RU2638954C2

RU2638954C2 - Commute structure device

Info

Publication number: RU2638954C2
Application number: RU2016116423A
Authority: RU
Inventors: Виктор Дмитриевич Бочков
Original assignee: Виктор Дмитриевич Бочков
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2017-12-19
Also published as: RU2016116423A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: field of application of the invention is electronic and plasma technology, in particular powerful controlled and uncontrolled devices, including vacuum and gas-filled arresters, thyratrons of various types, "pseudo-spark" switches, arc chutes, plasma accelerators and switches, thermonuclear colliders and other devices designed for switching, or transport of plasma in the pulsed and continuous mode in high-current high-voltage circuits of various electric power and radio engineering devices. In a commutating high-current device, containing in an enclosure from an external environment the volume into which the plasma of a high-current arc is injected, moving under the influence of external forces, with a screen of conductive material, surrounding the drift space of the plasma is symmetrical to the axis of the device, the screen has a thickness that is more than 2-3 times the size of the skin layer in the screen material at the value of the minimum component of the pulse frequency of the switched current, or is made up of at least two parts - internal and external, closed at the ends, with a distance between them, more than the thickness of the skin layer.

EFFECT: increased reliability of switched charge and current, spatial stability of the plasma channel with a high service life.

6 cl, 12 dwg

Description

(i) Область техники(i) Technical Field

Изобретение относится к электронной и плазменной технике, в частности к мощным управляемым и неуправляемым приборам, включая вакуумные и газонаполненные разрядники, тиратроны различных типов, "псевдоискровые" коммутаторы, плазменные выключатели, дугогасительные камеры, ускорители плазмы, термоядерные коллайдеры и другие устройства, предназначенные для коммутации, или транспорта плазмы в импульсном и непрерывном режиме в сильноточных высоковольтных цепях различных электроэнергетических и радиотехнических устройств. Плазма может инжектироваться в пространство дрейфа, или ускорения этих устройств различными способами. В тиратроны и разрядники - из узла поджига, в дугогасительную камеру - посредством дугообразования при разрыве электродов, в ускорители и коллайдеры - из инжекторов плазмы или предварительных ступеней ускорения. Общим для всех этих устройств является процесс транспортировки плазмы, которая обладает свойством неустойчивости, отклонением от осевого распространения.The invention relates to electronic and plasma technology, in particular to powerful controlled and uncontrolled devices, including vacuum and gas filled arresters, various types of thyratrons, pseudo-spark switches, plasma switches, arcing chambers, plasma accelerators, thermonuclear colliders and other devices intended for switching , or plasma transport in pulsed and continuous mode in high-current high-voltage circuits of various electric power and radio engineering devices. Plasma can be injected into the space of drift, or acceleration of these devices in various ways. To thyratrons and arresters - from the ignition unit, to the arcing chamber - by means of arcing when electrodes break, to accelerators and colliders - from plasma injectors or preliminary acceleration stages. Common to all these devices is the process of plasma transport, which has the property of instability, a deviation from axial propagation.

(ii) Предшествующий уровень техники(ii) Prior Art

Известны дуговые вакуумные и газонаполненные разрядники (J.A. Rich, Пат. США №3471734, кл. HOIJ 1/00, заявл. 19.05.67, опубл. 7.Х.69, а также J.A. Rich, "Shield structure for vacuum arc discharge devices", Пат. США №3,854,068, Dec. 10, 1974). Электродная система их состоит из стержневых электродов, присоединенных к торцевым дискам и окружена экранами. Стержневые электроды могут быть выполнены реэнтрантными в виде внутреннего стержня и внешнего цилиндра, либо в виде сплошных или полых стержней. Стержни расположены по окружности, причем электроды противоположной полярности чередуются таким образом, что в промежутке между ними азимутальное магнитное поле существенно снижено и сила Лоренца

