RU2676756C1 - Gas discharge switchboard - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: gas-discharge switch relates to electronic engineering, can be used to create pulse devices. Switchboard includes a housing made with the possibility of filling it with a working gas and sealing it, with the formation in it of a discharge region between high-voltage electrodes – a coaxial cathode and an anode. Cathode is made in the form of a shell covering the discharge area, the anode is in the form of a grid. Cathode and the anode in the form of a grid are installed with a gap relative to each other and represent a discharge structure providing a discharge gap. In the housing, a second discharge structure is located comprising a cathode of said first discharge structure and a dielectric capillary structure provided with an additional anode is located to form an additional discharge gap. Latter is made in the form of a dielectric body with a through hole of a discrete-variable diameter, which is a discharge channel, with periodic alternation of sections of the hole with diameter dand hole portions with diameter d, where d<d. Due to the presence of areas with a diameter da capillary channel is formed with an axis coinciding with the axis of the first discharge structure. Additional anode is installed in one of the ends of the housing in the hole made for this purpose on the axis of the cathode in the form of a shell and the anode in the form of a grid with a discrete-variable diameter adjoining the outlet of the through hole.EFFECT: increase in the degree of compression of the primary pulse and an increase in the pulse repetition frequency to tens of kHz with an increase in the degree of compression of the pulse and the preservation of the subnanosecond duration of the leading edge of the switched pulse.5 cl, 6 dwg

Description

Техническое решение относится к электронной технике, а именно, к электрическим коммутирующим газоразрядным электронным приборам и может быть использовано при создании импульсных устройств, в частности, генераторов импульсов с субнаносекундными фронтами нарастания, источников питания импульсных устройств, для накачки газоразрядных импульсных лазеров и других приборов.The technical solution relates to electronic equipment, namely, to electric switching gas-discharge electronic devices and can be used to create pulse devices, in particular, pulse generators with subnanosecond rise fronts, power supplies for pulse devices, for pumping gas-discharge pulse lasers and other devices.

Известен газоразрядный коммутатор - тиратрон с холодным катодом (патент РФ №2089003 на изобретение), содержащий корпус, выполненный с возможностью заполнения его газом и герметизации, в котором расположены с возможностью формирования разрядной области высоковольтные электроды - анод с полой камерой либо без нее и первый катод с полой камерой, ограниченной металлическими стенками с отверстиями, расположенные в одной части объема корпуса, а также содержащий установленный в стенке корпуса узел управления моментом включения разряда со вспомогательным анодом и вторым катодом, которые расположены относительно указанных анода и первого катода в противоположной части объема корпуса, сообщающейся с высоковольтным промежутком через отверстия в электродах, при этом первый катод выполнен смежно со вторым катодом, выполненным в виде одной или нескольких замкнутых полостей с одним или несколькими отверстиями, а вспомогательный анод расположен внутри второго катода.Known gas-discharge switch - a cold cathode thyratron (RF patent No. 2089003 for an invention), comprising a housing configured to fill with gas and sealing, in which high-voltage electrodes are located with the possibility of forming a discharge region — an anode with or without a hollow chamber and the first cathode with a hollow chamber bounded by metal walls with holes located in one part of the body volume, and also containing a control unit for controlling the moment the discharge is switched on The cathode and the second cathode, which are located relative to the specified anode and the first cathode in the opposite part of the body volume, communicating with the high-voltage gap through the holes in the electrodes, the first cathode is adjacent to the second cathode, made in the form of one or more closed cavities with one or several holes, and the auxiliary anode is located inside the second cathode.

Газоразрядный коммутатор также содержит резервуар с запасом рабочего газа. В качестве рабочего газа использован водород или дейтерий. В коммутаторе вспомогательный анод выполнен в виде одного или нескольких колец, расположенных симметрично относительно оси коммутатора, с отверстиями, соединяющими полость второго катода с полостью первого катода, а один или несколько выводов вспомогательного анода выполнены в экране, реализованном с возможностью подачи электрического потенциал второго катода. Второй катод выполнен в виде кольцеобразной замкнутой полости с осью, совпадающей с коммутатора, 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.The gas discharge switch also contains a reservoir with a working gas reserve. The working gas used is hydrogen or deuterium. In the switch, the auxiliary anode is made in the form of one or several rings located symmetrically relative to the axis of the switch, 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, which is capable of supplying the electric potential of the second cathode. The second cathode is made in the form of an annular closed cavity with an axis coinciding with the commutator, 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 with respect 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.

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 корпусом через полый изолятор, длина которого выбрана из условия достижения электрической прочности 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 не соосно относительно друг друга. Объем между одним из электродов коммутатора 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.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. A reservoir with a supply of working gas is connected to the housing through a hollow insulator, the length of which is selected from the condition of achieving electric strength on 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 a 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 not aligned with each other. The volume between one of the electrodes of the switch 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 dielectric particles with a specified value of the surface secondary emission coefficient, for example, silica sand coated with chromium oxide.

Приведенный газоразрядный коммутатор не решает техническую проблему создания электрических газоразрядных электронных средств субнаносекундной коммутации с высокой частотой срабатывания.The gas discharge switch does not solve the technical problem of creating electric gas discharge electronic means of subnanosecond switching with a high response frequency.

Известное техническое решение не рассчитано на работу в субнаносекундном режиме коммутации с высокими степенью сжатия первичного импульса и частотой следования импульсов - до десятков кГц при увеличении степени сжатия импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса.The known technical solution is not designed to operate in a subnanosecond switching mode with a high compression ratio of the primary pulse and a pulse repetition rate of up to tens of kHz with an increase in the compression ratio of the pulse and maintaining the subnanosecond duration of the leading edge of the switched pulse.

Переход коммутатора из непроводящего в проводящее состояние (процесс коммутации) достаточно долог. Время перехода из непроводящего в проводящее состояние (время коммутации) в таком тиратроне, вследствие его конструктивных особенностей и использования в качестве рабочего газа водорода или дейтерия, составляет от 3 до 10 нс, что обуславливает низкую скорость коммутации и невозможность коммутации импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания.The switch transition from a non-conducting to a conducting state (switching process) is quite long. The transition time from a non-conducting to a conducting state (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, which leads to a low switching speed and impossibility of switching pulses with a subnanosecond rise front.

В качестве ближайшего аналога выбран газоразрядный коммутатор (патент РФ №2497224 на изобретение), содержащий корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом, которые выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, установленных с зазором относительно друг друга и представляющих собой разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток. Катод и анод снабжены электрическими выводами на их концах. Корпус реализован в составе образующих в совокупности замкнутый объем катода в виде обечайки, изоляторов, установленных между электрическими выводами катода и анода, торцевых изоляторов, образующих торцы. Катод и анод установлены друг относительно друга эквидистантно. Диаметр катода не менее чем в 10 раз больше зазора, анод в виде сетки выполнен с геометрической прозрачностью 85%. В качестве рабочего газа использован гелий и/или неон с добавками водорода в количествах, приводящих к преимущественной ионизации водорода.As the closest analogue, a gas-discharge switch (RF patent No. 2497224 for an invention) is selected, comprising a housing configured to fill it with a working gas and sealing, as well as with the possibility of forming a discharge region in it between high-voltage electrodes - a coaxial cathode and anode, which are made, respectively, in the form of a shell covering the discharge region, and in the form of a grid installed with a gap relative to each other and representing a discharge structure providing a discharge gap approx. The cathode and anode are equipped with electrical leads at their ends. The housing is implemented as part of a collectively enclosed cathode volume in the form of a shell, insulators installed between the electrical terminals of the cathode and anode, end insulators forming the ends. The cathode and anode are mounted equidistantly relative to each other. The cathode diameter is not less than 10 times the gap, the anode in the form of a grid is made with a geometric transparency of 85%. Helium and / or neon with the addition of hydrogen in amounts leading to the predominant ionization of hydrogen was used as the working gas.

Приведенный в качестве ближайшего аналога газоразрядный коммутатор также не решает вышеуказанную техническую проблему.The gas discharge switch shown as the closest analogue also does not solve the above technical problem.

Хотя известный коммутатор рассчитан на работу в субнаносекундном режиме коммутации, он не обеспечивает требуемой высокой степени сжатия первичного импульса и частоты следования импульсов до десятков кГц при увеличении степени сжатия импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса.Although the known switch is designed to operate in a subnanosecond switching mode, it does not provide the required high compression ratio of the primary pulse and pulse repetition rate up to tens of kHz while increasing the compression ratio of the pulse and maintaining the subnanosecond duration of the leading edge of the switched pulse.

