RU2559027C1

RU2559027C1 - Triggered vacuum gap

Info

Publication number: RU2559027C1
Application number: RU2014108687/07A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Васильевич Смирнов
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2015-08-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: triggered vacuum gap contains two opposed electrodes installed in the housing with a window for laser beam passing connected to voltage source terminals and an igniting laser. The first electrode is implemented with the through opening located opposite to the window in the housing. The igniting laser and the first electrode with the through opening are connected to the positive terminal of the voltage source, and the second electrode which is the cathode is connected to the negative terminal of the voltage source and implemented with a depression on the working surface which is located opposite to the through hole in the first electrode. The named depression on the cathode is implemented as a truncated cone which narrows towards the first electrode.

EFFECT: reduction of delay time of and current rise time at the same power of the igniting impulse.

1 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и предназначено для использования в качестве сильноточных высоковольтных коммутаторов с наносекундными временами нарастания тока и запаздывания срабатывания.The invention relates to high-voltage pulse technology and is intended for use as high-current high-voltage switches with nanosecond rise times and response delays.

Известны управляемые вакуумные разрядники с искровым поджигом. Такие разрядники имеют малую собственную индуктивность, большую пропускную способность по току и большой диапазон коммутируемых напряжений [1].Known controlled vacuum spark gap igniters. Such arresters have a low intrinsic inductance, a large current throughput, and a large range of switched voltages [1].

Разрядники с искровым поджигом, как правило, содержат два основных электрода и один вспомогательный электрод. Инициирование электрического разряда в основном разрядном промежутке осуществляется электрической искрой, которая возникает при подаче управляющего импульса напряжения на вспомогательный электрод. Для успешной рабом разрядников с таким способом запуска необходимо, чтобы амплитуда поджигающего импульса напряжения была сравнимой с амплитудой напряжений на основном разрядном промежутке.Spark-ignited arresters typically contain two main electrodes and one auxiliary electrode. Initiation of an electric discharge in the main discharge gap is carried out by an electric spark, which occurs when a control voltage pulse is applied to the auxiliary electrode. For a successful slave of arresters with such a starting method, it is necessary that the amplitude of the ignition voltage pulse is comparable to the amplitude of the voltages in the main discharge gap.

Это требует наличие дополнительного источника напряжения, что представляет собой значительные неудобства, особенно в тех случаях, когда рабочие напряжения разрядника составляют сотни киловольт и более. Кроме того, в разрядниках с искровым поджигом в момент срабатывания разрядника запускающая цепь оказывается электрически связанной с высоковольтным источником, что приводит к опасности работы на такой установке.This requires an additional voltage source, which is a significant inconvenience, especially in cases where the rated voltage of the arrester is hundreds of kilovolts or more. In addition, in spark gaps with spark ignition, at the moment the spark gap is triggered, the starting circuit turns out to be electrically connected to a high-voltage source, which leads to the danger of operation on such an installation.

Известен способ поджига разрядника «Модернизированный вакуумный разрядник с шестизазорной стержневой электродной системой» [2], включающий подачу поджигающего импульса от вспомогательного трехэлектродного разрядника. К одному из основных электродов основного вакуумного трехэлектродного разрядника и батарее емкостных накопителей прикладывается напряжение от основного источника питания. Затем от автономного источника питания подается напряжение на один из основных электродов вспомогательного трехэлектродного разрядника и вспомогательную батарею емкостных накопителей. С генератора высоковольтных импульсов подается маломощный поджигающий импульс на управляющий электрод вспомогательного разрядника, вспомогательная батарея емкостных накопителей разряжается через вспомогательный разрядник. На управляющем электроде основного разрядника появляется импульс напряжения, равный зарядному напряжению вспомогательной батареи емкостных накопителей. Основной разрядник срабатывает, и батарея емкостных накопителей разряжается на индуктивную нагрузку через основной разрядник.A known method of ignition of a spark gap "Upgraded vacuum spark gap with a six-gap rod electrode system" [2], including the supply of an ignition pulse from an auxiliary three-electrode spark gap. A voltage from the main power source is applied to one of the main electrodes of the main vacuum three-electrode spark gap and the battery of capacitive storage. Then, a voltage is supplied from an autonomous power source to one of the main electrodes of the auxiliary three-electrode spark gap and the auxiliary battery of capacitive storage. A low-power firing pulse is supplied from the high-voltage pulse generator to the control electrode of the auxiliary arrester, the auxiliary battery of capacitive storage is discharged through the auxiliary arrester. A voltage pulse appears at the control electrode of the main spark gap equal to the charging voltage of the auxiliary battery of capacitive storage. The main arrester is triggered, and the capacitive storage battery is discharged to inductive load through the main arrester.

