RU2243612C1

RU2243612C1 - Controlled gas-discharge device

Info

Publication number: RU2243612C1
Application number: RU2003109766/28A
Authority: RU
Inventors: С.В. Николин (RU); С.В. Николин; К.С. Гайнутдинов (RU); К.С. Гайнутдинов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма"
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-12-27

Abstract

FIELD: gas-discharge engineering; cold-cathode gas-discharge devices and control units.

SUBSTANCE: proposed device designed to control ignition moment and can be used in high-voltage installations as switching apparatus has anode 1 and hollow cathode 2. Hole 6 is made in base of hollow cathode 2. Semiconductor discharge initiating device 7 with contact members 8 is disposed in cathode 2 interior. Contact members 8 are mounted on surface of semiconductor discharge initiating device 5 and spaced 5 - 12 mm apart to afford better conditions for development of discharge at low gas pressure. Discharge initiating device is made of granular-porous material whose porosity is 40 - 45% and size of sintered grains is not over 50 μm that ensures micron-size area of contact and high current density.

EFFECT: enhanced reliability and service life due to stable initiation of discharge; reduced energy of trigger pulse, enhanced operating rate.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к газоразрядной технике, а именно к газоразрядным приборам с холодным катодом и узлом управления, предназначенным для регулирования момента зажигания разряда.The invention relates to a gas-discharge equipment, namely to gas-discharge devices with a cold cathode and a control unit for controlling the moment of ignition of a discharge.

Известны управляемые газоразрядные приборы с холодным катодом, наполненные газом (или паром) при низком давлении, управляемые путем возбуждения тлеющего разряда в цилиндрическом или призматическом пусковом электроде (см. авт. свид. СССР №313478, кл. H 01 J 17/44, опубл. 1972 г.).Known controlled gas-discharge devices with a cold cathode, filled with gas (or steam) at low pressure, controlled by excitation of a glow discharge in a cylindrical or prismatic starting electrode (see ed. Certificate of the USSR No. 313478, class H 01 J 17/44, publ. . 1972).

К недостаткам следует отнести сильную зависимость от пусковых характеристик, времени запаздывания и разброса времени запаздывания от давления рабочего газа (или пара) в приборе, а также жесткие требования к переднему фронту запускающего импульса и его высокой амплитуде.The disadvantages include a strong dependence on the starting characteristics, the delay time and the spread of the delay time on the pressure of the working gas (or steam) in the device, as well as stringent requirements on the leading edge of the triggering pulse and its high amplitude.

Известен управляемый газоразрядный прибор с холодным катодом, запускаемый разрядом, проходящим вдоль полупроводниковой пусковой поверхности из карбида кремния. Пусковая поверхность образуется между поджигающим электродом, проходящим через отверстие в изоляторе, и поверхностью катода (см. патент Великобритании №1103523, кл. H 1 D, опубл. 1968 г.).Known controlled gas-discharge device with a cold cathode, triggered by a discharge passing along a semiconductor starting surface of silicon carbide. The starting surface is formed between the ignition electrode passing through the hole in the insulator and the surface of the cathode (see UK patent No. 1103523, class H 1 D, publ. 1968).

К недостаткам следует отнести повышенную эрозию полупроводниковой пусковой поверхности, так как она находится в полости между анодом и катодом, образующей основной разрядный промежуток. Это явление существенно снижает долговечность прибора.The disadvantages include increased erosion of the semiconductor starting surface, since it is in the cavity between the anode and cathode, which forms the main discharge gap. This phenomenon significantly reduces the durability of the device.

Наиболее близким прибором является управляемый газоразрядный прибор, содержащий анод, полый катод с обращенным к аноду основанием, в котором выполнены отверстия, и расположенный в полости катода поджигающий электрод, выполненный в виде двух параллельно расположенных и соединенных токопроводящими стойками пластин, одна из которых расположена у основания полого катода, а другая у противоположной стенки катода (см. авт. свид. СССР 329615, H 01 J 7/04, опубл. 09.11.1972 г.) выбран в качестве прототипа изобретения.The closest device is a controllable gas-discharge device containing an anode, a hollow cathode with a base facing the anode, in which holes are made, and a burning electrode located in the cathode cavity, made in the form of two plates parallel to each other and connected by conductive racks, one of which is located at the base hollow cathode, and the other at the opposite wall of the cathode (see ed. certificate of the USSR 329615, H 01 J 7/04, publ. 11/09/1972) was selected as a prototype of the invention.

