RU2426209C1

RU2426209C1 - Discharger with volume discharge

Info

Publication number: RU2426209C1
Application number: RU2010105504/07A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Мешалкин (RU); Евгений Александрович Мешалкин
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН)
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-08-10

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: discharger comprises two metal electrodes with coaxial holes and a plate arranged between them and made of a hard dielectric, which a hole (a channel) coaxial with holes in electrodes, on an inner wall of which there is a groove. Arrangement of a solid dielectric material between electrodes and selection of geometric shape of electrodes and a dielectric ensure reduced intensity of an electric field near dielectric walls of a discharger channel, its enlargement in the channel centre, deflection of electric charges from discharger channel walls and distribution of discharge along an edge of holes in the cathode and anode. ^ EFFECT: production of a volume discharge in a discharger, which ensures switching time of 5 ns, reduced inductance and resistance of a discharge, reduced thermal and chemical effect of discharge plasma at structure parts, autonomous removal of ionised gas from an interelectrode gap and reduced dimensions of the discharger. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технике газоразрядных и вакуумных приборов. Изобретение может быть использовано в устройствах электронной техники.The invention relates to electronic equipment, in particular to the technique of gas-discharge and vacuum devices. The invention can be used in electronic devices.

Известен разрядник, состоящий из двух металлических электродов с соосными отверстиями в них, разделенных воздушным промежутком, через которые пропускают поток воздуха, и двух металлических колец, имеющих малую работу выхода электронов, вставленных в электроды (Ф.Фрюнгель. Импульсная техника. М.-Л.: Энергия, 1965, с.63-с.65). Недостатком таких устройств является искровая форма разряда между электродами, приводящая к их быстрому обгоранию, необходимость пропускания потока воздуха между электродами, сложный профиль и конструкция электродов.Known arrester, consisting of two metal electrodes with coaxial holes in them, separated by an air gap through which an air stream is passed, and two metal rings having a small electron work function inserted into the electrodes (F. Frungel. Pulse technique. M.-L .: Energy, 1965, p. 63-p. 65). The disadvantage of such devices is the spark form of the discharge between the electrodes, leading to their rapid burning, the need to pass the air flow between the electrodes, the complex profile and design of the electrodes.

Наиболее близким к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому результату является разрядный источник света (Физика быстропротекающих процессов. Перевод под ред. Н.А.Златина. М.: Мир, 1971, т.1, с.145, с.152), состоящий из двух металлических электродов, один из которых имеет отверстие; пластины из диэлектрического материала с соосным отверстием в ней, находящейся между электродами, и запускающего устройства. Этот источник служит для получения импульсов излучения плазмы искрового разряда со временем достижения половины максимальной яркости ~100 нс. В таком устройстве невозможно получить объемный разряд в диэлектрическом канале. Для получения искрового разряда используется внешнее поджигающее устройство большой мощности и габаритов. После нескольких импульсов происходит разрушение стенки канала и электродов искрой разряда. Даже при внешнем поджиге искровой разряд неустойчив и отклоняется к стенке диэлектрического канала. Дальнейшее сокращение длительности импульса тока через это устройство невозможно, вследствие повышенной индуктивности и сопротивления искровой формы разряда, по сравнению с объемной.The closest to the claimed device in technical essence and the achieved result is a discharge light source (Physics of fast processes. Translation under the editorship of N.A. Zlatin. M: Mir, 1971, v.1, p.145, p.152), consisting of two metal electrodes, one of which has an opening; plates of dielectric material with a coaxial hole in it, located between the electrodes, and the starting device. This source is used to obtain pulses of radiation from a spark discharge plasma with a time reaching half maximum brightness ~ 100 ns. In such a device, it is impossible to obtain a volume discharge in a dielectric channel. To obtain a spark discharge, an external ignition device of high power and dimensions is used. After several pulses, the channel wall and spark discharge electrodes are destroyed. Even with external ignition, the spark discharge is unstable and deviates to the wall of the dielectric channel. A further reduction in the duration of the current pulse through this device is impossible, due to the increased inductance and resistance of the spark shape of the discharge, compared with the bulk.

Изобретение решает следующие задачи: получение импульсного объемного разряда в разряднике и уменьшение скорости разрушения стенок диэлектрического канала и поверхности электродов плазмой разряда.The invention solves the following problems: obtaining a pulsed volume discharge in a spark gap and reducing the rate of destruction of the walls of the dielectric channel and the surface of the electrodes by the discharge plasma.

Для решения поставленных задач предложен разрядник, содержащий два соосных отверстия, твердый непроводящий электрический ток материал, расположенный между этими электродами, в котором имеется отверстие (канал), соосное с отверстиями в электродах, и углубление на внутренней стенке этого отверстия.To solve the tasks, a spark gap is proposed that contains two coaxial holes, a solid non-conductive electric current material located between these electrodes, in which there is a hole (channel), coaxial with holes in the electrodes, and a recess on the inner wall of this hole.