Недостатком этого способа является наличие дополнительных операций поджига вспомогательного разрядника от автономного источника питания, что вместе с дополнительными кабелями, контактными соединениями и другими элементами приводит к усложнению способа и, как следствие, к уменьшению надежности поджига основного разрядника.The disadvantage of this method is the presence of additional operations of ignition of the auxiliary arrester from an autonomous power source, which, together with additional cables, contact connections and other elements, complicates the method and, as a result, reduces the reliability of ignition of the main arrester.

Наиболее близким из известных технических решении является управляемый вакуумный разрядник, содержащий установленные в корпусе с окном для прохождения лазерного луча два противостоящих электрода, один из которых выполнен со сквозным отверстием, расположенным напротив указанного окна, и поджигающий лазер [3].The closest known technical solution is a controllable vacuum arrester containing two opposing electrodes installed in a housing with a window for the passage of the laser beam, one of which is made with a through hole located opposite the specified window, and an igniting laser [3].

При воздействий на электрод-мишень сфокусированного луча рубинового лазера, работающего в режиме модулирования добротности, происходит испарение вещества мишени в начале действия лазерного импульса с последующим ускорением его за счет поглощения энергии лазерного излучения. Расширяясь, лазерный факел закорачивает разрядный промежуток. Параметры указанного разрядника такие, как время запаздывания, время нарастания тока, определяются скоростью продвижения границы плазмы, образованной лазерным лучом. Для снижения времени запаздывания, времени нарастания тока необходимо значительное увеличение мощности поджигающего лазерного импульса, что сопряжено с увеличением мощности лазерного источника, а следовательно, со снижением экономичности системы поджига.When a focused beam of a ruby laser operating in the Q-switched mode is exposed to the target electrode, the target material evaporates at the beginning of the laser pulse action, followed by its acceleration due to absorption of laser radiation energy. When expanding, the laser torch shorts the discharge gap. The parameters of this spark gap, such as the delay time, the current rise time, are determined by the speed of advancement of the plasma boundary formed by the laser beam. To reduce the delay time, the rise time of the current, a significant increase in the power of the igniting laser pulse is necessary, which is associated with an increase in the power of the laser source and, consequently, with a decrease in the efficiency of the ignition system.

Техническая задача, поставленная в рамках данного изобретения, заключается в улучшении временных характеристик разрядника с лазерным поджигом, т.е. сокращение времени запаздывания и времени нарастания тока в разряднике без увеличения мощности поджигающего лазерного импульса.The technical problem posed in the framework of this invention is to improve the temporal characteristics of a spark gap with laser ignition, i.e. reduction of delay time and rise time of the current in the spark gap without increasing the power of the igniting laser pulse.

Поставленная задача решается тем, что в известном управляемом вакуумном разряднике, содержащем установленные в корпусе с окном для прохождения лазерного луча два противостоящих электрода, соединенных с разными клеммами источника напряжения, один из которых выполнен со сквозным отверстием, расположенным напротив указанного окна и поджигающий лазер, согласно данному изобретению первый электрод со сквозным отверстием соединен с положительной клеммой источника напряжения, а второй электрод соединен с отрицательной клеммой источника напряжения, причем упомянутый второй электрод выполнен с углублением на рабочей поверхности, расположенным напротив указанного сквозного отверстия в первом электроде, при этом углубление на катоде выполнено в виде усеченного конуса, сужение которого направлено в сторону первого электрода.The problem is solved in that in the known controlled vacuum arrester containing two opposing electrodes installed in a housing with a window for the passage of the laser beam, connected to different terminals of the voltage source, one of which is made with a through hole located opposite the specified window and ignites the laser, according to according to this invention, the first electrode with a through hole is connected to the positive terminal of the voltage source, and the second electrode is connected to the negative terminal of the source on tension, and said second electrode is made with a recess on the working surface located opposite the through hole in the first electrode, while the recess on the cathode is made in the form of a truncated cone, the narrowing of which is directed towards the first electrode.