близка к нулю. Благодаря этому, дуговой разряд в парах материала электродов развивается почти по всей поверхности электродов. Вследствие недостаточно полной компенсации поля непосредственно у поверхности электродов при больших токах наблюдается некоторое повышение плотности тока на концах стержней. Для устранения этого, предложен дуговой разрядник (А.С. SU 1226552, A.С. Воробьев, С.Ш. Зайдман, В.И. Крижановский, А.И. Кузмичев, А.И. Шендаков, B. М.Ртищев, В.А. Лапшин и Е.Е. Худякова, 23.04.86, Бюлл. №15), содержащий герметизирующую оболочку и коаксиально расположенные электроды, в котором с целью повышения срока его службы, наружный электрод обхвачен цилиндрическим магнитопроводом, выполненным из магнито-мягкого материала. Однако и разрядник с такой конструкцией при коммутации заряда до 2 Кулон обеспечивает 50 тыс. срабатываний, т.е. суммарный коммутируемый заряд не более 100 тыс. Кулон при требуемом ресурсе 1 млн. Кулон. Кроме того конструкция не позволяет повысить рабочее напряжение выше 50 кВ. Недостатком конструкции также является расположение поджигателя управляющего моментом поджига разряда непосредственно в высоковольтном рабочем промежутке, что снижает его ресурс из-за напыляемых на его изолятор из разряда проводящих пленок, не позволяет достичь стабильных временных характеристик - джиттера и времени запаздывания.Known arc vacuum and gas-filled arresters (JA Rich, US Pat. No. 3471734, CL HOIJ 1/00, application. 19.05.67, publ. 7.X.69, as well as JA Rich, "Shield structure for vacuum arc discharge devices ", US Pat. No. 3,854,068, Dec. 10, 1974). Their electrode system consists of rod electrodes attached to end disks and is surrounded by screens. The rod electrodes can be made reentrant in the form of an inner rod and an outer cylinder, or in the form of solid or hollow rods. The rods are arranged in a circle, and the electrodes of opposite polarity alternate so that in the gap between them the azimuthal magnetic field is significantly reduced and the Lorentz force

close to zero. Due to this, an arc discharge in the vapor of the electrode material develops over almost the entire surface of the electrodes. Due to the insufficiently complete compensation of the field directly at the surface of the electrodes at high currents, a slight increase in the current density at the ends of the rods is observed. To eliminate this, an arc arrester is proposed (A.S. SU 1226552, A.S. Vorobyev, S.Sh. Zaydman, V.I. Krizhanovsky, A.I. Kuzmichev, A.I. Shendakov, B. M. Rtishchev , VA Lapshin and EE Khudyakova, 04/23/86, Bull. No. 15), containing a sealing shell and coaxially arranged electrodes, in which, in order to increase its service life, the outer electrode is surrounded by a cylindrical magnetic core made of magneto soft material. However, a spark gap with such a design when switching charge up to 2 pendant provides 50 thousand operations, i.e. the total switched charge is not more than 100 thousand pendant with the required resource of 1 million pendant. In addition, the design does not allow to increase the operating voltage above 50 kV. The design drawback is also the location of the arsonist controlling the moment of ignition of the discharge directly in the high-voltage working gap, which reduces its life due to the conductive films sprayed onto its insulator from the discharge, and it does not allow to achieve stable temporal characteristics - jitter and delay time.

Известны сильноточные псевдоискровые коммутаторы (pseudospark switch), содержащие корпус и установленные в нем высоковольтные электроды (ВЭ) - полые анод и катод, с узлом запуска, размещенном в катодной полости [US Patent # 5,091,819, Feb. 25, 1992, "Gas-electronic switch (pseudospark switch)", J. Chrisiansen, K. Frank, W. Hartmann, C. Kozlik]; Патент РФ №1792207 от 01.04.1991 «Сильноточный разрядник», Бочков В.Д., Зайдман C.Ш., Сирота Е.И., Нечаев А.Г., Канарейкина Н.А, а также Патент РФ №2300157], в которых высоковольтная электродная система окружена экранами.High-current pseudospark switches (pseudospark switch) are known that contain a housing and high-voltage electrodes (VE) installed in it — a hollow anode and cathode, with a trigger assembly located in the cathode cavity [US Patent # 5,091,819, Feb. 25, 1992, "Gas-electronic switch (pseudospark switch)", J. Chrisiansen, K. Frank, W. Hartmann, C. Kozlik]; RF Patent No. 1792207 dated 04/01/1991 "High-current arrester", Bochkov V.D., Zaydman C.Sh., Sirota E.I., Nechaev A.G., Kanareykina N.A., and RF Patent No. 2300157], in which the high voltage electrode system is surrounded by shields.

Конструкция позволяет повысить рабочее напряжение за счет секционирования до 250 и более кВ. Помещение поджигателя в экранированной от основного промежутка полости катода и связь с этим промежутком через балластный газ, обеспечивает высокий срок службы поджигателя и стабильность временных характеристик.The design allows to increase the operating voltage due to sectioning up to 250 and more kV. The placement of the igniter in the cathode cavity shielded from the main gap and the connection with this gap through the ballast gas ensures a high life of the igniter and stability of time characteristics.

