1, anode 2 are located. In this case, the cathode 1 and anode 2 are made, respectively, in the form of a shell covering the discharge region, and in the form of a grid, with a gap relative to each other. The housing is filled with a working gas in the composition of helium and / or neon with hydrogen additives in quantities leading to the predominant ionization of hydrogen.

В частном случае реализации в газоразрядном коммутаторе рабочий газ используют с добавками водорода в количествах, характеризующихся давлением водорода 0,05÷0,5 Торр.In the particular case of implementation in a gas discharge switch, the working gas is used with hydrogen additives in amounts characterized by a hydrogen pressure of 0.05 ÷ 0.5 Torr.

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.In the particular case of the implementation of a gas discharge switch, it contains a cylindrical cathode 1 made of reaction-sintered silicon carbide SiC with a diameter of d _c = 28 mm. The diameter of the cathode exceeds the gap between the cathode 1 and the anode 2 by no more than 10 times. Equidistant to cathode 1 is anode 2 in the form of a grid with a diameter of d _a = 22 mm with a geometric transparency of 85%. The lengths of the cathode 1 and the anode 2 are equal and are l = 32 mm. The grid of the anode 2 is formed by rectangular cells measuring 10 mm × l, 6 mm and made of wire, for example stainless steel or any other, with a diameter of 0.21 mm. The body of the device is filled with helium under a pressure of 6 Torr and hydrogen, characterized by a pressure of 0.1 to 0.3 Torr, corresponding to the indicated value of the helium pressure at which the predominant ionization of hydrogen occurs. The housing is equipped with an insulator 3 (see Figure 1), for example, of quartz. The cylindrical cathode 1 and anode 2 are equipped with electrical inputs 4 at the ends of the cylinders. Insulator 3 is installed between the inputs of the cathode 1 and the anode 2.

Газоразрядный коммутатор для коммутации высоковольтных электрических импульсов используют следующим образом.A gas discharge switch for switching high voltage electrical pulses is used as follows.

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».For operation, the gas discharge switch 7 is connected in series with the load R _H and connected to a switching power supply according to the circuit shown in FIG. 2, connecting one of the electrical inputs 4 (see FIG. 1) through the load R _H with a switching power supply, while the other input of the discharge switch 7 is connected to a ground point. The switching power supply circuit (see FIG. 2) contains a capacitance C connected at one end to a constant voltage power supply 5, and to a second end with an inductance L ₁ , which is grounded at the other end. A switching device of high voltage pulses (thyratron, lamp, transistor, or other) 6, which is the primary switching device, is connected to one end of the capacitance C. The second end of the capacitor C is connected with one end of the inductance L _2, the second end of the inductance L ₂ is connected with the diode D. The base of the diode D is connected to one end of the load resistance R _H. In addition, an sharpening capacitance C _{0 is} connected at one end to the base of the diode D, which is connected to the ground point at the other end.

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.The discharge capacity of the power source C is charged through the inductance L ₁ to voltage U. At the time when the switching device of the high voltage pulses (thyratron, lamp, transistor or other) 6 opens, a voltage pulse of negative polarity is generated on the inductance L ₁ , the generated voltage pulse charges peak (sharpening) capacity C ₀ , with C ₀ ≤C. C ₀ is charged to a voltage close to U. This voltage pulse is applied to the discharge gap of the cathode 1 — anode 2 of the gas discharge switch (see FIG. 1), that is, between the electrical input 4, through the load R _H connected to the switching power supply, and the input connected to the ground, and to the active load R _H connected in series with it. With a delay (typical values are tens to hundreds of nanoseconds), depending on the design parameters of the gas-discharge switch, as well as the composition and pressure of the gas mixture inside it, the device switches quickly. The gas discharge switch goes into a conducting state, as a result of which the peaking capacitance C ₀ begins to discharge through the load resistance R _H. The inductance of the circuit consisting of C ₀ , R _H and the gas discharge switch itself is minimized in order to achieve the shortest switching time of the device. By changing the inductance L ₂ it is possible to adjust the charging time of the sharpening capacitance C ₀ . The response frequency of the gas discharge switch is equal to the response frequency of the switching device of the high voltage pulses (thyratron, lamp, transistor or other) 6, which is the primary switching device, that is, it is determined by its triggering pulse.

