RU2158051C1

RU2158051C1 - Gas-discharge current switching tube

Info

Publication number: RU2158051C1
Application number: RU99114913A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Юдаев
Original assignee: Рязанская государственная радиотехническая академия
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2000-10-20

Abstract

FIELD: gas-discharge engineering; controlled nanosecond heavy-current switching tubes. SUBSTANCE: newly introduced in switching tube is metal partition that divides it into two cavities distinguished by gas composition but electrically interconnected; one compartment accommodates current switching electrodes (cathode and anode) and other one surrounded by metal screen mounts control electrode and serves to excite ionizing wave for organizing control action. EFFECT: improved time and power characteristics of current switching tube. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области газоразрядной техники, в частности к быстродействующим управляемым коммутаторам тока с расположением управляющего электрода и электродов, коммутирующих ток в изолированных друг от друга объемах. The invention relates to the field of gas-discharge equipment, in particular to high-speed controlled current switches with the location of the control electrode and electrodes that commute the current in volumes isolated from each other.

Известны газоразрядные коммутаторы тока (тиратроны, таситроны, управляемые разрядники, псевдоискровые разрядники и др.), в которых управляющий электрод находится в одном объеме с катодом и анодом и расположен между ними /1,2,4/. Управление такими приборами осуществляется с помощью подачи импульса напряжения положительной /1/ или отрицательной /2/ полярности на управляющий электрод, который находится в одном объеме с электродами, проводящими ток (катодом и анодом). Для увеличения скорости перевода коммутатора в проводящее состояние используют, например, облучение межэлектродного промежутка ультрафиолетом, лазерным излучением, введением в разрядную камеру ВЧ- или СВЧ-излучений /3/. Перечисленные способы накладывают определенные условия на конструкцию коммутаторов и направлены на увеличение быстродействия коммутирующих приборов, т. к. приводят к практически одновременному образованию заряженных частиц во всем межэлектродном пространстве, но являются достаточно сложными при практической реализации. Known gas-discharge current switches (thyratrons, tacitrons, guided arresters, pseudo-spark arresters, etc.), in which the control electrode is in the same volume with the cathode and anode and is located between them / 1,2,4 /. Such devices are controlled by applying a voltage pulse of positive / 1 / or negative / 2 / polarity to the control electrode, which is in the same volume as the electrodes conducting current (cathode and anode). To increase the speed of transferring the switch into a conducting state, for example, irradiation of the interelectrode gap with ultraviolet radiation, laser radiation, introduction of RF or microwave radiation into the discharge chamber / 3 / is used. The listed methods impose certain conditions on the design of the switches and are aimed at increasing the speed of switching devices, since they lead to the almost simultaneous formation of charged particles in the entire interelectrode space, but are quite complicated in practical implementation.

Наибольшее распространения получили коммутаторы с расположением управляющего электрода в одном объеме с катодом и анодом (тиратронная конструкция) /1/ и подачей управляющего импульса на управляющий электрод. The most widespread are switches with the location of the control electrode in the same volume as the cathode and anode (thyratron design) / 1 / and the supply of a control pulse to the control electrode.

Недостатками известных приборов являются:
1. Ограниченная скорость перехода прибора в проводящее состояние, связанная с тем, что образование плазмы происходит последовательно - сначала между катодом и управляющим электродом с дальнейшим переходом разряда на анод. Характерное время перехода в проводящее состояние приборов подобного класса составляет 15-100 нс /4/, что в ряде случаев снижает КПД устройства (например, при малой емкости накопителя энергии, при работе коммутаторов в схемах питания лазеров на самоограниченных переходах и др.).The disadvantages of the known devices are:
1. The limited rate of transition of the device into a conducting state, due to the fact that plasma formation occurs sequentially - first between the cathode and the control electrode with a further transition of the discharge to the anode. The characteristic time of transition to the conducting state of devices of this class is 15-100 ns / 4 /, which in some cases reduces the efficiency of the device (for example, with a small capacity of the energy storage device, when the switches work in laser supply circuits for self-limited transitions, etc.).