Недостатком такой конструкции является ограниченный значением 500 000 Кулон срок суммарной наработки при коммутируемых зарядах свыше 1 Кл и значениях коммутируемых токов более 50 кА и в условиях колебательного режима разряда. Это обусловлено рядом причин.The disadvantage of this design is the limited total operating time of 500,000 Coulomb when the switching charges are more than 1 C and the values of the switched currents are more than 50 kA and under the conditions of the oscillatory discharge mode. There are several reasons for this.

При относительно небольших коммутируемых зарядах (до 0,1 Кл) подвижность катодного пятна мала, и эта конструкция оправдывает себя. Однако при увеличении значений коммутируемых токов и заряда увеличивается нестабильность пространственного положения катодных пятен, и дуга за время импульса перемещается на периферию электродов. Особенно этот процесс характерен для сильноточных вакуумных коммутаторов и других приборов, работающих на левой ветви кривой Пашена (псевдоискровых и тиратронов с заземленной сеткой, вакуумных дугогасительных камер). Для этих приборов динамичное изменение в течение импульса тока давления во внутреннем рабочем пространстве происходит от 10^-6 - 0,5 мм рт. ст. до повышения давления в локальной области близ катодного пятна на несколько порядков. Такое изменение приводит к смещению значения пробивного напряжения с левой ветви кривой Пашена в ее минимум или область правой части. При этом облегчается каскадное горение между электродами в краевых областях. Увеличение рабочей поверхности электродов, числа отверстий в катоде, либо числа катодных полостей, установка внутренних экранов известной конструкции, практически не приводит к увеличению долговечности разрядника. Экраны в этом случае обеспечивают только защиту изолирующего корпуса от металлических напылений из разряда.With relatively small commutated charges (up to 0.1 C), the mobility of the cathode spot is small, and this design justifies itself. However, with increasing values of the switched currents and charge, the instability of the spatial position of the cathode spots increases, and the arc during the pulse moves to the periphery of the electrodes. This process is especially characteristic of high-current vacuum switches and other devices operating on the left branch of the Paschen curve (pseudo-spark and thyratrons with a grounded grid, vacuum interrupter chambers). For these devices, a dynamic change in the pressure current pulse in the internal working space occurs from 10 ^-6 - 0.5 mm RT. Art. to increase the pressure in the local region near the cathode spot by several orders of magnitude. Such a change leads to a shift in the value of the breakdown voltage from the left branch of the Paschen curve to its minimum or region of the right side. This facilitates cascade combustion between the electrodes in the edge regions. The increase in the working surface of the electrodes, the number of holes in the cathode, or the number of cathode cavities, the installation of internal screens of known design, practically does not lead to an increase in the durability of the spark gap. Screens in this case provide only protection for the insulating casing from metal dust from the discharge.

С другой стороны, из-за неидеальной симметрии токоотводов с ВЭ - катода и анода, дуговые каналы могут отбрасываться нескомпенсированной силой Ампера (Лоренца) на периферию прибора - боковую часть ВЭ или на диэлектрическую оболочку. Сильноточная дуга при этом может расплавить анод, что приводит к разгерметизации прибора, а воздействуя на изолятор, дуга напыляет диэлектрические пленки на катод, резко снижая электрическую прочность коммутатора [J. Slough, C. Pihl, V.D. Bochkov, et al, «Prospective Pulsed Power Applications Of Pseudospark Switches», 17th IEEE International Pulsed Power Conference, 2009, Washington, DC, pp.255-259].On the other hand, due to the imperfect symmetry of the current leads from the VE - the cathode and the anode, the arc channels can be rejected by the uncompensated Ampere (Lorentz) force to the periphery of the device - the side part of the VE or to the dielectric sheath. In this case, a high-current arc can melt the anode, which leads to depressurization of the device, and acting on the insulator, the arc sputters dielectric films on the cathode, drastically reducing the dielectric strength of the switch [J. Slough, C. Pihl, V.D. Bochkov, et al, “Prospective Pulsed Power Applications Of Pseudospark Switches”, 17th IEEE International Pulsed Power Conference, 2009, Washington, DC, pp. 255-259].

