RU170782U1

RU170782U1 - VACUUM DISCHARGE

Info

Publication number: RU170782U1
Application number: RU2017107372U
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Давыдов; Александр Николаевич Долгов; Рустам Халимович Якубов; Владислав Олегович Ревазов
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и сильноточной электронике, в частности к средствам коммутации, и представляет собой вакуумный разрядник, управляемый сфокусированным оптическим излучением, и может использоваться для коммутации сильноточных высоковольтных электрических систем. В герметичной диэлектрической оболочке, выполненной из корунда, размещена коаксиальная электродная система, состоящая из двух электродов, каждый из которых выполнен со сквозным отверстием по оси разрядника. Управляющее излучение от импульсного источника оптического излучения с помощью оптически прозрачного окна в оболочке и отверстий в электродах фокусируется на внутреннюю поверхность диэлектрической оболочки разрядника. В результате воздействия излучения на материал оболочки возникает плазма, которая, распространяясь в пространстве, создает проводящую среду в межэлектродном пространстве, и осуществляется коммутация разрядника. Техническим результатом является повышение надежности и стабильности работы и увеличение ресурса разрядника. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to electrical engineering and high-current electronics, in particular to switching means, and is a vacuum spark gap controlled by focused optical radiation, and can be used for switching high-current high-voltage electrical systems. In a sealed dielectric sheath made of corundum, a coaxial electrode system is placed, consisting of two electrodes, each of which is made with a through hole along the axis of the spark gap. The control radiation from a pulsed optical radiation source with the help of an optically transparent window in the shell and holes in the electrodes is focused on the inner surface of the dielectric shell of the arrester. As a result of the action of radiation on the shell material, a plasma arises, which, propagating in space, creates a conducting medium in the interelectrode space, and the spark gap is switched. The technical result is to increase the reliability and stability of the work and increase the life of the arrester. 2 s.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к электротехнике и сильноточной электронике, в частности к средствам коммутации, и может использоваться для коммутации сильноточных высоковольтных электрических систем.The utility model relates to electrical engineering and high-current electronics, in particular to switching means, and can be used for switching high-current high-voltage electrical systems.

Известен разрядник с лазерным поджигом, содержащий в корпусе с окном для ввода луча поджигающего лазера, два противостоящих основных электрода, один из которых выполнен со сквозным отверстием, расположенным напротив окна в корпусе, и собирающую линзу, установленную между поджигающим лазером и указанным основным электродом с отверстием, фокус которой расположен в промежутке между основными электродами, при этом между основными электродами установлен дополнительно введенный электрод-мишень со сквозным отверстием, расположенным соосно со сквозным отверстием основного электрода, причем средняя точка на оси отверстия электрода-мишени расположена в фокусе указанной линзы. Авторское свидетельство 1101133, МПК Н01Т 14/00, 30.11.1985. В разряднике используется эффект лазерной искры в среде газа высокого давления для создания сгустка плазмы в межэлектродном промежутке, реализация которого требует достижения интенсивности излучения оптического диапазона в фокусе собирающей линзы порядка 10¹¹ Вт/см² и выше [1, 2]. В то же время для создания на поверхности твердотельной мишени плазмы, которая, расширяясь в вакуум, создает в пространстве между электродами вакуумного разрядника проводящую среду, достаточно достигнуть интенсивности порядка 10⁸-10⁹ Вт/см² в пятне фокусировки [3]. Указанное техническое решение упрощает проблему компактности коммутирующего устройства в целом, т.к. снижается на два порядка величины требуемый уровень энергии лазерного излучения при той же длительности его импульса, следовательно, снижается на два порядка величины уровень энергии, первоначально запасаемой в импульсном источнике, питающем систему накачки лазера, следовательно, становится возможным значительно уменьшить размеры системы, обеспечивающей поджиг разряда.A known spark gap with laser ignition, containing in the housing with a window for inputting the beam of the ignition laser, two opposing main electrodes, one of which is made with a through hole located opposite the window in the housing, and a collecting lens mounted between the ignition laser and the specified main electrode with the hole , the focus of which is located in the gap between the main electrodes, while an additionally inserted target electrode with a through hole located coaxially between the main electrodes is installed with a through hole of the main electrode, and the middle point on the axis of the hole of the target electrode is located in the focus of the specified lens. Copyright certificate 1101133, IPC Н01Т 14/00, 11/30/1985. The spark gap uses the effect of a laser spark in a high-pressure gas medium to create a plasma bunch in the interelectrode gap, the implementation of which requires achieving an optical radiation intensity in the focus of the collecting lens of the order of 10 ¹¹ W / cm ² and higher [1, 2]. At the same time, to create a plasma on the surface of a solid-state target, which, expanding into a vacuum, creates a conducting medium in the space between the electrodes of the vacuum spark gap, it is sufficient to achieve an intensity of the order of 10 ⁸ –10 ⁹ W / cm ² in the focusing spot [3]. The specified technical solution simplifies the compactness of the switching device as a whole, because the required level of laser radiation energy is reduced by two orders of magnitude for the same duration of its pulse, therefore, the energy level initially stored in the pulsed source supplying the laser pump system is reduced by two orders of magnitude, therefore, it becomes possible to significantly reduce the size of the system that provides ignition of the discharge .