2. Наличие управляющего электрода в межэлектродном пространстве приводит к дополнительным потерям, к выделению на нем мощности из разряда, что приводит к повышенной эрозии электрода и сокращению срока службы коммутатора. 2. The presence of the control electrode in the interelectrode space leads to additional losses, to the release of power from the discharge on it, which leads to increased erosion of the electrode and shorten the life of the switch.

Данное изобретение направлено на увеличение быстродействия газоразрядного коммутатора тока, уменьшение стартовых потерь, уменьшение тепловой нагрузки на электроды и увеличение временной стабильности параметров коммутатора. This invention is aimed at increasing the speed of a gas-discharge current switch, reducing starting losses, reducing the heat load on the electrodes and increasing the temporal stability of the parameters of the switch.

Технический результат достигается за счет введения разделительной перегородки и разделения коммутатора на два объема, в одном из которых располагается управляющий электрод и формируется управляющее воздействие - волна ионизации /5/, а в другом располагаются электроды, коммутирующие ток - катод и анод. Давление в этих объемах может быть различным исходя из оптимальных условий формирования волны ионизации и назначения коммутатора. The technical result is achieved by introducing a dividing wall and dividing the switch into two volumes, in one of which there is a control electrode and a control action is formed - an ionization wave / 5 /, and in the other there are electrodes that switch the current - cathode and anode. The pressure in these volumes can be different based on the optimal conditions for the formation of an ionization wave and the purpose of the switch.

Предлагаемый коммутатор показан на фиг. 1. Коммутатор состоит из двух изолированных объемов 1 и 2, первый из которых служит для формирования управляющего воздействия в виде волны ионизации, во втором объеме размещены электроды, коммутирующие электрический ток. Для стабилизации параметров волны ионизации и лучшего согласования генератора управляющих импульсов с первым объемом он окружен металлическим экраном 3, крепящимся на изоляторах 4. Управляющий импульс подается на электрод 5. Протяженность объема 1 должна быть не менее 6 диаметров этого объема, т. к. при этом происходит максимальное обострение градиента потенциала во фронте волны ионизации и формирующийся управляющий импульс имеет максимальную эффективность /6/. The proposed switch is shown in FIG. 1. The switch consists of two isolated volumes 1 and 2, the first of which serves to form a control action in the form of an ionization wave, in the second volume are placed electrodes commuting an electric current. To stabilize the parameters of the ionization wave and better match the control pulse generator with the first volume, it is surrounded by a metal screen 3 mounted on insulators 4. The control pulse is supplied to the electrode 5. The length of volume 1 must be at least 6 diameters of this volume, since there is a maximum aggravation of the potential gradient in the front of the ionization wave and the forming control pulse has a maximum efficiency / 6 /.

Объемы разделены металлической пластиной (перегородкой) 6, которая разделяет коммутатор по газовому составу, но связывает по электрическому воздействию. Сильноточный разряд формируется между катодом 7 и анодом 8. Объем 1 заполнен неоном до давления 800 - 1100 Па, объем 2 - водородом до давления 50 - 200 Па. В объеме 1 при подаче слаботочного управляющего импульса U_упр отрицательной полярности амплитудой более 5 кВ при длительности переднего фронта менее 50 нс формируется волна ионизации. При перемещении в объеме 1 волны ионизации происходит обострение переднего фронта переносимого тока и градиента потенциала до 2-4 нс. При достижении пластины 6 волна ионизации наводит на ней потенциал U_R2, проникает в объем 2 и через отверстия в катоде в разрядную область между катодом и анодом - замыкает разрядный канал, что приводит к возникновению сильноточного разряда с током 1_н за 2-4 нс.The volumes are separated by a metal plate (partition) 6, which separates the switch according to the gas composition, but binds according to the electrical effect. A high-current discharge is formed between the cathode 7 and the anode 8. Volume 1 is filled with neon to a pressure of 800 - 1100 Pa, volume 2 is filled with hydrogen to a pressure of 50 - 200 Pa. In volume 1, upon supplying a low-current control pulse U _{upr of} negative polarity with an amplitude of more than 5 kV with a leading edge duration of less than 50 ns, an ionization wave is formed. When the ionization wave moves in volume 1, the leading edge of the transferred current and potential gradient become aggravated up to 2-4 ns. Upon reaching plate 6, an ionization wave induces the potential U _R2 on it, penetrates into volume 2 and through the holes in the cathode to the discharge region between the cathode and anode - closes the discharge channel, which leads to the appearance of a high-current discharge with a current of 1 _n in 2-4 ns.