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 $$P_{H_2}=0,2Topp,$$

и зависимости 10, полученной в случае использования смеси гелия и водорода с давлением, соответственно, P_He=4 Торр и $$P_{H_2}=0,4Topp,$$

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.Figures 3 and 4 show experimentally obtained curves showing the switching characteristics of a gas discharge switch. From the dependences of the switching time on the voltage at the active load R _H = 50 Ohms for different compositions of the working gas, in particular, dependence 8 obtained in the case of using helium with a pressure P _He = 8 Torr, dependence 9 obtained in the case of using a mixture of helium and hydrogen with pressure, respectively, P _He = 4 Torr and $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P\; H"\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P\; </figure-callout>}}_{H_{}}=0,2Topp,$$

and dependence 10 obtained in the case of using a mixture of helium and hydrogen with pressure, respectively, P _He = 4 Torr and $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P\; H"\; filenames="00000017.png,00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P\; </figure-callout>}}_{H_{}}=0,\mathrm{four}Topp,$$

it can be seen that the typical voltage switching times generated at the active load R _H = 50 Ohms by a gas-discharge switch with gas filling, consisting of helium and hydrogen, are less than 0.4 ns (see Figure 3). From the experimental dependence of the pulse repetition rate on the hydrogen pressure at a helium pressure P _He = 6 Torr and the active load resistance R _H = 50 Ohms (see Figure 4), it is seen that with the introduction of hydrogen and an increase in its pressure, the limiting frequency of operation of the gas discharge switch increases reaches 8 kHz.

Claims (4)

1. Газоразрядный коммутатор, содержащий газонаполненный герметичный корпус, в котором расположены катод и анод, отличающийся тем, что катод и анод выполнены соответственно в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, с зазором относительно друг друга, корпус заполнен рабочим газом в составе гелия и/или неона с добавками водорода в количествах, приводящих к преимущественной ионизации водорода.1. A gas discharge switch comprising a gas-filled sealed housing in which a cathode and anode are located, characterized in that the cathode and anode are respectively made in the form of a shell covering the discharge region and in the form of a grid, with a gap relative to each other, the housing is filled with working gas in the composition of helium and / or neon with the addition of hydrogen in amounts leading to the predominant ionization of hydrogen. 2. Газоразрядный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что 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.2. The gas-discharge switch according to claim 1, characterized in that the housing is filled with a working gas of helium and / or neon with hydrogen additives in quantities leading to the predominant ionization of hydrogen, namely, with a hydrogen pressure of 0.05 ÷ 0.5 Torr . 3. Газоразрядный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что катод и анод выполнены соответственно в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, с зазором относительно друг 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.3. The gas discharge switch according to claim 1, characterized in that the cathode and anode are respectively made in the form of a shell covering the discharge region, and in the form of a grid, with a gap relative to each other, is equidistant, while the diameter of the cathode is at least 10 times larger the gap, the anode in the form of a grid is made with a geometric transparency of 85%, the housing is filled with working gas in the composition of helium and / or neon with hydrogen additives in quantities leading to the predominant ionization of hydrogen, namely, filled with helium under a pressure of 6 Torr and hydrogen, characterizing imsya pressure of from 0.1 to 0.3 Torr. 4. Газоразрядный коммутатор по п.1 или 3, отличающийся тем, что катод и анод выполненные, соответственно в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, с зазором относительно друг друга, снабжены на концах электрическими вводами, а корпус, в котором расположены анод и катод, снабжен изолятором, установленным между электрическими вводами катода и анода. 4. The gas-discharge switch according to claim 1 or 3, characterized in that the cathode and anode are made, respectively, in the form of a shell covering the discharge region, and in the form of a grid, with a gap relative to each other, provided with electrical inputs at the ends, and the housing, in which the anode and cathode are located, is equipped with an insulator installed between the electrical inputs of the cathode and the anode.

Images