Под степенью сжатия (компрессии) импульсов питания S, которая для известного коммутатора недостаточна - S<100, понимается отношение длительности входного импульса τ_f ко времени коммутации τ_s, S=τ_f/τ_s. Она снижается с ростом частоты следования f импульсов из-за низкого τ_f и относительно высокого τ_s. Разряд в данном газоразрядном коммутаторе развивается довольно быстро. Это препятствует увеличению степени сжатия первичного импульса и повышению частоты следования свыше f>10 кГц.By the degree of compression (compression) of the supply pulses S, which is insufficient for the known switch — S <100, is understood as the ratio of the input pulse duration τ _f to the switching time τ _s , S = τ _f / τ _s . It decreases with increasing pulse repetition rate f due to low τ _f and relatively high τ _s . The discharge in this discharge switch is developing quite quickly. This prevents an increase in the compression ratio of the primary pulse and an increase in the repetition rate above f> 10 kHz.

Разработка предлагаемого газоразрядного коммутатора направлена на решение технической проблемы создания газоразрядных электронных средств субнаносекундной коммутации с высокой частотой срабатывания за счет следующего технического результата.The development of the proposed gas-discharge switch is aimed at solving the technical problem of creating gas-discharge electronic means of subnanosecond switching with a high response frequency due to the following technical result.

Техническим результатом является:The technical result is:

- увеличение степени сжатия первичного импульса;- an increase in the compression ratio of the primary pulse;

- повышение частоты следования импульсов до десятков кГц при увеличении степени сжатия импульса и сохранении субнаносекундной длительности переднего фронта коммутируемого импульса.- increasing the pulse repetition rate to tens of kHz while increasing the compression ratio of the pulse and maintaining the subnanosecond duration of the leading edge of the switched pulse.

Технический результат достигается в газоразрядном коммутаторе, содержащем корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом, которые выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, установленных с зазором относительно друг друга и представляющих собой разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток, при этом в газоразрядном коммутаторе в корпусе расположена для формирования дополнительного разрядного промежутка вторая разрядная структура, выполненная в составе катода указанной первой разрядной структуры и снабженной дополнительным анодом диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра, являющимся разрядным каналом, с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, с образованием за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярного канала с осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры, при этом нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ заданы отсутствием протекания электрического тока по поверхности разрядного канала, а нижнее значение d₂ задано реализацией теплоотвода, дополнительный анод установлен в одном из торцов корпуса в выполненном в этих целях отверстии на оси катода в виде обечайки и анода в виде сетки с примыканием к выходу сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра, диэлектрическая капиллярная структура выполнена содержащей не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁, длиной вдоль ее оси, равной не более расстояния от торца по указанной оси до входа в разрядную область, охватываемую обечайкой, в виде которой выполнен катод.The technical result is achieved in a gas-discharge switch containing a housing configured to fill it with working gas and sealing, as well as with the possibility of forming a discharge region in it between high-voltage electrodes - a coaxial cathode and anode, which are, respectively, in the form of a shell covering the discharge region , and in the form of a grid installed with a gap relative to each other and representing a discharge structure that provides a discharge gap, while in a gas discharge chamber a second discharge structure made up of a cathode of said first discharge structure and provided with an additional anode of a dielectric capillary structure in the form of a dielectric body with a through hole of a discrete-variable diameter, which is a discharge channel, with periodic alternation of sections of the hole with a diameter d ₁ and portions of the hole with a diameter of d ₂ , where d ₂ <d ₁ , with the formation due to the presence of sections with a diameter of d ₂ capillaries a clear channel with an axis coinciding with the axis of the first discharge structure, while the lower value of d ₁ and the upper value of d _{2 are} set by the absence of electric current flowing along the surface of the discharge channel, and the lower value of d ₂ is set by the implementation of heat removal, an additional anode is installed in one of the ends of the housing in the hole made for this purpose on the cathode axis in the form of a shell and an anode in the form of a grid adjacent to the exit of the through hole of a discretely variable diameter, the dielectric capillary structure is made containing not e two portions with hole diameter d ₂ and two portions with a bore diameter d ₁ and a length along its axis of at most the distance from an end face on said axis before entering the discharge area covered by the shell, in which a cathode is formed.

В коммутаторе корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом с электрическими выводами на их концах, первый из которых выполнен в виде обечайки, охватывающей разрядную область, реализован в составе образующих в совокупности замкнутый объем катода в виде обечайки, изоляторов, установленных между электрическими выводами катода и анода, торцевых изоляторов, образующих торцы.In the switch case, made with the possibility of filling it with working gas and sealing, as well as with the possibility of forming a discharge region in it between high-voltage electrodes - a coaxial cathode and anode with electrical terminals at their ends, the first of which is made in the form of a shell covering the discharge region, it is implemented as part of a closed cathode volume forming in the form of a shell, insulators installed between the electrical leads of the cathode and anode, end insulators forming the ends.

В коммутаторе корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, выполнен с заполнением его гелием в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению гелия от 4 до 10 Торр, включая указанные значения, или выполнен с заполнением его неоном в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению неона от 1 до 4 Торр, включая указанные значения, или выполнен с заполнением его аргоном в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению аргона от 0,5 до 1 Торр, включая указанные значения.In the switch case, made with the possibility of filling it with working gas and sealing, it is filled with helium in an amount that provides a significant delay compared to the switching time of the discharge development, corresponding to a helium pressure of 4 to 10 Torr, including the indicated values, or made with filling it with neon in an amount that provides a significant delay compared to the switching time for a discharge development delay corresponding to a neon pressure of 1 to 4 Torr, including the indicated values, or Execute filling it with argon in an amount providing a substantial time compared with the switching time of the discharge delay, corresponding to the pressure of argon from 0.5 to 1 Torr, inclusive of the recited values.

В коммутаторе диэлектрическая капиллярная структура в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, в которой образован за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярный канал с осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры, и содержащая не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁, собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины, в каждой из которых сформировано отверстие, центр каждого отверстия расположен на оси, являющейся осью первой разрядной структуры, причем одна часть пластин выполнена с отверстиями большего диаметра d₁ фиксированной величины, а вторая часть - с отверстиями меньшего диаметра d₂ фиксированной величины, пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности отверстий меньшего диаметра d₂ сформирован капиллярный канал, пластины с отверстиями большего диаметра расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформировано отверстие меньшего диаметра, при этом пакет собран в составе не менее четырех пластин - двух пластин с отверстиями большего диаметра d₁ и двух пластин с отверстиями меньшего диаметра d₂.In the switch, a dielectric capillary structure in the form of a dielectric body with a through hole of discretely variable diameter with a periodic alternation of portions of the hole with a diameter of d ₁ and portions of the hole with a diameter of d ₂ , where d ₂ <d ₁ , in which is formed due to the presence of sections with a diameter of d ₂ capillary a channel with an axis coinciding with the axis of the first bit structure, and containing at least two sections with a hole diameter d ₂ and two sections with a hole diameter d ₁ , is assembled by a package of dielectric plates of a fixed thickness, in each of which a hole is formed, the center of each hole is located on an axis that is the axis of the first bit structure, with one part of the plates made with holes of a larger diameter d _{1 of a} fixed size, and the second part with holes of a smaller diameter d _{2 of a} fixed size, the plates are assembled in the package in such a way that due to the combination of holes of smaller diameter d ₂ a capillary channel is formed, plates with holes of larger diameter are arranged with regular alternation with plates in which the an a hole of a smaller diameter, while the package is assembled of at least four plates — two plates with holes of a larger diameter d ₁ and two plates with holes of a smaller diameter d ₂ .

В коммутаторе сетчатый анод, дополнительный анод снабжены электрическими выводами на их концах.In the switch a mesh anode, an additional anode are equipped with electrical leads at their ends.

Суть технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.The essence of the technical solution is illustrated by the following description and the attached figures.

На Фиг. 1 схематически представлена конструкция газоразрядного коммутатора высоковольтных импульсов, где 1 - катод; 2 - сетчатый анод; 3 - изолятор; 4 - диэлектрическая капиллярная структура; 5 - дополнительный анод.In FIG. 1 schematically shows the design of a gas discharge switch for high voltage pulses, where 1 is the cathode; 2 - mesh anode; 3 - insulator; 4 - dielectric capillary structure; 5 - additional anode.