Известен управляемый разрядник в двухэлектродном исполнении, расположенный в откачанном корпусе, в котором катод выполнен из сплава ВНБ-3, в корпусе установлено прозрачное окно для ввода луча лазера, анод выполнен с отверстием, а в центре катода из сплава ВНБ-3 сформировано острие. Патент на полезную модель RU 119935, МПК Н01J 17/64, 25.05.2012. Данное техническое решение принято в качестве прототипа. Недостатком данного устройства является, во-первых, то обстоятельство, что наличие проводящего острия значительно снижает электрическую прочность межэлектродного промежутка и повышает вероятность неконтролируемого пробоя межэлектродного промежутка. Во-вторых, наличие острия снижает надежность устройства и стабильность его работы, потому что в процессе эксплуатации разрядника за счет эрозии как под действием излучения лазера, так и под действием плазмы разряда будет постоянно изменяться качество поверхности острия: будет изменяться радиус кривизны поверхности острия, шероховатость поверхности, и, следовательно, будут постоянно изменяться условия развития разряда, например время задержки между моментом воздействием излучения на катод и моментом образования проводящего канала между электродами.A controllable discharger in a two-electrode design is known, located in a pumped-out case, in which the cathode is made of VNB-3 alloy, a transparent window for inputting a laser beam is installed in the case, the anode is made with a hole, and a tip is formed in the center of the cathode of VNB-3 alloy. Utility Model Patent RU 119935, IPC H01J 17/64, 05.25.2012. This technical solution was made as a prototype. The disadvantage of this device is, firstly, the fact that the presence of a conductive tip significantly reduces the electric strength of the interelectrode gap and increases the likelihood of uncontrolled breakdown of the interelectrode gap. Secondly, the presence of a tip reduces the reliability of the device and the stability of its operation, because during operation of the arrester due to erosion both under the influence of laser radiation and under the influence of the discharge plasma, the quality of the surface of the tip will constantly change: the radius of curvature of the surface of the tip will change, and the roughness surface, and therefore, the conditions for the development of the discharge will constantly change, for example, the delay time between the moment of exposure to radiation on the cathode and the moment of formation of a conducting channel between do electrodes.

Задачей полезной модели является создание вакуумного электроразрядного коммутирующего устройства, отличающегося надежным и стабильным срабатыванием и обеспечивающего минимальную эрозию элементов данного устройства в результате воздействия сфокусированного управляющего оптического излучения импульсного источника. Коммутирующее действие предлагаемого устройства основано на создании токопроводящей среды в межэлектродном промежутке разрядника за счет заполнения плазмой, возникающей под действием импульса управляющего сфокусированного оптического излучения импульсного источника на внутреннюю поверхность диэлектрической оболочки разрядника при достигаемой интенсивности порядка 10⁸-10¹⁰ Вт/см² в пятне фокусировки.The objective of the utility model is to create a vacuum electric-discharge switching device, characterized by reliable and stable operation and providing minimal erosion of the elements of this device as a result of exposure to focused control optical radiation from a pulsed source. The switching action of the proposed device is based on the creation of a conductive medium in the interelectrode gap of the arrester due to the filling of plasma arising under the action of a pulse of controlled focused optical radiation from a pulsed source on the inner surface of the dielectric shell of the arrester at an achieved intensity of the order of 10 ⁸ -10 ¹⁰ W / cm ² in the focus spot .