В статье K.J. Bickford (THE MERCURY-POOL-GATIIODE IGNITRON, K.J. Bickford, p. 477-489, in «Gas discharge closing switches)) / Edited by Gerhard Schaefer, M. Kristiansen, and A. Guenther. Springer Science + Business Media, New York, 1990) описано подобное явление в ртутных игнитронах. Там, при времени проводимости более 1 мс, дуга имеет тенденцию мигрировать из катодного бассейна с жидкой ртутью к стенкам вакуумно-плотного корпуса. Длительная задержка дуги на стенке, в конечном счете приводит к потере целостности вакуума и проникновению воды в анодно-катодное пространство. Указаны три способа для борьбы с миграцией дуг к катодной стенке, уменьшающие силы отклонения дуги и обеспечивающие уравновешивающее магнитное поле, которое ведет к стабилизации тока дуги в центре трубки. Первое - симметричное расположение внешних проводников и применение коаксиального возврата тока (реэнтрантная конструкция - reentrant) от катода к соединению катодного фланца над анодом. Второе - катодно-дуговое кольцо включенные в конструкцию, чтобы сдерживать миграцию от поверхности ртути. Катодно-дуговое кольцо представляет собой простой полый из тугоплавкого металла (молибден) цилиндр, который выступает из поверхности ртутного бассейна к аноду на расстояние около одного см.In an article by K.J. Bickford (THE MERCURY-POOL-GATIIODE IGNITRON, K.J. Bickford, p. 477-489, in “Gas discharge closing switches)) / Edited by Gerhard Schaefer, M. Kristiansen, and A. Guenther. Springer Science + Business Media, New York, 1990) describes a similar phenomenon in mercury ignitrons. There, with a conductivity time of more than 1 ms, the arc tends to migrate from the cathode pool with liquid mercury to the walls of the vacuum-tight housing. A long arc delay on the wall ultimately leads to a loss of vacuum integrity and the penetration of water into the anode-cathode space. Three methods are indicated for combating the migration of arcs to the cathode wall, which reduce the deflection forces of the arc and provide a balancing magnetic field, which leads to stabilization of the arc current in the center of the tube. The first is the symmetrical arrangement of external conductors and the use of coaxial current return (reentrant design - reentrant) from the cathode to the connection of the cathode flange above the anode. The second is the cathode-arc ring included in the design to inhibit migration from the surface of the mercury. The cathode-arc ring is a simple hollow of refractory metal (molybdenum) cylinder that protrudes from the surface of the mercury pool to the anode at a distance of about one cm.

И, наконец, расширенная до миллисекундной длительности энергизация цепи поджигателя из источника питания, удлиняет процесс поддержания катодного пятна и, таким образом, побуждает дугу оставаться в контакте с ртутным бассейном путем обеспечения обильным источником ртутного столба паров, ионов и свободных электронов.And finally, the energization of the igniter circuit from a power source extended to a millisecond duration lengthens the process of maintaining the cathode spot and, thus, causes the arc to remain in contact with the mercury pool by providing an abundant source of mercury vapor, ions and free electrons.

Первый способ применяется в компоновке и конструкции всех коммутаторов, однако он помогает только при относительно малых токах, в десятки килоампер, заряде до 1 К, но при больших он оказывается недостаточным. Второй способ может использоваться только в игнитронах с жидким катодом. Третий способ из-за сложности и энергозатратности практически не применяется.The first method is used in the layout and design of all switches, however, it only helps with relatively low currents, in tens of kiloamperes, and a charge of up to 1 K, but at high it turns out to be insufficient. The second method can only be used in liquid cathode ignitrons. The third method due to the complexity and energy costs is practically not used.