На Фиг. 2 представлена схема соединения газоразрядного коммутатора с импульсным источником питания, выполненным в составе источника постоянного напряжения, коммутирующее средство высоковольтных импульсов, накопительной емкости, двух индуктивностей, двух диодов, а также с нагрузкой, рабочей емкостью, включающей пару неравных по номиналу последовательно соединенных емкостей, в котором рабочая емкость последовательно соединена с нагрузкой и газоразрядным коммутатором, который выводами сетчатого анода подключен к соединенным выводам емкости меньшего номинала и емкости большего номинала рабочей емкости, а выводами катода подключен ко второму концу емкости большей по номиналу, при этом емкость меньшего номинала подключена вторым концом к нагрузке, зашунтированной диодом, где 1 - катод; 2 -сетчатый анод; 3 - изолятор; 4 - капиллярная структура; 5 - анод; 6 - источник постоянного напряжения; 7 - коммутирующее средство первичных высоковольтных импульсов; C₁ - накопительная емкость; L₁ и L₂ - первая и вторая индуктивности; VD₁ -первый диод; VD₂ - второй диод; VD₃ - шунтирующий диод; R_L - нагрузка; С₀ - рабочая емкость; C₀₁ - емкость в составе рабочей емкости меньшего номинала; С₀₂ - емкость в составе рабочей емкости большего номинала; R_ш - шунт; R₁₁ и R₁₂ - первые омические делители; R₂₁ и R₂₂ - вторые омические делители.In FIG. Figure 2 shows the connection diagram of a gas-discharge switch with a switching power supply made as a part of a constant voltage source, a switching means of high-voltage pulses, a storage capacitor, two inductors, two diodes, as well as a load, a working capacitance, including a pair of capacitors connected in series with different nominal values, in wherein the working capacity is connected in series with the load and the discharge switch, which is connected to the connected terminals of the capacity by the conclusions of the mesh anode enshego nominal capacity and larger nominal operating capacity, and cathode terminals connected to the second end of the container more at par with the nominal capacity of the smaller second end connected to the load shunt diode, where 1 - cathode; 2-mesh anode; 3 - insulator; 4 - capillary structure; 5 - anode; 6 - a constant voltage source; 7 - switching means of primary high-voltage pulses; C ₁ - storage capacity; L ₁ and L ₂ - the first and second inductances; VD ₁ is the first diode; VD ₂ - the second diode; VD ₃ - shunt diode; R _L is the load; With ₀ - working capacity; C ₀₁ - capacity in the composition of the working capacity of a lower nominal value; C ₀₂ - capacity in the composition of the working capacity of a larger nominal; R _W - shunt; R ₁₁ and R ₁₂ are the first ohmic dividers; R ₂₁ and R ₂₂ are the second ohmic dividers.

На Фиг. 3 показаны экспериментальные осциллограммы напряжения на катоде (рабочей емкости С₀) и нагрузке R_L=50 Ом и осциллограммы тока через газоразрядный коммутатор, измеренные, соответственно, с помощью первых омических делителей R₁₁ и R₁₂, вторых омических делителей R₂₁ и R₂₂ и шунта R_ш - а) осциллограммы импульсов, начиная от момента подъема напряжения на рабочей емкости до ее полной разрядки, б) и в) осциллограммы импульсов в более узком временном интервале, а именно, в момент коммутации, где: 8 - осциллограмма напряжения на катоде газоразрядного коммутатора; 9 - осциллограмма напряжения на нагрузке; 10 - осциллограмма тока через газоразрядный коммутатор.In FIG. Figure 3 shows the experimental waveforms of the voltage at the cathode (working capacitance C ₀ ) and load R _L = 50 Ohms and current waveforms through a gas discharge switch, measured, respectively, using the first ohmic dividers R ₁₁ and R ₁₂ , the second ohmic dividers R ₂₁ and R ₂₂ and shunt R _w - a) waveforms of pulses, starting from the moment the voltage on the working capacitance rises to its full discharge, b) and c) waveforms of pulses in a narrower time interval, namely, at the time of switching, where: 8 - voltage waveform at gas discharge cathode a tripod; 9 - voltage waveform at the load; 10 is a waveform of current through a gas discharge switch.

На Фиг. 4 показаны экспериментальные данные, демонстрирующие зависимость времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f при напряжении U=20 кВ на рабочей емкости и нагрузке R_L=50 Ом при разных давлениях рабочего газа - гелия, где 11 - зависимость времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f, соответствующая давлению гелия 4 Торр; 12 - зависимость времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f, соответствующая давлению гелия 7 Торр; 13 -зависимость времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f, соответствующая давлению гелия 10 Торр.In FIG. Figure 4 shows the experimental data demonstrating the dependence of the switching time τ _s on the pulse repetition rate f at a voltage U = 20 kV at the working capacitance and load R _L = 50 Ohm at different pressures of the working gas - helium, where 11 is the dependence of the switching time τ _s on the frequency pulse repetition f, corresponding to a helium pressure of 4 Torr; 12 - dependence of the switching time τ _s on the pulse repetition rate f, corresponding to a helium pressure of 7 Torr; 13 - dependence of the switching time τ _s on the pulse repetition rate f, corresponding to a helium pressure of 10 Torr.

На Фиг. 5 показаны экспериментальные данные зависимости времени задержки развития разряда τ_d от частоты следования импульсов f при нагрузке R_L=50 Ом и давлениях рабочего газа - гелия, в отношении которых измерены зависимости времени коммутации τ_s, где 14 - зависимость времени задержки τ_d, соответствующая давлению гелия 4 Торр; 15 - зависимость времени задержки τ_d, соответствующая давлению гелия 7 Торр; 16 - зависимость времени задержки τ_d, соответствующая давлению гелия 10 Торр.In FIG. 5 shows the experimental data of the dependence of the delay time of the development of the discharge τ _d on the pulse repetition rate f at a load R _L = 50 Ohm and the working gas – helium pressures, for which the dependences of the switching time τ _s are measured, where 14 is the dependence of the delay time τ _d corresponding to helium pressure 4 Torr; 15 - dependence of the delay time τ _d corresponding to a helium pressure of 7 Torr; 16 - dependence of the delay time τ _d corresponding to a helium pressure of 10 Torr.

На Фиг. 6 приведены расчетные данные степени сжатия импульсов S, полученные на основании результатов измерений зависимостей времени коммутации τ_s от частоты следования импульсов f при напряжении U-20 кВ на рабочей емкости и зависимостей времени задержки τ_d от частоты следования импульсов f при разных (4, 7 и 10 Торр) давлениях рабочего газа - гелия, при нагрузке R_L=50 Ом, где 17 - зависимость степени сжатия импульсов S от частоты следования импульсов f при давлении гелия 4 Торр; 18 -зависимость степени сжатия импульсов S от частоты следования импульсов f при давлении гелия 7 Торр; 19 - зависимость степени сжатия импульсов S от частоты следования импульсов f при давлении гелия 10 Торр.In FIG. Figure 6 shows the calculated data of the compression ratio of pulses S obtained on the basis of the measurement results of the dependences of the switching time τ _s on the pulse repetition rate f at a voltage of U-20 kV at the working capacitance and the dependences of the delay time τ _d on the pulse repetition rate f for different and 10 Torr) pressures of the working gas - helium, at a load R _L = 50 Ohm, where 17 is the dependence of the compression ratio of pulses S on the pulse repetition rate f at a helium pressure of 4 Torr; 18 - dependence of the compression ratio of pulses S on the pulse repetition rate f at a helium pressure of 7 Torr; 19 - dependence of the compression ratio of pulses S on the pulse repetition rate f at a helium pressure of 10 Torr.

Предлагаемый газоразрядный коммутатор (Фиг. 1) содержит кроме расположенных в корпусе с возможностью формирования разрядной области катода 1 и сетчатого анода 2 диэлектрическую капиллярную структуру 4, расположенную в корпусе, а также дополнительный анод 5, установленный в торце корпуса. Наличие элементов -диэлектрической капиллярной структуры 4 и дополнительного анода 5 - является отличием предлагаемого газоразрядного коммутатора, за счет чего достигается указанный технический результат.The proposed gas discharge switch (Fig. 1) contains, in addition to those located in the casing, with the possibility of forming a discharge region of the cathode 1 and the mesh anode 2, a dielectric capillary structure 4 located in the casing, as well as an additional anode 5 installed in the end of the casing. The presence of elements of a dielectric capillary structure 4 and an additional anode 5 is the difference of the proposed gas discharge switch, due to which the specified technical result is achieved.