На фиг.1 изображен общин вид предложенного управляемого вакуумного разрядника в разрезе. Разрядник состоит из корпуса 1 и двух электродов 2 и 3. В корпусе 1 сделано окно 4. Электрод 2, соединенный с отрицательной клеммой источника напряжения 8, являющийся мишенью, выполнен с углублением 5, на рабочей поверхности, расположенным напротив указанного сквозного отверстия 4 в электроде 3. При этом углубление на электроде-мишени 2 выполнено в виде усеченного конуса, сужение которого направлено в сторону электрода 3, соединенного с положительной клеммой источника напряжения 8. Луч лазера 6 через окно 4 и сквозное отверстие 7 в электроде 3 направляется в углубление 5 на электроде-мишени 2.In Fig.1 shows a community view of the proposed controlled vacuum arrester in section. The arrester consists of a housing 1 and two electrodes 2 and 3. A window 4 is made in the housing 1. The electrode 2 connected to the negative terminal of the voltage source 8, which is the target, is made with a recess 5, on the working surface, opposite the specified through hole 4 in the electrode 3. In this case, the recess on the target electrode 2 is made in the form of a truncated cone, the narrowing of which is directed towards the electrode 3 connected to the positive terminal of the voltage source 8. The laser beam 6 through the window 4 and the through hole 7 in the electrode 3 it possible in a recess 5 on the target electrode 2.

Сущность изобретения заключается в следующем. Коммутация разрядника происходит за счет искрового вакуумного пробоя промежутка между электродами 2 и 3, который переходит в дугу. Известно, что пробой вакуумного промежутка обусловлен микровзрывами на отрицательно заряженном электроде (катоде) [3]. Такая картина наблюдается не только в миллиметровых вакуумных промежутках при относительно низких напряжениях пробоя, но и при сверхвысоких импульсных напряжениях для вакуумных промежутков в десятки сантиметров. Впервые такая картина была обнаружена и описана в работе [5]. При микровзрывах на катоде возникает плазма, движущаяся в сторону второго положительно заряженного электрода. Плазма, достигая анода, вызывает коммутацию промежутка. Если каким - либо способом инициировать появление плазмы в области анода, например, при использовании дополнительного поджигающего электрода, то окажется, что время запаздывания разряда увеличивается, и, следовательно, увеличится и время коммутации. Поэтому инициирование вакуумного разряда предпочтительнее инициировать разряд (плазму) в области катода, так как время запаздывания разряда в этом случае меньше, чем в вышеописанном случае. При воздействии лазерного импульса на электрод-(мишень) 2 образуется плазма (лазерный факел), которая, расширяясь, коммутирует разрядный промежуток. Применение углубления (сопла) способствует увеличению скорости заполнения разрядного промежутка плазмой лазерного факела за счет улучшения условий формирования плазменной струи. При этом корость плазмы зависит от формы углубления в электроде 2.The invention consists in the following. Switching of the spark gap occurs due to spark vacuum breakdown of the gap between the electrodes 2 and 3, which goes into an arc. It is known that the breakdown of the vacuum gap is caused by microexplosions on a negatively charged electrode (cathode) [3]. Such a picture is observed not only in millimeter vacuum gaps at relatively low breakdown voltages, but also at ultrahigh pulsed voltages for vacuum gaps of tens of centimeters. Such a picture was first discovered and described in [5]. During microexplosions, a plasma appears at the cathode, which moves toward the second positively charged electrode. Plasma, reaching the anode, causes a gap commutation. If in some way to initiate the appearance of plasma in the region of the anode, for example, when using an additional ignition electrode, it turns out that the delay time of the discharge increases, and, consequently, the switching time also increases. Therefore, the initiation of a vacuum discharge is preferable to initiate a discharge (plasma) in the region of the cathode, since the delay time of the discharge in this case is less than in the case described above. When a laser pulse acts on the electrode- (target) 2, a plasma (laser torch) is formed, which, expanding, commutes the discharge gap. The use of a recess (nozzle) contributes to an increase in the rate of filling the discharge gap with a plasma of a laser plume by improving the conditions for the formation of a plasma jet. In this case, the plasma core depends on the shape of the recess in the electrode 2.