На срок службы значительно влияет режим разряда. Обычно, при работе коммутаторов - тиратронов, искровых разрядников и игнитронов со значениями коммутируемого тока более 1 кА и заряда более 10 мК, когда сопротивление нагрузки меньше волнового сопротивления накопителя, возникает колебательный режим разряда (under-damped). Это существенно более напряженный режим, чем при согласованной нагрузке, т.к. во время второй полуволны обратной полярности меняется знак напряжения на электродах и при этом поджиг разряда (без принудительного, управляемого поджига) происходит не вблизи инжекционных отверстий, а в том месте электрода, где энергетически легче зажечь разряд - понижена работа выхода, т.е. там, где имеются диэлектрические пленки, усилено поле на микровыступах поверхности электродов и пр. Такие участки находятся на краях электродов и дуги также образуются в этих местах, что усугубляет все процессы, еще более снижающие надежность работы. Однако, даже в случае согласованного режима разряда, без колебаний тока (Critically damp oscillations), с применением сложных цепей, срок службы лучших игнитронов NL-9000 при коммутируемых токах до 300 кА не превышает 500 импульсов.The service life is significantly affected by the discharge mode. Usually, during the operation of switches - thyratrons, spark gaps, and ignitrons with values of switched current of more than 1 kA and a charge of more than 10 mK, when the load resistance is less than the wave resistance of the drive, an under-damped oscillation mode occurs. This is a significantly more intense mode than with a coordinated load, because during the second half-wave of reverse polarity, the sign of the voltage on the electrodes changes, and the ignition of the discharge (without forced, controlled ignition) does not occur near the injection holes, but in the place of the electrode where it is energetically easier to ignite the discharge - the work function is reduced, i.e. where there are dielectric films, the field is strengthened at the microprotrusions of the surface of the electrodes, etc. Such areas are located at the edges of the electrodes and arcs are also formed in these places, which exacerbates all processes that further reduce the reliability of operation. However, even in the case of a coordinated discharge mode, without critical oscillations (Critically damp oscillations), using complex circuits, the service life of the best NL-9000 ignitrons at switched currents up to 300 kA does not exceed 500 pulses.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является вакуумная камера (China Patent, No. 97 2 08429.0, описание которой дано в: J. Shenli, Fu Jun, Y. Jing, Li Hongqun, W. Jimei, "A Kind of Magnetic Shield for Vacuum Interrupters", Proc. XVIIIth Intern. Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Eindhoven, The Netherlands, August 17-21, 1998, Vol. 2, pp. 480-483. В камере при размыкании электродов происходит прожиг экрана возникшим дуговым разрядом в парах материала электродов и для подавления описанного выше явления выброса дуги на боковую поверхность электродов, предложен ферромагнитный экран, устанавливаемый снаружи прибора симметрично оси. Однако, такой экран повышает индуктивность прибора и потери в нем из-за вихревых токов, а предлагаемая конструкция относительно тонких экранов (с толщиной 2 мм), не эффективна при коммутируемых зарядах больше 1 Кл и временах нарастания тока более 10 мкс. В частности, авторами этого патента показан эффект повышения выключающей способности камеры на частоте тока 50 Гц с 43 до 48 кА, т.е. всего на 12%. На практике со времени публикации 1998 г. конструкция таких экранов не получила применения. Задачей настоящего патента является создание конструкции устройства, способной коммутировать (транспортировать) импульсные и постоянные токи до 200-500 кА.The closest technical solution to the proposed invention is a vacuum chamber (China Patent, No. 97 2 08429.0, described in: J. Shenli, Fu Jun, Y. Jing, Li Hongqun, W. Jimei, "A Kind of Magnetic Shield for Vacuum Interrupters ", Proc. XVIIIth Intern. Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Eindhoven, The Netherlands, August 17-21, 1998, Vol. 2, pp. 480-483. When the electrodes open, the screen burns through the arched arc a discharge in the vapor of the material of the electrodes and to suppress the above-described phenomenon of arc ejection on the side surface of the electrodes, a ferromagnetic screen is proposed that is installed outside However, such a screen increases the inductance of the device and losses in it due to eddy currents, and the proposed design for relatively thin screens (with a thickness of 2 mm) is not effective for switched charges of more than 1 C and current rise times of more than 10 μs. In particular, the authors of this patent have shown the effect of increasing the switching capacity of the camera at a current frequency of 50 Hz from 43 to 48 kA, i.e. only 12%. In practice, since the 1998 publication, the design of such screens has not been applied. The objective of this patent is to create a device design capable of switching (transporting) pulsed and direct currents up to 200-500 kA.

Необходимо отметить, что вариантов внешних экранов, предлагаемых для различных приборов достаточно много, однако все они не имеют обоснованных конструктива и размерности, что не обеспечивает необходимого эффекта на практике.It should be noted that there are a lot of options for external screens offered for various devices, however, all of them do not have reasonable design and dimension, which does not provide the necessary effect in practice.