Катод 1 в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и сетчатый анод 2, установленные друг относительно друга с зазором, в совокупности представляют собой разрядную структуру, характерную для технического решения, приведенного в качестве ближайшего аналога, в котором происходит быстрое развитие разряда. В результате быстрого развития разряда рабочее напряжение на катоде газоразрядного коммутатора не успевает достигнуть более высоких значений, поскольку начинается развитие разряда. Быстрое развитие разряда, не предоставляет возможности для повышения частоты следования импульсов и увеличения степени сжатия первичного импульса.The cathode 1 in the form of a shell, covering the discharge region, and the mesh anode 2, mounted relative to each other with a gap, together represent a discharge structure characteristic of the technical solution presented as the closest analogue in which the discharge develops rapidly. As a result of the rapid development of the discharge, the operating voltage at the cathode of the gas-discharge switch does not manage to reach higher values, since the development of the discharge begins. The rapid development of the discharge does not provide an opportunity to increase the pulse repetition rate and increase the compression ratio of the primary pulse.

Увеличению времени развития разряда, повышению величины рабочего напряжения на катоде газоразрядного коммутатора, обеспечению увеличения частоты следования импульсов и степени сжатия первичного импульса, способствует расположение в корпусе второй разрядной структуры для формирования дополнительного (второго) разрядного промежутка, для чего газоразрядный коммутатор укомплектовывается диэлектрической капиллярной структурой 4 и дополнительным анодом 5. Наличие второй разрядной структуры, выполненной в составе катода 1 указанной первой разрядной структуры и снабженной дополнительным анодом 5 диэлектрической капиллярной структуры 4 (см. Фиг. 1 и 2), приводит к задержке развития разряда, то есть устраняет причину, препятствующую достижению указанного технического результата и способствует решению, таким образом, технической проблемы.The increase in the discharge development time, the increase in the operating voltage at the cathode of the gas discharge switch, the increase in the pulse repetition rate and the compression ratio of the primary pulse are facilitated by the arrangement of a second discharge structure in the housing to form an additional (second) discharge gap, for which the gas discharge switch is equipped with a dielectric capillary structure 4 and an additional anode 5. The presence of a second discharge structure made as part of the cathode 1 of the specified per th discharge structure and is provided with an additional anode 5 dielectric capillary structure 4 (see. Fig. 1 and 2) results in a delay of the discharge, i.e. eliminates obstacles to achieve the said technical result and contributes to the solution, thus a technical problem.

В предлагаемом газоразрядном коммутаторе благодаря наличию диэлектрической капиллярной структуры организовано протекание тока, отличающееся от ближайшего аналога. Катод 1 и сетчатый анод 2 представляют собой первую разрядную структуру, обеспечивающую первый разрядный промежуток, выполняющую роль плазменного катода. Электронный ток последовательно протекает от плазменного катода, через второй разрядный промежуток, образуемый плазменным катодом, через капиллярный канал диэлектрической структуры 4 и замыкается на дополнительный анод 5. Тем самым недостаток ближайшего аналога - быстрое развития разряда - в предлагаемом способе становится достоинством - это быстрое формирование плазменного катода. Задержка развития разряда и, как следствие, увеличением времени нарастания тока за счет протекания тока через капиллярный канал диэлектрической структуры 4 позволяет достичь более высокого напряжения и соответственно более высоких токов через газоразрядный коммутатор, увеличить степень сжатия первичных импульсов и повысить их частоту следования.Due to the presence of a dielectric capillary structure, the current flow in the proposed gas discharge switch is different from the closest analogue. The cathode 1 and the mesh anode 2 are the first discharge structure providing the first discharge gap, which acts as a plasma cathode. The electron current sequentially flows from the plasma cathode, through the second discharge gap formed by the plasma cathode, through the capillary channel of the dielectric structure 4 and closes to an additional anode 5. Thus, the disadvantage of the closest analogue - the rapid development of the discharge - in the proposed method becomes an advantage - this is the rapid formation of a plasma cathode. The delay in the development of the discharge and, as a consequence, the increase in the rise time of the current due to the flow of current through the capillary channel of the dielectric structure 4 allows one to achieve a higher voltage and correspondingly higher currents through the gas-discharge switch, increase the compression ratio of the primary pulses and increase their repetition rate.

Диэлектрическая капиллярная структура 4 изготовлена в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра, выполняющим функцию разрядного канала. Разрядный канал обеспечивает протекание по нему электрического тока с задержкой разряда. В целях обеспечить указанное протекание тока разрядный канал сформирован (см. Фиг. 1 и 2) с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, с образованием за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярного канала, являющегося каналом, в котором протекает ток, характеризующимся осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры. При этом в отношении сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра его нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ заданы условием отсутствия поверхностного пробоя - протекания электрического тока по поверхности разрядного канала. В этом случае протекание тока в капиллярном канале имеет объемный характер. В противном случае возникает ситуация, аналогичная ситуации в ближайшем аналоге с характерным быстрым развитием разряда. Нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ взаимосвязаны данным условием. Нижнее значение d₂ задано условием реализации необходимого теплоотвода, в виду больших плотностей тока и возможного разогрева.The dielectric capillary structure 4 is made in the form of a dielectric body with a through hole of a discrete-variable diameter that performs the function of a discharge channel. The discharge channel allows electric current to flow through it with a delay in the discharge. In order to ensure the indicated current flow, the discharge channel is formed (see Fig. 1 and 2) with periodic alternation of portions of the hole with a diameter of d ₁ and portions of the hole with a diameter of d ₂ , where d ₂ <d ₁ , with the formation due to the presence of sections with a diameter of d ₂ capillary channel, which is the channel in which current flows, characterized by an axis that coincides with the axis of the first discharge structure. Moreover, with respect to the through hole of a discrete-variable diameter, its lower value d ₁ and the upper value d _{2 are} specified by the condition of the absence of surface breakdown - electric current flowing along the surface of the discharge channel. In this case, the current flow in the capillary channel has a volume character. Otherwise, a situation arises similar to the situation in the closest analogue with the characteristic rapid development of the discharge. The lower value of d ₁ and the upper value of d _{2 are} interconnected by this condition. The lower value of d ₂ is set by the condition for the implementation of the necessary heat sink, in view of the large current densities and possible heating.

Дополнительный анод 5 установлен в одном из торцов корпуса (см. Фиг. 1 и 2). В торце корпуса сформировано в этих целях отверстие, расположенное на оси катода 1 в виде обечайки и сетчатого анода 2. Дополнительный анод 5 при формировании второй разрядной структуры, с целью обеспечить протекание тока через коммутатор в капиллярном канале, между катодом 1 и дополнительным анодом 5, установлен с примыканием к выходу сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра.An additional anode 5 is installed in one of the ends of the housing (see Fig. 1 and 2). For this purpose, an opening is formed in the end of the casing for this purpose, located on the axis of the cathode 1 in the form of a shell and a mesh anode 2. An additional anode 5 during the formation of the second discharge structure, in order to ensure the flow of current through the switch in the capillary channel, between the cathode 1 and the additional anode 5, installed adjacent to the exit of the through hole discrete-variable diameter.

В целях обеспечения протекания тока в капиллярном канале диэлектрическая капиллярная структура 4 выполнена содержащей не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁. Длина диэлектрической капиллярной структуры 4 вдоль ее оси равна не более расстояния от торца по указанной оси до входа в разрядную область, охватываемую обечайкой, в виде которой выполнен катод 1. Указанная длина обеспечивает устранение ситуации, в которой ток протекает не в капиллярном канале, а по поверхности дополнительной разрядной структуры -диэлектрической капиллярной структуры 4, сводя на нет преимущества предлагаемого решения.In order to ensure the flow of current in the capillary channel, the dielectric capillary structure 4 is made containing at least two sections with a hole diameter d ₂ and two sections with a hole diameter d ₁ . The length of the dielectric capillary structure 4 along its axis is equal to not more than the distance from the end along the specified axis to the entrance to the discharge region covered by the cathode in the form of the cathode 1. This length eliminates the situation in which the current flows not in the capillary channel, but along the surface of the additional discharge structure — the dielectric capillary structure 4, negating the advantages of the proposed solution.