Один из вариантов включения газоразрядного коммутатора в электрическую цепь для коммутации электрического тока показан на фиг. 2. Электрическая схема включения состоит из генератора управляющих импульсов 9, источника питания 10, зарядного сопротивления R1, накопителя энергии С1, сопротивления в цепи перегородки R2 и нагрузки R3. One of the options for incorporating a gas discharge switch into an electric circuit for switching electric current is shown in FIG. 2. The electrical switching circuit consists of a control pulse generator 9, a power source 10, a charging resistance R1, an energy storage device C1, a resistance in the partition wall circuit R2 and a load R3.

На фиг. 3. приведены временные диаграммы, поясняющие работу газоразрядного коммутатора тока: формы управляющего напряжения U_упр, формы напряжения на перегородке U_R2 и тока в нагрузке I_н, изменяющейся во времени t.In FIG. 3. Timing diagrams are given explaining the operation of the gas-discharge current switch: the forms of the control voltage U _cf , the forms of the voltage on the partition U _R2 and the current in the load I _n , which varies in time t.

Список литературы
1. Ворончев Т.А. Импульсные тиратроны.-М.: Сов. радио. - 1958. -164 с. (прототип).List of references
1. Voronchev T.A. Pulse thyratrons.-M.: Sov. radio. - 1958. -164 p. (prototype).

2. Киселев Ю.В., Черепанов В.П. Искровые разрядники. - М.: "Сов. радио", 1976. - 70 с. 2. Kiselev Yu.V., Cherepanov V.P. Spark gaps. - M .: "Sov. Radio", 1976. - 70 p.

3. Заявка 2.179.492, МКИ H 01 J 17/30, Великобритания, Тиратрон. Изобретение стран мира, 1988, вып. 128, N 2, с. 22, (прототип). 3. Application 2.179.492, MKI H 01 J 17/30, United Kingdom, Tiratron. The invention of the countries of the world, 1988, no. 128, N 2, p. 22, (prototype).

4. Головина Л.С., Полякова А.А. Обзоры по электронной технике. Сер. 4. ЭВ и ГРП. Вып. 1 (345). Водородные тиратроны за рубежом. - М., ЦНИИ "Электроника", 1976. - 37 с. 4. Golovina L.S., Polyakova A.A. Reviews on electronic technology. Ser. 4. EV and hydraulic fracturing. Vol. 1 (345). Hydrogen thyratrons abroad. - M., Central Research Institute "Electronics", 1976. - 37 p.

5. Василяк Л.М., Костюченко С.В., Кудрявцев Н. Н., Филюгин И. В. Высокоскоростные волны ионизации при электрическом пробое // УФН. 1994. Т. 164, N 3. С.263-285. 5. Vasilyak L.M., Kostyuchenko S.V., Kudryavtsev N.N., Filyugin I.V. High-speed ionization waves during electric breakdown // UFN. 1994.V. 164, N 3. S. 263-285.

6. Юдаев Ю. А. Волны ионизации и их использование для управления быстродействующими газоразрядными коммутаторами: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Рязань: РГРТА. 1994. 16 с. 6. Yudaev Yu. A. Ionization waves and their use for controlling high-speed gas-discharge switches: Abstract. dis. Cand. tech. sciences. - Ryazan: RGRTA. 1994.16 p.

Claims

A gas-discharge current switch containing a cathode, anode and a control electrode, characterized in that a metal partition is inserted into it, which divides the gas-discharge current switch into two volumes according to the gas composition, but binds by electrical action, and in one volume filled with hydrogen to a pressure of 50 - 200 Pa, a cathode and anode commuting an electric current are placed, and in another volume of at least six volume diameters, which serves to form a control action in the form of an ionization wave and fill SG neon to a pressure of 800 - 1100 Pa, the control electrode is situated.