(iii) Раскрытие изобретения(iii) Disclosure of the invention

Целью изобретения является создание конструкции, обеспечивающей условия, препятствующие движению дуговых (плазменных) каналов с токами более 10 кА от места инжекции к оболочке, или на периферию электродной системы прибора, т.е. обеспечивающей их пространственную стабилизацию вблизи центра устройства, и в то же время, обеспечивающих горение разряда без пинчевания и обрывов тока, высокий срок службы и надежность при повышенных значениях коммутируемого заряда и тока.The aim of the invention is to create a design that provides conditions that impede the movement of arc (plasma) channels with currents of more than 10 kA from the injection site to the shell, or to the periphery of the electrode system of the device, i.e. providing their spatial stabilization near the center of the device, and at the same time, providing discharge burning without pinching and current interruptions, high service life and reliability with increased values of the switched charge and current.

Предлагается коммутирующее сильноточное устройство, содержащее в изолирующем от внешней среды корпусе объем, в который инжектируется плазма сильноточной дуги, движущаяся под действием внешних сил (инжекции, электрического или магнитного поля), с экраном из проводящего материала, окружающим пространство дрейфа плазмы симметрично оси прибора, отличающееся тем, что экран имеет толщину, превышающую более чем в 2-3 раза размер скин-слоя материала экрана при минимальном значении составляющей частоты импульса коммутируемого тока, либо выполнен составным из не менее чем двух частей - внутренней и наружной, замкнутых между собой по торцам, с расстоянием между ними более толщины скин-слоя.A high-current switching device is proposed that comprises a volume in the enclosure that is isolated from the external medium into which the plasma of a high-current arc is injected, moving under the action of external forces (injection, electric or magnetic field), with a screen of conductive material surrounding the plasma drift space symmetrically to the axis of the device, which differs the fact that the screen has a thickness exceeding more than 2-3 times the size of the skin layer of the screen material with a minimum value of the component of the frequency of the switching current pulse, or n composite of at least two parts - inner and outer, closed together at the ends, with the distance between them over the thickness of the skin layer.

Другим отличием является то, что в устройстве экран выполнен, по крайней мере, с одним разрезом по образующей, либо из набора металлических полос или стержней, изолированных друг от друга.Another difference is that in the device the screen is made with at least one cut along the generatrix, or from a set of metal strips or rods isolated from each other.

Третьим отличием является то, что в данном устройстве между наружным и внутренним цилиндрическими экранами, выполненными из неферромагнитного материала, помещен экран из ферромагнитного материала.The third difference is that in this device between the outer and inner cylindrical screens made of non-ferromagnetic material, a screen of ferromagnetic material is placed.

Четвертым отличием является то, что в устройстве с протяженным разрядным промежутком, экраны выполняются составными из последовательно включенных труб, общей длиной не менее длины разрядного промежутка, разделенных изолятором.The fourth difference is that in a device with an extended discharge gap, screens are made of composite pipes connected in series, with a total length not less than the length of the discharge gap, separated by an insulator.

Пятым отличием является то, что в устройстве наружная часть экрана выполнена из полупроводникового материала с нелинейной вольтамперной характеристикой типа варистора.The fifth difference is that in the device the outer part of the screen is made of a semiconductor material with a non-linear current-voltage characteristic of the varistor type.

Шестым отличием является то, что в устройстве экран выполнен внутри корпуса как часть электродной системы.The sixth difference is that in the device the screen is made inside the housing as part of the electrode system.

(iv) Краткое описание чертежей(iv) Brief Description of the Drawings

Возможные варианты осуществления предлагаемого изобретения поясняется чертежами.Possible embodiments of the invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 Конструкция ТДИ-тиратрона с реэнтрантной системой электродов и внешним экраном из толстой трубы.In FIG. 1 Design of a TDI-thyratron with a reentrant system of electrodes and an external screen from a thick pipe.

На фиг. 2. ТДИ-тиратрон реэнтрантной конструкции со схемой токов в электродах и экране при коммутации импульса энергии.In FIG. 2. TDI-thyratron of a reentrant design with a circuit of currents in the electrodes and the screen when switching an energy pulse.

На фиг. 3. ТДИ-тиратрон реэнтрантной конструкции с экраном в анодной части.In FIG. 3. TDI-thyratron reentrant design with a screen in the anode part.

На фиг. 4. Схема токов в тиратроне реэнтрантной конструкции с объемным экраном в анодной части.In FIG. 4. The current circuit in the thyratron of the reentrant design with a three-dimensional screen in the anode part.