Таким образом, в общем случае выполнения предлагаемый газоразрядный коммутатор содержит (Фиг. 1 и 2): корпус, высоковольтные электроды - коаксиальные катод 1 и анод (сетчатый анод 2), диэлектрическую капиллярную структуру 4, дополнительный анод 5. Корпус выполнен с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации и с возможностью формирования в нем разрядной области между указанными высоковольтными электродами. Высоковольтные электроды выполнены: катод 1 - в виде обечайки, охватывающей разрядную область, а анод - в виде сетки. Катод 1 и сетчатый анод 2 установлены друг относительно друга с зазором и представляют собой первую разрядную структуру, обеспечивающую первый разрядный промежуток, выполняющий роль плазменного катода. Катод 1 и сетчатый анод 2 снабжены электрическими выводами на их концах. Цилиндрический катод 1, в частности, с внутренним диаметром около 50 мм сформирован из реакционно спеченного карбида кремния SiC. Эквидистантно катоду 1 расположен сетчатый анод 2, в частности, диаметром около 44 мм. Длина сетки, образующая область разряда, равна примерно 70 мм. Сетка сформирована прямоугольными ячейками размером около 10×1 мм², изготовлена из молибденовой проволоки диаметром 0,05 мм, и для получения сетчатого анода 2 натянута на каркас из нержавеющей стали. Геометрическая прозрачность сетки μ=90%. Геометрическая прозрачность сетки может составлять от 85 до 95%. Внутренний диаметр катода 1 не менее чем в 10 раз превышает величину зазора между катодом 1 и сетчатым анодом 2. Сетчатый анод 2 отделен от катода 1 диэлектрическим изолятором 3, установленным по бокам первого разрядного промежутка. В корпусе расположена для формирования дополнительного (второго) разрядного промежутка вторая разрядная структура. Указанная вторая структура выполнена в составе катода 1, являющегося элементом первой разрядной структуры, и снабженной дополнительным анодом 5 диэлектрической капиллярной структуры 4. Последняя сформирована в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра, являющимся разрядным каналом.Thus, in the general case, the proposed gas-discharge switch contains (Fig. 1 and 2): a housing, high-voltage electrodes — a coaxial cathode 1 and an anode (mesh anode 2), a dielectric capillary structure 4, an additional anode 5. The housing is configured to fill it working gas and sealing and with the possibility of forming in it a discharge region between the specified high-voltage electrodes. High-voltage electrodes are made: cathode 1 - in the form of a shell, covering the discharge region, and the anode - in the form of a grid. The cathode 1 and the mesh anode 2 are installed relative to each other with a gap and represent the first discharge structure, providing the first discharge gap, which acts as a plasma cathode. The cathode 1 and the mesh anode 2 are provided with electrical leads at their ends. A cylindrical cathode 1, in particular with an inner diameter of about 50 mm, is formed from reactively sintered silicon carbide SiC. A mesh anode 2 is located equidistantly to the cathode 1, in particular with a diameter of about 44 mm. The length of the grid forming the discharge region is approximately 70 mm. The grid is formed by rectangular cells about 10 × 1 mm ^{2 in} size, made of molybdenum wire with a diameter of 0.05 mm, and is stretched over a stainless steel frame to obtain a mesh anode 2. Geometric mesh transparency μ = 90%. The geometric transparency of the grid can be from 85 to 95%. The inner diameter of the cathode 1 is not less than 10 times the gap between the cathode 1 and the mesh anode 2. The mesh anode 2 is separated from the cathode 1 by a dielectric insulator 3 mounted on the sides of the first discharge gap. In the housing, a second discharge structure is arranged to form an additional (second) discharge gap. The specified second structure is made up of a cathode 1, which is an element of the first discharge structure, and equipped with an additional anode 5 of a dielectric capillary structure 4. The latter is formed in the form of a dielectric body with a through hole of a discrete-variable diameter, which is a discharge channel.

В нем реализовано периодическое чередование участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, с образованием за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярного канала. В частности, диаметр d₂ капиллярного канала составляет от 0,5 до 1 мм, включая указанные значения, а длина капиллярного канала - от 10 до 35 мм, включая указанные значения. Участки диаметром d₁ по всей длине капиллярного канала образуют концентрические трубчатообразные «карманы». Ось капиллярного канала совпадает с осью первой разрядной структуры. Нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ заданы отсутствием протекания электрического тока по поверхности разрядного канала. Нижнее значение d₂ задано реализацией теплоотвода. Дополнительный анод 5 установлен в одном из торцов корпуса. В указанном торце корпуса в этих целях выполнено отверстие на оси катода 1 и сетчатого анода 2. Дополнительный катод 5 установлен с примыканием к выходу сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра. Диэлектрическая капиллярная структура 4 выполнена содержащей не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁. Длина диэлектрической капиллярной структуры 4 вдоль ее оси составляет не более расстояния от торца, в котором установлен дополнительный анод 5, до входа в разрядную область, охватываемую обечайкой, в виде которой выполнен катод 1.It implements the periodic alternation of portions of the hole with a diameter of d ₁ and portions of the hole with a diameter of d ₂ , where d ₂ <d ₁ , with the formation due to the presence of sections with a diameter d _{2 of the} capillary channel. In particular, the diameter d _{2 of the} capillary channel is from 0.5 to 1 mm, including the indicated values, and the length of the capillary channel is from 10 to 35 mm, including the indicated values. Sections of diameter d ₁ along the entire length of the capillary channel form concentric tubular "pockets". The axis of the capillary channel coincides with the axis of the first discharge structure. The lower value of d ₁ and the upper value of d _{2 are} given by the absence of electric current flowing along the surface of the discharge channel. The lower value of d ₂ is set by the implementation of the heat sink. An additional anode 5 is installed in one of the ends of the housing. For this purpose, a hole is made in the indicated end of the housing on the axis of the cathode 1 and the mesh anode 2. An additional cathode 5 is installed adjacent to the exit of the through hole of a discretely variable diameter. The dielectric capillary structure 4 is made containing at least two sections with a hole diameter d ₂ and two sections with a hole diameter d ₁ . The length of the dielectric capillary structure 4 along its axis is not more than the distance from the end where the additional anode 5 is installed, before entering the discharge region covered by the shell, in the form of which the cathode 1 is made.

Корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом 1 и анодом (сетчатый анод 2) с электрическими выводами на их концах, первый из которых выполнен в виде обечайки, охватывающей разрядную область, реализован в составе образующих в совокупности замкнутый объем катода 1 в виде обечайки, диэлектрических изоляторов 3, установленных между электрическими выводами катода 1 и анода (сетчатого анода 2), торцевых изоляторов, образующих торцы (см. Фиг. 1 и 2).A housing made with the possibility of filling it with working gas and sealing, as well as with the possibility of forming a discharge region in it between high-voltage electrodes - coaxial cathode 1 and anode (mesh anode 2) with electrical leads at their ends, the first of which is made in the form of a shell covering the discharge region, is implemented as part of the constituted closed volume of the cathode 1 in the form of a shell, dielectric insulators 3 installed between the electrical terminals of the cathode 1 and the anode (mesh anode 2), then tsevyh insulators forming the ends (see. Figs. 1 and 2).

В качестве рабочего газа для заполнения корпуса используют гелий, или неон, или аргон. Корпус заполняют рабочим газом в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, что дополнительно способствует достижению указанного технического результата. При этом используют количество рабочего газа, обеспечивающее соответствующее давление гелия от 4 до 10 Торр, включая указанные значения, или неона от 1 до 4 Торр, включая указанные значения, или аргона от 0,5 до 1 Торр, включая указанные значения.Helium, or neon, or argon are used as the working gas to fill the housing. The housing is filled with working gas in an amount that provides a significant delay in the development of the discharge compared to the switching time, which further contributes to the achievement of the indicated technical result. In this case, an amount of working gas is used that provides the corresponding helium pressure from 4 to 10 Torr, including the indicated values, or neon from 1 to 4 Torr, including the indicated values, or argon from 0.5 to 1 Torr, including the indicated values.