Технический результат заключается в повышении надежности и стабильности работы и в увеличении ресурса разрядника.The technical result consists in increasing the reliability and stability of the work and in increasing the resource of the arrester.

Технический результат достигается тем, что в вакуумном разряднике, включающем герметичную диэлектрическую оболочку, содержащую коаксиальную электродную систему, состоящую из двух электродов, оптически прозрачное окно для ввода управляющего сфокусированного импульсного оптического излучения по оси симметрии разрядника, причем каждый из электродов выполнен со сквозным отверстием для пропуска управляющего излучения, отверстия расположены на оси симметрии разрядника. Герметичная диэлектрическая оболочка выполнена из корунда, а управляющее излучение фокусируется не на поверхности электрода, а на внутренней поверхности герметичной оболочки на оси разрядника за пределами межэлектродного промежутка. Оболочка откачана до давления остаточных газов, обеспечивающего электропрочность коммутируемого промежутка до срабатывания разрядника.The technical result is achieved in that in a vacuum spark gap comprising a sealed dielectric sheath containing a coaxial electrode system consisting of two electrodes, an optically transparent window for inputting control focused pulsed optical radiation along the symmetry axis of the spark gap, each of the electrodes having a through hole for passing control radiation, the holes are located on the axis of symmetry of the arrester. The sealed dielectric sheath is made of corundum, and the control radiation is focused not on the electrode surface, but on the inner surface of the sealed sheath on the axis of the spark gap outside the interelectrode gap. The shell is pumped out to the residual gas pressure, which ensures the electrical strength of the switched gap until the arrester operates.

Предложенное техническое решение позволяет одновременно обеспечить высокую электропрочность межэлектродного промежутка, увеличить надежность и стабильность работы всего устройства за счет отказа от использования катода с острием, увеличить ресурс разрядника за счет уменьшения потока вещества, напыляемого на внутреннюю поверхность прозрачного окна в корпусе разрядника, предназначенного для ввода управляющего оптического излучения, за счет замены элемента конструкции, изготовленного из соответствующего материала и подвергающегося воздействию управляющего излучения. Замена материала, поверхность которого подвергается воздействию управляющего оптического излучения, а именно, замена металлического сплава на основе вольфрама (XV) на диэлектрик корунд (А1₂O₃) приводит к следующим последствиям. Толщина пленки, напыляемой на внутреннюю поверхность прозрачного окна в оболочке разрядника при однократном воздействии импульса управляющего оптического излучения, пропорциональна толщине поверхностного слоя, прогреваемого до температуры испарения (сублимации) под воздействием падающего на поверхность материала излучения. Толщину прогретого поверхностного слоя можно оценить следующим образом [5]:The proposed technical solution allows both to ensure high electrical strength of the interelectrode gap, to increase the reliability and stability of the entire device due to the rejection of the use of a cathode with a tip, to increase the arrester resource by reducing the flow of material sprayed onto the inner surface of a transparent window in the arrester housing designed to enter the control optical radiation by replacing a structural member made of the appropriate material and subject to I am exposed to control radiation. Replacing a material whose surface is exposed to control optical radiation, namely, replacing a metal alloy based on tungsten (XV) with a dielectric corundum (A1 ₂ O ₃ ) leads to the following consequences. The thickness of the film deposited on the inner surface of a transparent window in the spark gap during a single exposure to a pulse of control optical radiation is proportional to the thickness of the surface layer heated to the temperature of evaporation (sublimation) under the influence of radiation incident on the surface of the material. The thickness of the heated surface layer can be estimated as follows [5]:

Δ_А1(τχ)^1/2, χ=λ/(ρс),Δ _A1 (τχ) ^1/2 , χ = λ / (ρс),

где Δ - толщина поверхностного прогретого слоя, τ - длительность импульса излучения, χ - коэффициент температуропроводности материала, λ - коэффициент теплопроводности материала, ρ и с - плотность и удельная теплоемкость материала. Подстановка численных значений указанных параметров [6, 7] дает результатwhere Δ is the thickness of the heated surface layer, τ is the radiation pulse duration, χ is the thermal diffusivity of the material, λ is the thermal conductivity of the material, ρ and c are the density and specific heat of the material. Substitution of the numerical values of these parameters [6, 7] gives the result