На фиг. 5. Объемный экран в анодной части тиратрона классической конструкцииIn FIG. 5. Volumetric screen in the anode part of the thyratron of classical design

На фиг. 6. Вариант тиратрона реэнтрантной конструкции с встроенным экраном, имеющим потенциал анодаIn FIG. 6. Variant of a thyratron of a reentrant design with an integrated screen having anode potential

На фиг. 7. Вариант двухсекционного тиратрона классической конструкции с встроенным экраном, имеющим потенциал градиентного электрода, а также схема дуговых каналов и токов индукции в экране.In FIG. 7. A variant of a two-section thyratron of a classical design with an integrated screen having the potential of a gradient electrode, as well as a circuit of arc channels and induction currents in the screen.

На фиг. 8 Конструкция сильноточного разрядника с объемным экраном внутри.In FIG. 8 High current arrester design with surround screen inside.

На фиг. 9. Конструкция сильноточного разрядника с объемным экраном - оболочкой.In FIG. 9. The design of a high-current arrester with a three-dimensional screen - shell.

На фиг. 10. Внутренняя труба объемного экрана транспортной части ускорителя плазмы с тонкой стенкой и щелью вдоль образующей.In FIG. 10. The inner tube of the three-dimensional screen of the transport part of the plasma accelerator with a thin wall and a gap along the generatrix.

На фиг. 11. Конструкция транспортной части ускорителя плазмы с объемным экраном.In FIG. 11. The design of the transport part of the plasma accelerator with a three-dimensional screen.

На фиг. 12. Поперечное сечение внешней трубы объемного экрана транспортной части ускорителя плазмы.In FIG. 12. The cross section of the outer tube of the volumetric screen of the transport part of the plasma accelerator.

(v) Предпочтительные примеры осуществления изобретения(v) Preferred Embodiments

Вопрос стабилизации плазменных структур весьма актуален в коммутирующих большие токи приборах и установках низко- и высокотемпературной плазмы, в частности термоядерном эксперименте, где для его решения разрабатываются специальные токовые конфигурации и магнитные системы. Однако имеющиеся решения требуют создания сложных магнитных полей и больших затрат энергии. В отношении коммутирующих приборов - тиратронов, работа которых характеризуется наличием обычно нескольких сильноточных плазменных каналов, а также разрядников и дугогасительных камер, этот вопрос целенаправленно не исследовался. Наибольшие неприятности при работе всех вышеуказанных устройств с высокими значениями коммутируемого заряда происходят от смещения дуговых каналов на периферию прибора - к керамической либо металлической стенке (экрану, корпусу), последующего нагрева и испарения керамики, плавления боковых поверхностей металлических частей, сопровождающимся резким снижением электропрочности, либо потерей герметичности. Это определяется как собственной неустойчивостью плазмы, различием начальных условий развития дуги, так и влиянием силы Ампера-Лоренца при взаимодействии магнитных полей от токов проводимости

по электродам приборов, с каналом дуги, аналогично приборам плазменного фокуса и плазменным пушкам (plasma driven electromagnetic launcher).The issue of stabilization of plasma structures is very relevant in high-current switching devices and devices for low and high temperature plasma, in particular, a thermonuclear experiment, where special current configurations and magnetic systems are developed to solve it. However, existing solutions require the creation of complex magnetic fields and high energy costs. With regard to switching devices — thyratrons, whose operation is usually characterized by the presence of several high-current plasma channels, as well as arresters and arcing chambers, this issue has not been deliberately investigated. The greatest troubles during the operation of all the above devices with high values of commutated charge occur from the displacement of the arc channels to the periphery of the device - to the ceramic or metal wall (screen, housing), subsequent heating and evaporation of ceramics, melting of the side surfaces of metal parts, accompanied by a sharp decrease in electrical strength, or loss of tightness. This is determined by both the intrinsic instability of the plasma, the difference in the initial conditions for the development of the arc, and the influence of the Ampere-Lorentz force in the interaction of magnetic fields from conduction currents

along the electrodes of devices, with an arc channel, similar to plasma focus devices and plasma guns (plasma driven electromagnetic launcher).