Диэлектрическая капиллярная структура 4 в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины - из пластин керамики Al₂O₃ круглой формы толщиной около 1 мм. В каждой пластине сформировано отверстие, центр каждого отверстия расположен на оси, являющейся осью первой разрядной структуры. Одна часть пластин выполнена с отверстиями большего диаметра d₁ фиксированной величины, например, 4,5 мм. Вторая часть пластин выполнена с отверстиями меньшего диаметра d₂ фиксированной величины, например, 1 мм. Соотношение d₁/d₂, в частности, может составлять от 4, 5 до 9, включая указанные значения, или более, определяя глубину концентрических трубчатообразных «карманов», при которой выполняется условие протекания электрического тока в капиллярном канале, а не по поверхности разрядного канала. Пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности отверстий меньшего диаметра d₂ сформирован капиллярный канал. Пластины с отверстиями большего диаметра d₁ расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформировано отверстие меньшего диаметра d₂. После пластины с диаметром отверстия 1 мм устанавливается пластина с диаметром 4,5 мм, затем снова сначала пластина с диаметром отверстия 1 мм, после которой - пластина с диаметром отверстия 4,5 мм и т.д. При этом пакет собран в составе не менее четырех пластин - двух пластин с отверстиями большего диаметра d₁ и двух пластин с отверстиями меньшего диаметра d₂. Внешний диаметр всех пластин одинаков и составляет, в частности, около 30 мм, что дает возможность разместить диэлектрическую капиллярную структуру 4 в корпусе, располагая ее на оси первой разрядной структуры. С конца диэлектрической капиллярной структуры 4, обращенного к торцу корпуса, установлен дополнительный анод 5. Дополнительный анод 5 выполнен в виде молибденового стержня диаметром около 4 мм. Его диаметр примерно соответствует по величине d₁.The dielectric capillary structure 4 in the form of a dielectric body with a through hole of discretely variable diameter with periodic alternation of portions of the hole with a diameter of d ₁ and portions of the hole with a diameter of d ₂ , where d ₂ <d ₁ , is assembled by a package of dielectric plates of a fixed thickness - from ceramic plates Al ₂ O ₃ round in shape with a thickness of about 1 mm. A hole is formed in each plate, the center of each hole is located on an axis that is the axis of the first bit structure. One part of the plates is made with holes of larger diameter d _{1 of a} fixed size, for example, 4.5 mm. The second part of the plates is made with holes of smaller diameter d _{2 of a} fixed size, for example, 1 mm The ratio d ₁ / d ₂ , in particular, can be from 4, 5 to 9, including the indicated values, or more, determining the depth of the concentric tubular "pockets" at which the condition for the flow of electric current in the capillary channel, and not on the surface of the discharge channel. The plates are packaged in such a way that a capillary channel is formed due to a plurality of holes of smaller diameter d ₂ . Plates with holes of a larger diameter d ₁ are arranged at regular intervals with plates in which a hole of a smaller diameter d _{2 is formed} . After a plate with a hole diameter of 1 mm, a plate with a diameter of 4.5 mm is installed, then again, first, a plate with a hole diameter of 1 mm, after which a plate with a hole diameter of 4.5 mm, etc. Moreover, the package is assembled with at least four plates — two plates with holes of a larger diameter d ₁ and two plates with holes of a smaller diameter d ₂ . The outer diameter of all the plates is the same and, in particular, is about 30 mm, which makes it possible to place the dielectric capillary structure 4 in the housing, placing it on the axis of the first discharge structure. An additional anode 5 is installed from the end of the dielectric capillary structure 4 facing the end of the housing. The additional anode 5 is made in the form of a molybdenum rod with a diameter of about 4 mm. Its diameter approximately corresponds to the value of d ₁ .

Катод 1, сетчатый анод 2, дополнительный анод 5 снабжены электрическими выводами на их концах (см. Фиг. 2). К выводу сетчатого анода 2 подсоединен общий вывод из точки соединения емкостей C₀₁ и С₀₂. К выводу катода 1 подсоединен второй вывод емкости С₀₂, а второй вывод емкости C₀₁ подсоединен к нагрузке R_L. К выводу дополнительного анода подсоединен токовый шунт R_ш.The cathode 1, the mesh anode 2, the additional anode 5 are equipped with electrical leads at their ends (see Fig. 2). To the output of the mesh anode 2 is connected to the common output from the connection point of the capacitances C ₀₁ and C ₀₂ . Derivation of the cathode 1 is connected the second terminal of capacitor C ₀₂ and a second output capacitance C ₀₁ is connected to a load R _L. A current shunt R _{w is} connected to the output of the additional anode.

Для работы газоразрядный коммутатор подключают к импульсному источнику питания согласно схеме, представленной на Фиг. 2.For operation, the gas discharge switch is connected to a switching power supply according to the circuit shown in FIG. 2.

Один из электрических выводов катода 1 соединяют с одним из концов рабочей емкости С₀, а именно, с одним из концов емкости С₀₂, входящей в состав рабочей емкости С₀, ко второму концу рабочей емкости С₀, а именно, к одному из концов емкости С₀₁ входящей в состав рабочей емкости С₀, подключают одним концом нагрузку R_L, второй конец которой заземляют. К нагрузке R_L параллельно подключают диод VD₃, чем шунтируют нагрузку R_L во время протекания тока зарядки рабочей емкости С₀. Вторые концы емкостей C₀₁ и С₀₂, входящих в состав рабочей емкости С₀, соединяют друг с другом. К соединенным концам емкостей C₀₁ и С₀₂ подключают сетчатый анод 2. Дополнительный анод 5 заземляют через токовый шунт R_ш.One of the electrical terminals of the cathode 1 is connected to one of the ends of the working capacitance C ₀ , namely, to one of the ends of the capacitance C ₀₂ , which is part of the working capacitance C ₀ , to the second end of the working capacitance C ₀ , namely, to one of the ends capacity ₀₁ included in the composition of the operating capacity ₀ , connect at one end the load R _L , the second end of which is grounded. A diode VD _{3 is} connected to the load R _L in parallel, which shunts the load R _L during the flow of the charging current of the working capacitance C ₀ . The second ends of the containers C ₀₁ and C ₀₂ included in the composition of the working tank C ₀ are connected to each other. To the connected ends of the capacitances C ₀₁ and C ₀₂ connect the mesh anode 2. The additional anode 5 is grounded through the current shunt R _W

В составе импульсного источника питания согласно схеме (Фиг. 2) выполнены накопительная емкость С₁, индуктивности L₁ и L₂, диоды VD₁ и VD₂, источник постоянного напряжения 6, коммутирующее средство первичных высоковольтных импульсов 7 - тиратрон, или лампа, или транзистор, являющееся средством первичной коммутации. Накопительная емкость С₁ одним концом через индуктивность L₁ соединена с источником постоянного напряжения 6, вторым концом емкость C₁ соединена с анодом диода VD₁, параллельно которому подключено сопротивление R и катод которого заземлен, также вторым концом емкость С₁ подсоединена через индуктивность L₂ к катоду диода VD₂, анод которого соединен с катодом 1. Коммутирующее средство первичных высоковольтных импульсов 7 подключено в точке соединения индуктивности L₁ с источником постоянного напряжения 6.As part of a switching power supply according to the scheme (Fig. 2), a storage capacitance C ₁ , inductors L ₁ and L ₂ , diodes VD ₁ and VD ₂ , a constant voltage source 6, a switching means for primary high-voltage pulses 7 — a thyratron, or a lamp, or transistor, which is the means of primary switching. The storage capacitance C _{1 at} one end through an inductance L _{1 is} connected to a constant voltage source 6, the second end capacitance C _{1 is} connected to the anode of the diode VD ₁ , in parallel with which the resistance R is connected and the cathode is grounded, the second end is connected to the capacitor C ₁ through inductance L ₂ to the cathode of the diode VD ₂ , the anode of which is connected to the cathode 1. The switching means of the primary high-voltage pulses 7 are connected at the junction point of the inductance L ₁ with a constant voltage source 6.

Накопительная емкость С₁ от источника питания 6 заряжается через индуктивность L₁ до напряжения U. В момент времени, когда коммутирующее средство первичных высоковольтных импульсов 7 срабатывает, происходит формирование импульса напряжения отрицательной полярности. Данный импульс напряжения через индуктивность L₂ посредством диодов VD₁ и VD₂ заряжает пиковую (обострительную) рабочую емкость С₀, причем С₀≤С₁ Рабочая емкость С₀ заряжается до напряжения близкого к U.The storage capacitance C ₁ from the power source 6 is charged through the inductance L ₁ to the voltage U. At the time when the switching means of the primary high-voltage pulses 7 is activated, the formation of a voltage pulse of negative polarity. This voltage pulse through the inductance L ₂ through the diodes VD ₁ and VD ₂ charges the peak (sharpening) working capacitance C ₀ , and C ₀ ≤C ₁ Working capacitance C ₀ is charged to a voltage close to U.

Работа и достижение технического результата в газоразрядном коммутаторе происходят следующим образом.Work and achieving a technical result in a gas discharge switch occur as follows.