К недостаткам известного прибора следует отнести достаточно большую амплитуду запускающего импульса (не менее 10 кВ, при водородном наполнении 0,2-0,4 мм рт.ст.) и сильную зависимость времени запаздывания и разброса времени запаздывания от давления газа в приборе.The disadvantages of the known device include a rather large amplitude of the triggering pulse (at least 10 kV, with a hydrogen filling of 0.2-0.4 mm Hg) and a strong dependence of the delay time and the spread of the delay time on the gas pressure in the device.

Задача изобретения - создание надежного управляемого газоразрядного прибора, со стабильным возбуждением разряда, минимальным временем запаздывания и низкой амплитудой запускающего импульса.The objective of the invention is the creation of a reliable controlled gas-discharge device, with stable excitation of the discharge, the minimum delay time and low amplitude of the triggering pulse.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном управляемом газоразрядном приборе, содержащем анод, полый катод, с обращенным к аноду плоским основанием, в котором выполнены отверстия, и расположенный в полости катода поджигающий электрод, поджигающий электрод выполнен из зернисто-пористого полупроводникового материала с контактными элементами, установленными на поверхности поджигающего электрода на расстоянии 5-12 мм друг от друга, при этом пористость материала поджигающего электрода составляет 40-45%, а размер спеченных зерен не более 50 мкм.The technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in a known controlled gas discharge device containing an anode, a hollow cathode, with a flat base facing the anode, in which holes are made, and an ignition electrode located in the cathode cavity, an ignition electrode is made of granular-porous semiconductor material with contact elements mounted on the surface of the ignition electrode at a distance of 5-12 mm from each other, while the porosity of the material of the ignition electrode is 4 0-45%, and the size of the sintered grains of not more than 50 microns.

Кроме того, контактные элементы выполнены в виде двух металлических держателей, например в виде двух металлических полуколец, охватывающих поверхность полупроводникового поджигающего электрода.In addition, the contact elements are made in the form of two metal holders, for example, in the form of two metal half rings covering the surface of the semiconductor firing electrode.

Указанный зернисто-пористый полупроводниковый поджигающий электрод образует с контактными элементами систему множества точечных микроконтактов. Микроконтакты образуются на границе зерен, из которых состоит пористый полупроводниковый поджигающий электрод, с металлической поверхностью контактных элементов. Площадь микроконтактов определяется размером зерен пористого полупроводникового поджигающего электрода и не зависит от размера и конфигурации контактных элементов. Таким образом, зерна микронного размера образуют с контактными элементами множество микроконтактов, которые обеспечивают высокую плотность тока, необходимую для стабильного возбуждения разряда. В результате для стабильного возбуждения разряда необходимая амплитуда запускающего импульса уменьшается в несколько раз.The specified granular-porous semiconductor firing electrode forms a system of multiple point microcontacts with contact elements. Microcontacts are formed at the grain boundary of which the porous semiconductor ignition electrode consists, with the metal surface of the contact elements. The area of the microcontacts is determined by the grain size of the porous semiconductor firing electrode and does not depend on the size and configuration of the contact elements. Thus, micron-sized grains form many microcontacts with contact elements that provide the high current density necessary for stable discharge excitation. As a result, for a stable discharge excitation, the necessary amplitude of the triggering pulse decreases several times.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.The analysis of the prior art by the applicant made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention, and the determination from the list of identified analogues of the prototype as the closest analogue in the totality of features made it possible to identify the set of essential technical the result of the distinguishing features set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня, заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлены решения, в которых для повышения надежности и долговечности прибора была бы обеспечена высокая плотность тока, необходимая для стабильного возбуждения разряда, уменьшена амплитуда запускающего импульса.To verify the conformity of the claimed invention to the requirements of the inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions, the results of which show that the claimed invention does not explicitly follow from the prior art, since no solutions have been identified in which to increase the reliability and durability of the device would be provided high current density required for stable discharge excitation, the amplitude of the triggering pulse is reduced.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step" under applicable law.

На фиг.1 изображен управляемый газоразрядный прибор.Figure 1 shows a controllable discharge device.