Поставленные задачи решаются путем увеличения напряженности электрического поля электродов вблизи оси диэлектрического канала, уменьшения ее около диэлектрической стенки канала и создания на стенке поляризационных электрических зарядов, отклоняющих от нее электрический ток. Это решение исполнено посредством изготовления канала в диэлектрике с углублением, находящемся на боковой стенке. Это возможно, потому что напряженность электрического поля в узкой и длинной щели, расположенной внутри диэлектрика вдоль силовых линий поля, в ε раз (где ε - относительная диэлектрическая проницаемость) меньше напряженности поля поверхностных зарядов на электродах, края отверстий которых создают поле повышенной напряженности вблизи оси канала. Стенки углубления приобретают поляризационные заряды одноименного знака с ближайшим электродом, поэтому они отталкивают заряды, движущиеся от этого электрода. Форма электродов обеспечивает однородное распределение разряда по их краям. Так как разряд происходит вдоль оси канала, то температура около стенки канала низкая. Плазма на оси канала и около электродов уходит из канала разряда в обе стороны под действием силы ее внутреннего теплового давления. Эти факторы защищают канал в диэлектрике и электроды от разрушения.The tasks are solved by increasing the electric field strength of the electrodes near the axis of the dielectric channel, reducing it near the dielectric wall of the channel and creating polarizing electric charges on the wall that deflect the electric current from it. This decision was made by manufacturing a channel in a dielectric with a recess located on the side wall. This is possible because the electric field strength in a narrow and long gap located inside the dielectric along the field lines is ε times (where ε is the relative permittivity) less than the surface charge field strength on the electrodes whose hole edges create an increased field near the axis channel. The walls of the recess acquire polarizing charges of the same sign with the nearest electrode, so they repel charges moving from this electrode. The shape of the electrodes provides a uniform distribution of the discharge along their edges. Since the discharge occurs along the axis of the channel, the temperature near the channel wall is low. The plasma on the channel axis and near the electrodes leaves the discharge channel in both directions under the action of the force of its internal thermal pressure. These factors protect the channel in the dielectric and the electrodes from destruction.

Предложенный разрядник показан следующим примером. На фиг.1 изображен газонаполненный открытый воздушный разрядник. Разрядник содержит: металлические электроды - 1, которые имеют соосные отверстия - 2; пластину из диэлектрика - 3, в которой есть отверстие (канал) - 4 и углубление на внутренней стенке этого отверстия - 5.The proposed arrester is shown by the following example. Figure 1 shows a gas-filled open air gap. The arrester contains: metal electrodes - 1, which have coaxial holes - 2; a dielectric plate - 3, in which there is a hole (channel) - 4 and a recess on the inner wall of this hole - 5.

Металлические электроды разрядника имеют соосные отверстия диаметром D=1 мм и радиус внешнего края отверстия R=0,2 мм. Электроды являются медной фольгой толщиной 0,05 мм на пластине двустороннего фольгированного стеклотекстолита, на которую нанесено два слоя олова толщиной 0,15 мм или наложены медные или стальные пластины такой же толщины. Пластина фольгированного стеклотекстолита имеет толщину диэлектрического слоя Н=2,2 мм. На внутренней поверхности стенки отверстия сделано углубление шириной L=1,5 мм и глубиной Р=0,5 мм.The metal electrodes of the spark gap have coaxial holes with a diameter of D = 1 mm and a radius of the outer edge of the hole R = 0.2 mm. The electrodes are 0.05 mm thick copper foil on a double-sided foil-coated fiberglass plate on which two tin layers of 0.15 mm thickness are applied or copper or steel plates of the same thickness are applied. The foil fiberglass plate has a dielectric thickness of H = 2.2 mm. A recess with a width of L = 1.5 mm and a depth of P = 0.5 mm was made on the inner surface of the wall of the hole.

Порог статического электрического пробоя разрядника равен u=6,3 кВ. В разряднике происходит объемный разряд. После 5·10³ разрядов с энергией 0,5 Дж каждый электроды и стенки канала разрядника не разрушились. При подаче на аналогичный разрядник импульса потенциала, равного 7 кВ, произошел пробой через время задержки, равное 150 нс, за время переключения, равное меньше 5 нс. Сопротивление плазмы разрядника равно 0,07 Ом. После пробоя происходит уход плазмы из канала за пределы разрядника.The threshold of the static electric breakdown of the spark gap is u = 6.3 kV. A volume discharge occurs in the arrester. After 5 · 10 ³ discharges with an energy of 0.5 J, each electrodes and channel walls of the spark gap did not collapse. When a potential pulse of 7 kV was applied to a similar spark gap, a breakdown occurred after a delay time of 150 ns during a switching time of less than 5 ns. The resistance of the arrester plasma is 0.07 ohms. After the breakdown, the plasma leaves the channel beyond the spark gap.

Claims

A spark gap comprising two electrically conductive electrodes with two coaxial holes, a solid non-conductive electric current material located between these electrodes, having an opening (channel), coaxial with holes in the electrodes, characterized in that a recess is made on the inner wall of the hole in the non-conductive electric current material.