При подаче высокого напряжения (до 25 кВ), оно делится между емкостями C₀₁ и С₀₂. Через некоторое время происходит пробой первого разрядного промежутка катод 1 - сетчатый анод 2 по механизму, который характерен для ближайшего аналога. Этот момент характеризуется изломом на переднем фронте осциллограммы напряжения на рабочей емкости (см. Фиг. 3, позиция 8), так как емкость С₀₂ быстро разряжается через газоразрядный промежуток между катодом 1 и сетчатым анодом 2. В результате образующуюся плазма шунтирует емкость С₀₂, и все напряжение оказывается приложенным к капиллярному каналу. Чем выше частота следования импульсов и рабочее напряжение, тем раньше наступает пробой между катодом 1 и сетчатым анодом 2, и тем меньше излом на осциллограмме напряжения на рабочей емкости (см. Фиг. 3, позиция 8). При частоте f>20 кГц и U=20 кВ он практически незаметен.When applying high voltage (up to 25 kV), it is divided between the capacitances C ₀₁ and C ₀₂ . After some time, a breakdown of the first discharge gap occurs, the cathode 1 - mesh anode 2 by the mechanism that is characteristic of the closest analogue. This moment is characterized by a kink on the leading edge of the voltage waveform at the working capacitance (see Fig. 3, position 8), since the capacitance C _{02 is} quickly discharged through the gas-discharge gap between the cathode 1 and the mesh anode 2. As a result, the generated plasma shunts the capacitor C ₀₂ , and all voltage is applied to the capillary channel. The higher the pulse repetition rate and the operating voltage, the earlier the breakdown occurs between the cathode 1 and the mesh anode 2, and the smaller the kink in the voltage waveform on the working capacitance (see Fig. 3, position 8). At a frequency f> 20 kHz and U = 20 kV, it is practically invisible.

При достижении определенного напряжения происходит пробой капиллярного канала, и устройство срабатывает как газоразрядный коммутатор. Время пробоя капиллярного канала (время коммутации) по уровню 0,1-0,9 при условии увеличения концентрации электронов в 9 раз; определяется по формуле:When a certain voltage is reached, a breakdown of the capillary channel occurs, and the device operates as a gas discharge switch. The breakdown time of the capillary channel (switching time) at the level of 0.1-0.9, provided that the electron concentration increases by 9 times; determined by the formula:

,

,

где: α - коэффициент Таунсенда размножения электронов; v_e - скорость дрейфа электронов; р - давление рабочего газа.where: α is the Townsend coefficient of electron reproduction; v _e is the electron drift velocity; p is the pressure of the working gas.

В частности, при величине α/р≈0,172 (см×Торр)^-1 и v_e≈8,4×l0⁹ см/сек, что реализуется при U=20 кВ, давлении гелия 4 Торр и длине капиллярного канала 3,5 см, время коммутации составляет τ_s=600 пс и согласуется с зависимостями на Фиг. 4.In particular, at a value of α / p ≈ 0.172 (cm × Torr) ^-1 and v _e ≈ 8.4 × l0 ⁹ cm / s, which is realized at U = 20 kV, a helium pressure of 4 Torr and a capillary channel length of 3.5 cm, the switching time is τ _s = 600 ps and is consistent with the dependences in FIG. four.

После прохождения тока при разряде обострительной рабочей емкости С₀ плазма в капиллярном канале в ближнем послеимпульсном периоде быстро рекомбинирует в процессе амбиполярной диффузии и в дальнейшем - в процессе свободной диффузии (Райзер Ю.П., Физика газового разряда, М.: Наука, 1987 г., 592 с). К приходу следующего импульса капиллярный канал полностью восстанавливает свои изолирующие свойства. Так как диаметр капиллярного канала мал, d₂ не более 0,1 см, то рекомбинация осуществляется быстро вследствие зависимости τ_s~d₂ ². Таким образом, восстановление изолирующих свойств происходит в течение нескольких микросекунд. В проведенных экспериментах с использованием частот следования первичных импульсов до f=44 кГц задержка развития разряда слабо изменяется.After the passage of current during the discharge of the sharpening working capacity С _{0, the} plasma in the capillary channel in the near post-pulse period quickly recombines in the process of ambipolar diffusion and later in the process of free diffusion (Raizer Yu.P., Gas Discharge Physics, Moscow: Nauka, 1987) ., 592 s). By the arrival of the next pulse, the capillary channel completely restores its insulating properties. Since the diameter of the capillary channel is small, d ₂ not more than 0.1 cm, recombination is carried out quickly due to the dependence τ _s ~ d ₂ ² . Thus, the restoration of insulating properties occurs within a few microseconds. In the experiments performed using repetition rates of primary pulses up to f = 44 kHz, the delay in the development of the discharge changes only slightly.

При малой концентрации остаточных электронов, близкой к фоновой, время жизни электронов определяется их свободной диффузией на стенку и составляет порядка 10^-8 с. Поэтому при подаче напряжения на капиллярный канал их накопление происходит очень медленно. После достижения в ходе накопления концентрации электронов порядка 10^-10 см^-3, при которой радиус экранирования Дебая становится близким к радиусу капиллярного канала, свободная диффузия затруднена, и диффузия протекает как амбиполярная. Она на 2-3 порядка медленнее, чем свободная диффузия. В связи с этим накопление заряда, то есть, увеличение концентрации плазмы, резко ускоряется, и капиллярный канал становится проводящим. Ток нарастает.At a low concentration of residual electrons close to the background, the electron lifetime is determined by their free diffusion to the wall and is about 10 ^-8 s. Therefore, when voltage is applied to the capillary channel, their accumulation occurs very slowly. After the electron concentration reaches about 10 ^-10 cm ^-3 during accumulation, at which the Debye screening radius becomes close to the radius of the capillary channel, free diffusion is difficult, and diffusion proceeds as ambipolar. It is 2-3 orders of magnitude slower than free diffusion. In this regard, the accumulation of charge, that is, an increase in the plasma concentration, is sharply accelerated, and the capillary channel becomes conductive. The current rises.

Дальнейшее нарастание тока ограничивается только индуктивностью всей разрядной цепи. Время задержки легко регулируется путем изменения концентрации рабочего газа в корпусе и рабочим напряжением и может выбираться около 1 мкс. Этого времени достаточно для того, чтобы зарядить емкость С₀ с помощью простых средств, например, с помощью транзисторных генераторов, поскольку предъявляются невысокие требования к фронту зарядного импульса и зарядному току.A further increase in current is limited only by the inductance of the entire discharge circuit. The delay time is easily adjustable by changing the concentration of the working gas in the housing and the operating voltage and can be selected about 1 μs. This time is enough to charge the capacitance C ₀ using simple means, for example, using transistor generators, since low requirements are imposed on the front of the charging pulse and the charging current.

Таким образом, в процессе работы сначала осуществляют зажигание разряда между катодом 1 и сетчатым анодом 2. Затем в зависимости от величины действующего напряжения, давления рабочего газа и частоты следования импульсов примерно через 1 мкс происходит зажигание разряда между дополнительным анодом 5 и катодом 1. Газоразрядный коммутатор переходит в проводящее состояние. В результате рабочая емкость С₀ начинает разряжаться через нагрузку R_L.Thus, in the process of operation, the discharge is first ignited between the cathode 1 and the mesh anode 2. Then, depending on the magnitude of the effective voltage, working gas pressure, and pulse repetition rate, after approximately 1 μs, the discharge is ignited between the additional anode 5 and cathode 1. The gas-discharge switch goes into a conducting state. As a result, the working capacity C ₀ begins to discharge through the load R _L.

Индуктивность контура, состоящего из С₀, R_L и самого газоразрядного коммутатора, минимизируется с целью достижения наименьшего времени коммутации. Изменяя индуктивность L₂, регулируют время зарядки обострительной рабочей емкости С₀. Частота запускающих импульсов газоразрядного коммутатора равна частоте запускающих импульсов коммутирующего средства первичных высоковольтных импульсов 7 (тиратрон, лампа, транзистор или другое), являющегося устройством первичной коммутации. Время задержки развития разряда, определяемое внутренними процессами в газоразрядном коммутаторе, увеличивается, что приводит к возможности увеличения частоты запускающих импульсов (частоты функционирования устройства).The inductance of the circuit, consisting of C ₀ , R _L and the gas discharge switch itself, is minimized in order to achieve the shortest switching time. By changing the inductance L ₂ , regulate the charging time of the sharpening working capacity With ₀ . The frequency of the trigger pulses of the discharge switch is equal to the frequency of the trigger pulses of the switching means of the primary high-voltage pulses 7 (thyratron, lamp, transistor or other), which is the primary switching device. The delay in the development of the discharge, determined by the internal processes in the gas discharge switch, increases, which leads to the possibility of increasing the frequency of the triggering pulses (frequency of the device).