На фиг.2 представлен в увеличенном виде узел поджига.Figure 2 is an enlarged view of the ignition unit.

Прибор содержит анод 1 и полый катод 2, образующий катодную полость 3. Катод 2 имеет плоское основание 4, обращенное к аноду 1. Пространство между анодом 1 и основанием 4 образует основной разрядный промежуток 5. В основании 4 выполнены отверстия 6, через которые основной разрядный промежуток 5 сообщается с катодной полостью 3. В катодной полости 3 напротив отверстий 6 расположен полупроводниковый поджигающий электрод 7, изготовленный из зернисто-пористого материала, в котором размер спеченных зерен, например карбида бора или карборунда, не более 50 мкм, а пористость составляет 40-45%. На поверхности зернисто-пористого полупроводникового поджигающего электрода 7 расположены контактные элементы 8, выполненные в виде двух металлических держателей, например в виде двух полуколец, охватывающих поверхность полупроводникового поджигающего электрода, расположенные на расстоянии 5-12 мм друг от друга.The device contains an anode 1 and a hollow cathode 2, forming a cathode cavity 3. The cathode 2 has a flat base 4 facing the anode 1. The space between the anode 1 and the base 4 forms the main discharge gap 5. At the base 4 are holes 6 through which the main discharge the gap 5 communicates with the cathode cavity 3. In the cathode cavity 3 opposite the holes 6 there is a semiconductor firing electrode 7 made of granular-porous material, in which the size of the sintered grains, for example boron carbide or carborundum, is not more than 5 0 microns, and porosity is 40-45%. On the surface of the granular-porous semiconductor firing electrode 7, contact elements 8 are arranged in the form of two metal holders, for example, in the form of two half rings covering the surface of the semiconductor firing electrode located at a distance of 5-12 mm from each other.

Вся система электродов помещена в герметичный диэлектрический корпус 9, через стенки которого впаяны выводы 10 анода, 11 катода и выводы 12 контактных элементов, 13 - изолирующая подставка. Прибор наполнен газом при давлении, необходимом для обеспечения требуемой электропрочности.The entire electrode system is placed in a sealed dielectric casing 9, through the walls of which the terminals 10 of the anode, 11 of the cathode and the terminals of 12 contact elements are soldered, 13 - an insulating stand. The device is filled with gas at the pressure necessary to provide the required electrical strength.

При наличии разности потенциалов между анодом 1 и катодом 2, без подачи запускающего импульса на контактные элементы 8, прибор сохраняет непроводящее состояние. При подаче импульса запуска на контактные элементы 8 из-за высокой плотности тока, малого размера зерен и достаточно низкой электропроводности происходит мгновенный разогрев отдельных зерен до температуры, при которой появляются термоэлектроны (Т>2000°С). Это приводит к быстрому развитию разряда вдоль поверхности поджигающего электрода 7, плазма которого диффундирует через отверстия 6 в основной разрядный промежуток 5, что приводит к развитию основного разряда между анодом 1 и катодом 2. За счет использования пористого полупроводникового поджигающего электрода 7 контактные металлические элементы 8 соприкасаются с зернами микронного размера, что обеспечивает микронную площадь контакта. При этом для надежного срабатывания прибора (с малым временем разброса срабатывания) амплитуду управляющего импульса можно уменьшать до 2-3 кВ. Расстояние между контактными элементами 8 выбрано из условия развития разряда при низком давлении газа (левая ветвь кривой Пашена). При расстояниях менее 5 мм и более 12 мм затрудняется развитие разряда и требуется увеличивать амплитуду импульса. Пористость материала полупроводникового поджигающего электрода 40-45% и размер спеченных зерен не более 50 мкм выбраны из условия обеспечения механической прочности поджигающего электрода и сохранения зернистой структуры материала. За счет использования зернисто-пористого полупроводникового поджигающего электрода уменьшается разброс времени запаздывания пробоя и появляется возможность снизить амплитуду запускающего импульса.If there is a potential difference between the anode 1 and the cathode 2, without applying a trigger pulse to the contact elements 8, the device retains a non-conductive state. When a start pulse is applied to the contact elements 8, due to the high current density, small grain size and sufficiently low electrical conductivity, individual grains instantly heat up to the temperature at which thermoelectrons appear (T> 2000 ° C). This leads to the rapid development of the discharge along the surface of the ignition electrode 7, the plasma of which diffuses through the holes 6 into the main discharge gap 5, which leads to the development of the main discharge between the anode 1 and the cathode 2. By using a porous semiconductor ignition electrode 7, the contact metal elements 8 are in contact with micron-sized grains, which provides a micron contact area. Moreover, for reliable operation of the device (with a short response time), the amplitude of the control pulse can be reduced to 2-3 kV. The distance between the contact elements 8 is selected from the conditions for the development of the discharge at low gas pressure (the left branch of the Paschen curve). At distances less than 5 mm and more than 12 mm, the development of the discharge is hindered and it is necessary to increase the amplitude of the pulse. The porosity of the material of the semiconductor firing electrode of 40-45% and the sintered grain size of not more than 50 μm are selected from the condition of ensuring the mechanical strength of the firing electrode and maintaining the granular structure of the material. Due to the use of a granular-porous semiconductor firing electrode, the spread of the breakdown delay time is reduced and it becomes possible to reduce the amplitude of the triggering pulse.