Как показали опыты,оптимальный внутренний профиль для обеспечения максимальной кинетической энергии струи должен иметь форму усеченного конуса. Поэтому именно так обычно изготавливают наконечники шлангов, пожарных брандспойтов, гидромониторов и прочих устройств, где необходимо получить максимальную силу и дальность струи. Оптимальный угол искоса конуса, как показали опыты, должен быть равен 16,6°. Исследованная скорость плазмы при инициировании разряда лазером на поверхности плоского катода равнялась 1,4×10⁶ См/с. При выполнении конического углубления на катоде в виде усеченного конуса с углом искоса конуса, равным 6,6°,скорость плазмы при инициировании разряда тем же рубиновым лазером при прочих равных условиях достигала величины 1,96×10⁶ См/с. Эксперименты показали, что время запаздывания и время нарастания тока описанного разрядника практически на 40% меньше по сравнению с известным разрядником без углубления в электроде-мишени при той же мощности поджигающего импульса.As experiments have shown, the optimal internal profile to ensure maximum kinetic energy of the jet should be in the form of a truncated cone. Therefore, this is exactly how the tips of hoses, fire hoses, hydraulic monitors and other devices are usually made, where it is necessary to obtain the maximum strength and range of the jet. The optimum angle of oblique cone, as shown by experiments, should be equal to 16.6 °. The investigated plasma velocity upon initiation of a laser discharge on the surface of a flat cathode was 1.4 × 10 ⁶ S / s. When performing a conical recess on the cathode in the form of a truncated cone with an oblique angle of cone equal to 6.6 °, the plasma velocity when the discharge was initiated by the same ruby laser, ceteris paribus, reached 1.96 × 10 ⁶ S / s. The experiments showed that the delay time and the rise time of the current of the described arrester are almost 40% shorter than the known arrester without a depression in the target electrode at the same ignition pulse power.

Источники информацииInformation sources

1. П.Н. Дэмук и др. Книга «Техника больших импульсных токов и магнитных полей», М., Атомиздат", 1970.1. P.N. Demuk et al. The book "Technique of high pulsed currents and magnetic fields", M., Atomizdat ", 1970.

2. Д.Ф. Алферова, В.А. Сидорова. Модернизированный вакуумный разрядник с шестизазорной стержневой электродной системой. - "ПТЭ", 1996 г., №3, с.82,2. D.F. Alferova, V.A. Sidorova. Upgraded vacuum arrester with a six-gap rod electrode system. - "PTE", 1996, No. 3, p. 82,

3. Н.С. Булыгин и др. ФТФ, 1975, №4, с.892-897, статья «Исследование вакуумного коммутатора с лазерным поджигом» - прототип.3. N.S. Bulygin et al. FTF, 1975, No. 4, p. 892-897, article "Study of a vacuum switch with laser ignition" - prototype.

4. http://gordon0030.narod.ru/archive/18873/index.html4.http: //gordon0030.narod.ru/archive/18873/index.html

5. Г.В. Смирнов.Экспериментальное изучение вакуумного пробоя сантиметровых промежутков на импульсах микросекундной длительности. - Томск., канд. диссерт., 1974 г., стр.76-77 (рис. 58 и рис.59).5. G.V. Smirnov, An Experimental Study of Vacuum Breakdown of Centimeter Gaps by Microsecond Pulses. - Tomsk., Ph.D. Thesis., 1974, pp. 76-77 (Fig. 58 and Fig. 59).

Claims

A controllable vacuum arrester comprising two opposing electrodes installed in a housing with a window for passing a laser beam connected to terminals of a voltage source, one of which is made with a through hole located opposite the said window in the housing, and an igniting laser, characterized in that the first electrode a through hole is connected to the positive terminal of the voltage source, and the second electrode is connected to the negative terminal of the voltage source, and said second electrode is made with lubleniem on the working surface, disposed opposite said through-holes in the first electrode, wherein the recess at the cathode is in the form of a truncated cone, narrowing which is directed towards the first electrode.