Для подтверждения технического результата в части повышения степени сжатия импульсов воспользуемся экспериментальными данными. Получены экспериментальные данные времени коммутации и времени задержки от частоты следования импульсов, представленные, соответственно, на Фиг. 4 и 5 для случая использования в качестве рабочего газа гелия при давлениях 4, 7 и 10 Торр, при напряжении U=20 кВ на рабочей емкости и используемой нагрузке R_L=50 Ом. На основании полученных экспериментальных данных произведен расчет (см. Фиг. 6) данных степени сжатия S импульсов в зависимости от частоты следования импульсов f. Показано, что степень сжатия S лежит в диапазоне от 750 до 1200, что существенно выше по сравнению с известным коммутатором, выбранным в качестве ближайшего аналога, для которого S<100.To confirm the technical result in terms of increasing the compression ratio of the pulses, we use the experimental data. Experimental data of the switching time and the delay time from the pulse repetition rate are obtained, presented, respectively, in FIG. 4 and 5 for the case of using helium as a working gas at pressures of 4, 7 and 10 Torr, at a voltage of U = 20 kV at the working capacity and used load R _L = 50 Ohms. Based on the obtained experimental data, a calculation was made (see Fig. 6) of the compression ratio S of the pulses, depending on the pulse repetition rate f. It is shown that the compression ratio S lies in the range from 750 to 1200, which is significantly higher compared to the known switch selected as the closest analogue for which S <100.

Claims (5)

1. Газоразрядный коммутатор, содержащий корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом, которые выполнены, соответственно, в виде обечайки, охватывающей разрядную область, и в виде сетки, установленных с зазором относительно друг друга и представляющих собой разрядную структуру, обеспечивающую разрядный промежуток, отличающийся тем, что в корпусе расположена для формирования дополнительного разрядного промежутка вторая разрядная структура, выполненная в составе катода указанной первой разрядной структуры и снабженной дополнительным анодом диэлектрической капиллярной структуры в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра, являющимся разрядным каналом, с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, с образованием за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярного канала с осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры, при этом нижнее значение d₁ и верхнее значение d₂ заданы отсутствием протекания электрического тока по поверхности разрядного канала, а нижнее значение d₂ задано реализацией теплоотвода, дополнительный анод установлен в одном из торцов корпуса в выполненном в этих целях отверстии на оси катода в виде обечайки и анода в виде сетки с примыканием к выходу сквозного отверстия дискретно-переменного диаметра, диэлектрическая капиллярная структура выполнена содержащей не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁, длиной вдоль ее оси, равной не более расстояния от торца по указанной оси до входа в разрядную область, охватываемую обечайкой, в виде которой выполнен катод.1. A gas discharge switch comprising a housing configured to fill it with a working gas and seal, and also with the possibility of forming a discharge region in it between high-voltage electrodes - a coaxial cathode and anode, which are, respectively, in the form of a shell covering the discharge region, and in the form of a grid installed with a gap relative to each other and representing a discharge structure that provides a discharge gap, characterized in that it is located in the housing to form up to olnitelnogo discharge gap of the second discharge structure, executed as part of the cathode of said first discharge structure and is provided with an additional anode dielectric capillary structure in the form of a dielectric body with a through hole discretely variable diameter, being the discharge channel, a periodic alternation of portions opening diameter d ₁ and the hole portion diameter d _2, where d ₂ <d _1, to form due to the presence of areas with a diameter d ₂ of the capillary channel with an axis coinciding with the axis of the first discharge discharge structure, with the lower value of d ₁ and the upper value d ₂ are given the absence of electric current for the discharge channel surface and the bottom value d ₂ is set implementation heatsink additional anode is installed in one of the casing ends in fulfilling this purpose the hole in the cathode axis in the form of a shell and an anode as a grid adjacent the exit of the through-holes discretely variable diameter, the dielectric capillary structure is formed comprising at least two portions with a hole diameter d ₂ and two ESTATE Cove hole diameter d ₁ and a length along its axis of at most the distance from an end face on said axis before entering the discharge area covered by the shell, in which a cathode is formed. 2. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, а также с возможностью формирования в нем разрядной области между высоковольтными электродами - коаксиальными катодом и анодом с электрическими выводами на их концах, первый из которых выполнен в виде обечайки, охватывающей разрядную область, реализован в составе образующих в совокупности замкнутый объем катода в виде обечайки, изоляторов, установленных между электрическими выводами катода и анода, торцевых изоляторов, образующих торцы.2. The switch according to claim 1, characterized in that the housing, made with the possibility of filling it with a working gas and sealing, as well as with the possibility of forming in it a discharge region between high-voltage electrodes - a coaxial cathode and an anode with electrical leads at their ends, is the first of which is made in the form of a shell covering the discharge region, is implemented as part of a closed cathode volume forming in the form of a shell, insulators installed between the electrical terminals of the cathode and anode, end isolators s forming the ends. 3. Коммутатор по п. 2, отличающийся тем, что корпус, выполненный с возможностью заполнения его рабочим газом и герметизации, выполнен с заполнением его гелием в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению гелия от 4 до 10 Торр, включая указанные значения, или выполнен с заполнением его неоном в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению неона от 1 до 4 Торр, включая указанные значения, или выполнен с заполнением его аргоном в количестве, обеспечивающем значительное по сравнению со временем коммутации время задержки развития разряда, соответствующем давлению аргона от 0,5 до 1 Торр, включая указанные значения.3. The switch according to claim 2, characterized in that the housing, made with the possibility of filling it with working gas and sealing, is filled with helium in an amount that provides a significant delay compared to the switching time of the discharge development, corresponding to a helium pressure from 4 to 10 Torr, including the indicated values, or performed with filling it with neon in an amount that provides a significant delay compared to the switching time of the discharge development, corresponding to the neon pressure from 1 to 4 Torr, including The indicated values are either fulfilled or filled with argon in an amount that provides a significant delay compared to the switching time for the discharge development, corresponding to argon pressure from 0.5 to 1 Torr, including the indicated values. 4. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая капиллярная структура в виде диэлектрического тела со сквозным отверстием дискретно-переменного диаметра с периодическим чередованием участков отверстия диаметром d₁ и участков отверстия диаметром d₂, где d₂<d₁, в которой образован за счет наличия участков с диаметром d₂ капиллярный канал с осью, совпадающей с осью первой разрядной структуры, и содержащая не менее двух участков с диаметром отверстия d₂ и двух участков с диаметром отверстия d₁, собрана пакетом диэлектрических пластин фиксированной толщины, в каждой из которых сформировано отверстие, центр каждого отверстия расположен на оси, являющейся осью первой разрядной структуры, причем одна часть пластин выполнена с отверстиями большего диаметра d₁ фиксированной величины, а вторая часть - с отверстиями меньшего диаметра d₂ фиксированной величины, пластины собраны в пакет таким образом, что за счет совокупности отверстий меньшего диаметра d₂ сформирован капиллярный канал, пластины с отверстиями большего диаметра расположены с регулярным перемежением с пластинами, в которых сформировано отверстие меньшего диаметра, при этом пакет собран в составе не менее четырех пластин - двух пластин с отверстиями большего диаметра d₁ и двух пластин с отверстиями меньшего диаметра d₂.4. The switch according to claim 1, characterized in that the dielectric capillary structure in the form of a dielectric body with a through hole of discretely variable diameter with periodic alternation of portions of the hole with a diameter of d ₁ and portions of the hole with a diameter of d ₂ , where d ₂ <d ₁ , in which formed by the presence of sections with a diameter d _{2 the} capillary channel with an axis coinciding with the axis of the first discharge structure, and containing at least two sections with a hole diameter d ₂ and two sections with a hole diameter d ₁ , is collected by a package of dielectric plasmas tin of fixed thickness, in each of which a hole is formed, the center of each hole is located on an axis that is the axis of the first bit structure, with one part of the plates made with holes of a larger diameter d _{1 of a} fixed size, and the second part with holes of a smaller diameter d _{1 of a} fixed size , the plates are assembled in a package so that due to the combination of holes of a smaller diameter d ₂ a capillary channel is formed, plates with holes of a larger diameter are arranged with regular alternation with the square tins, in which a hole of a smaller diameter is formed, while the package is assembled of at least four plates — two plates with holes of a larger diameter d ₁ and two plates with holes of a smaller diameter d ₂ . 5. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что катод, сетчатый анод, дополнительный анод снабжены электрическими выводами на их концах.5. The switch according to claim 1, characterized in that the cathode, the mesh anode, the additional anode are equipped with electrical terminals at their ends.

Images