Δ_W/Δ_Al203≈5,Δ _W / Δ _Al203 ≈5,

где Δ_W и Δ_Аl203 - толщина поверхностного прогретого слоя в сплаве на основе вольфрама и в корунде, соответственно; т.е. толщина пленки, напыляемой на внутреннюю поверхность прозрачного окна в оболочке разрядника при однократном воздействии импульса управляющего оптического излучения на корунд примерно в 5 раз меньше, чем при воздействии такого же импульса на вольфрамовый сплав. Таким образом окно в оболочке разрядника выдержит примерно в 5 раз большее число срабатываний разрядника при воздействии излучения на корунд, не теряя необходимой прозрачности.where Δ _W and Δ _Al203 are the thickness of the heated surface layer in a tungsten-based alloy and in corundum, respectively; those. the thickness of the film sprayed onto the inner surface of the transparent window in the shell of the arrester with a single exposure to a pulse of control optical radiation on corundum is about 5 times less than when the same pulse affects a tungsten alloy. Thus, the window in the shell of the arrester will withstand about 5 times the number of operations of the arrester when exposed to radiation on corundum, without losing the necessary transparency.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где 1 - герметичная диэлектрическая оболочка; 2 - оптически прозрачное окно; 3, 4 - электроды, 5 - импульсный источник управляющего оптического излучения, 6 - фокусирующий оптический элемент.The proposed technical solution is illustrated by the drawing, where 1 is a sealed dielectric sheath; 2 - optically transparent window; 3, 4 — electrodes, 5 — pulsed source of control optical radiation, 6 — focusing optical element.

Вакуумный разрядник, управляемый сфокусированным оптическим излучением импульсного источника, состоит из герметичной оболочки 1, изготовленной из корунда. Оболочка откачана до давления остаточных газов, обеспечивающего электропрочность коммутируемого промежутка до срабатывания разрядника. В оболочке имеется оптически прозрачное окно 2 для пропуска управляющего излучения от импульсного источника вдоль оси симметрии разрядника. Внутри оболочки находится коаксиальная электродная система, содержащая два электрода 3 и 4, в каждом из которых имеется сквозное отверстие по оси системы для пропуска управляющего излучения в направлении внутренней поверхности оболочки 1. В качестве импульсного источника управляющего излучения 5 может выступать, например, импульсный оптического квантовый генератор. Управляющее излучение фокусируется на внутренней поверхности оболочки 1.A vacuum spark gap controlled by the focused optical radiation of a pulsed source consists of a sealed enclosure 1 made of corundum. The shell is pumped out to the residual gas pressure, which ensures the electrical strength of the switched gap until the arrester operates. The shell has an optically transparent window 2 for passing control radiation from a pulsed source along the axis of symmetry of the spark gap. Inside the shell is a coaxial electrode system containing two electrodes 3 and 4, each of which has a through hole along the axis of the system for passing control radiation in the direction of the inner surface of the shell 1. As a pulsed source of control radiation 5, for example, a pulsed optical quantum generator. The control radiation is focused on the inner surface of the shell 1.

Фокусировка управляющего излучения может осуществляться как при помощи фокусирующего оптического элемента 6 (собирающей линзы, видикона и т.п.), расположенного за пределами оболочки, так и при помощи окна 2, выполненного в виде такого элемента, например плоско-выпуклой линзы, выпуклая сторона которой находится на внешней поверхности оболочки.The control radiation can be focused both with the help of a focusing optical element 6 (a collecting lens, a vidicon, etc.) located outside the shell, and with the help of a window 2 made in the form of such an element, for example, a plane-convex lens, the convex side which is located on the outer surface of the shell.