Проверка технической эффективности изобретения проводилась путем сравнения работоспособности образца предложенной конструкции и образца, выполненного по конструкции прототипа. Оба прибора имели металлокерамическое исполнение и содержали анод, катод и поджигающий электрод. Образец предложенной конструкции имел пористый полупроводниковый поджигающий электрод с контактными элементами, особенности конструкции которого отражены выше в описании и на чертежах. Оба образца имели водородное наполнение, которое создавалось с помощью генератора водорода.Checking the technical effectiveness of the invention was carried out by comparing the health of the sample of the proposed design and the sample made according to the design of the prototype. Both devices had a metal-ceramic design and contained an anode, a cathode, and an ignition electrode. A sample of the proposed design had a porous semiconductor firing electrode with contact elements, the design features of which are reflected above in the description and in the drawings. Both samples had hydrogen filling, which was created using a hydrogen generator.

Образцы опробованы в режиме мощного емкостного накопителя. Параметры режима:Samples were tested in a powerful capacitive storage mode. Mode Parameters:

Напряжение анода 20 кВAnode voltage 20 kV

Ток анода в импульсе 120 кАAnode current per pulse 120 kA

Коммутируемая энергия в импульсе 1 кДжSwitching energy per pulse 1 kJ

Частота следования импульсов 1 ГцPulse Frequency 1 Hz

Критерий сравнения - разброс времени запаздывания не более 20 нс. Сравнительные испытания по определению наименьшей амплитуды запускающего импульса показали, что для стабильной работы прибора предложенной конструкции в указанном режиме амплитуда запускающего импульса составила 3 кВ, в то время как для прототипа амплитуда составила 12 кВ.The comparison criterion is a delay spread of no more than 20 ns. Comparative tests to determine the smallest amplitude of the triggering pulse showed that for the stable operation of the device of the proposed design in the specified mode, the amplitude of the triggering pulse was 3 kV, while for the prototype the amplitude was 12 kV.

Таким образом, эффект уменьшения амплитуды запускающего импульса при сохранении стабильного и минимального времени запаздывания у образца предложенной конструкции по сравнению с прототипом подтвердился.Thus, the effect of reducing the amplitude of the triggering pulse while maintaining a stable and minimum delay time for the sample of the proposed design in comparison with the prototype was confirmed.

Следовательно заявленное изобретение обеспечивает высокую надежность и минимальный разброс времени запаздывания.Therefore, the claimed invention provides high reliability and minimal delay time spread.

Таким образом, вышеприведенные сведения показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.Thus, the above information shows that the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability" under applicable law.

Claims

1. A controlled gas-discharge device containing an anode, a hollow cathode with a flat base facing the anode, in which holes are made, and an ignition electrode located in the cathode cavity, characterized in that the ignition electrode is made of a granular-porous semiconductor material with contact elements mounted on a distance of 5-12 mm from each other on the surface of the semiconductor firing electrode, while the porosity of the material of the firing electrode is 40-45%, and the size of the sintered grains is not more than 50 μm.

2. The controlled gas-discharge device according to claim 1, characterized in that the contact elements are made in the form of two metal holders, for example, in the form of two half rings covering the surface of the semiconductor ignition electrode.