Вакуумный разрядник работает следующим образом. Излучение оптического диапазона, испускаемое импульсным источником, фокусируется на внутренней поверхности оболочки, выполненной из корунда. Диаметр пятна фокусировки, получаемого с помощью, например, собирающей линзы с фокусным расстоянием порядка нескольких сантиметров, составит несколько десятых [4]. При энергии излучения 10^-3-10^-2 Дж в импульсе длительностью 10^-9-10^-8 с, что обеспечивают коммерческие серийно выпускаемые компактные твердотельные оптические квантовые генераторы со светодиодной накачкой, плотность потока энергии излучения на внутренней поверхности оболочки разрядника может быть доведена до уровня 10⁸-10¹⁰ Вт/см². При таком уровне интенсивности излучения, падающего на внутреннюю поверхность оболочки разрядника, и под его воздействием на материал оболочки происходит образование плазмы, которая, распространяясь в пространстве, создает проводящую среду между электродами, осуществляя коммутацию разрядника.Vacuum discharger operates as follows. The radiation of the optical range emitted by a pulsed source is focused on the inner surface of the shell made of corundum. The diameter of the focusing spot obtained using, for example, a collecting lens with a focal length of the order of several centimeters, will amount to several tenths [4]. When the radiation energy is 10 ^-3 -10 ^-2 J in a pulse of 10 ^-9 -10 ^-8 s duration, which is ensured by commercial commercially available compact solid-state optical quantum generators with LED pumping, the radiation energy flux density on the inner surface of the spark gap can be brought to level 10 ⁸ -10 ¹⁰ W / cm ² . At such a level of intensity of radiation incident on the inner surface of the spark gap, and under its influence on the shell material, a plasma forms, which, propagating in space, creates a conductive medium between the electrodes by switching the spark gap.

Используемая литератураUsed Books

1. Островская Г.В., Зайдель А.Н. Лазерная искра в газах // УФН, 1973, Т. 111, с.579.1. Ostrovskaya G.V., Seidel A.N. Laser spark in gases // UFN, 1973, T. 111, p.579.

2. Райзер Ю.П. Оптические разряды // УФН, 1980, Т. 132, с.549.2. Riser Yu.P. Optical discharges // UFN, 1980, T. 132, p. 549.

3. Ананьин О.Б. и др. Лазерная плазма. Физика и применения: Монография. -М.: МИФИ, 2003. С.10, 186.3. Ananyin O.B. et al. Laser plasma. Physics and Applications: Monograph. -M .: MEPhI, 2003.S. 10, 186.

4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1974. С.239.4. Riser Yu.P. Physics of gas discharge. - M .: Nauka, 1974.P.239.

5. Асюнин В.И. и др. Воздействие импульсного вакуумно-дугового разряда на поверхность элементов разрядного устройства // Письма в ЖТФ. 2016, Т. 42, Вып.7, С.65-72.5. Asyunin V.I. et al. Impact of a pulsed vacuum-arc discharge on the surface of elements of a discharge device // Letters in ZhTF. 2016, T. 42, Issue 7, S.65-72.

6. Таблицы физических величин. Справочник. / Под ред. акад. И.К. Кикоина. - М., Атомиздат,1976. - с.56-66, 142-165,256-231.6. Tables of physical quantities. Directory. / Ed. Acad. I.K. Kikoina. - M., Atomizdat, 1976. - p. 56-66, 142-165,256-231.

7. Физические величины: Справочник. / А.П. Бабичев, Н.А.Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.С. Мелихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С.99-110, 197-220, 337-363.7. Physical quantities: Reference. / A.P. Babichev, N.A. Babushkina, A.M. Bratkovsky and others; Ed. I.S. Grigoryeva, E.S. Melikhova. - M .: Energoatomizdat, 1991 .-- S.99-110, 197-220, 337-363.

Claims

1. A vacuum arrester comprising a sealed dielectric sheath containing a coaxial electrode system consisting of two electrodes and an optically transparent window for inputting control focused pulsed optical radiation along the axis of symmetry of the arrester, characterized in that the sheath is made of corundum, each of the electrodes is made a through hole for passing control radiation, the holes are located on the axis of symmetry of the spark gap, the control radiation is focused outside the interelectrode about the gap on the inner surface of the sealed shell, the shell is pumped out to the pressure of the residual gases, providing electrical strength of the switched gap until the arrester operates.

2. The vacuum spark gap according to claim 1, characterized in that the optical element focusing the control radiation on the target is located outside the hermetic shell.

3. The vacuum spark gap according to claim 1, characterized in that the window is made in the form of an optical element focusing the control radiation on the target.