Коммутирующее сильноточное устройство, например мощный тиратрон (фиг. 1) содержит систему высоковольтных электродов (ВЭ) - катод 1, отделенный изоляторами 2 с экраном 3 от анода 4. В полости катода расположен узел 5 инжекции для по джига основного разряда между ВЭ. Прибор окружен толстым цилиндрическим экраном 6, находящемся от фланцев-выводов анода и катода на расстоянии достаточном для обеспечения отсутствие пробоев между ВЭ через экран. Для снижения потерь мощности, облегчения конструкции и при наличии требований по снижению собственной индуктивности коммутатора экран 6 может выполняться с разрезом по образующей (параллельно оси), либо из набора металлических полос или стержней, изолированных друг от друга, не позволяющим наведенным (вихревым) токам циркулировать по окружности экрана.A high-current switching device, for example, a powerful thyratron (Fig. 1), contains a system of high voltage electrodes (VE) - a cathode 1, separated by insulators 2 with a screen 3 from the anode 4. An injection unit 5 is located in the cathode cavity for firing the main discharge between the VE. The device is surrounded by a thick cylindrical screen 6, located at a distance sufficient from the flange-leads of the anode and cathode to ensure that there are no breakdowns between the FEs through the screen. To reduce power losses, to simplify the design, and if there are requirements to reduce the inherent inductance of the switch, the screen 6 can be made with a cut along the generatrix (parallel to the axis), or from a set of metal strips or rods isolated from each other, not allowing induced (eddy) currents to circulate around the screen.

Работа прибора происходит следующим образом.The operation of the device is as follows.

Основной разрядный промежуток образован плоскими частями катода 1 и анода 4, в пространство между которыми из узла поджига 5 инжектируются заряженные частицы через инжекционные отверстия 7 в обращенном к аноду основании катода. Для защиты поджигателя 5 и керамического изолятора 2 от напыления материала электродов из основного разрядного промежутка, между плоской частью катода и узлом поджига установлена диафрагма 8, а сбоку катода - экран 3, перекрывающие поток паров металла из разрядного промежутка. Выводы узла поджига подключаются к внешней схеме управления. При подаче напряжения на электроды узла поджига, между ними загорается разряд, электроны из его плазмы инжектируются в основной разрядный промежуток и инициируют электрический пробой, сильноточная плазма которого коммутирует ток во внешней цепи.The main discharge gap is formed by the flat parts of the cathode 1 and the anode 4, into the space between which charged particles are injected from the ignition unit 5 through injection holes 7 in the cathode base facing the anode. To protect the igniter 5 and the ceramic insulator 2 from sputtering of the electrode material from the main discharge gap, a diaphragm 8 is installed between the flat part of the cathode and the ignition unit, and a screen 3 is installed on the side of the cathode, blocking the flow of metal vapor from the discharge gap. The findings of the ignition unit are connected to an external control circuit. When voltage is applied to the electrodes of the ignition unit, a discharge lights up between them, electrons from its plasma are injected into the main discharge gap and initiate an electrical breakdown, a high-current plasma of which commutes the current in the external circuit.

Для анализа влияния токов, протекающих через электроды параллельно оси на каналы плазменной дуги, они могут быть представлены (фиг. 2) в виде набора полос с токами

Реально токи

текущие в электродах при включении тиратрона, могут быть неодинаковы и иметь разные направления в разных сечениях тиратрона. Кроме того, токо-распределение по каналам определяется не только сопротивлением дуг и контактных зон, формируемых при подключении токоподводов к электродам, но и разновременностью движения в 3D-пространстве проводящих каналов в процессе коммутации. Решение такой задачи в полной постановке весьма сложно. Для упрощения применен принцип суперпозиции и предполагается, что отвод токов от тиратрона полностью симметричен и нет неоднородностей плотностей токов по окружности фланцев. При этом токи, текущие по электродам равномерно и симметрично, компенсируют друг друга и не будут влиять на смещение дуг, поэтому их можно не учитывать. Полагаем, что только токи дуги нестабильны и задача при появлении их неоднородности - создать дополнительные силы, удерживающие дуговые каналы в пределах плоской части электродов вблизи инжекционных отверстий. На фиг. 2 схематически показано направление действия сил Лоренца

и

на каналы дуг от коммутируемых тиратроном токов

и

в противоположных по диаметру сторонах электродов. Если разряд поджигается одновременно у всех отверстий 7 и токи равны, то и силы Лоренца равны, компенсируют друг друга, что удерживает дуги вблизи инжекционных отверстий. При невыполнении этого условия, дуга с

током движется в направлении силы Лоренца и выбрасывается на экран 3 или боковую поверхность анода 4. При наличии металлического экрана 6, прохождение в тиратроне анодного тока

через промежуток между катодом и анодам, вызывает появление в экране индукционных токов

, текущих в противоположном току

направлении, параллельно дуговым каналам и оси тиратрона. Предположим, что дуговой канал, например, с током

, при горении разряда в плоской части промежутка анод-катод будет двигаться от инжекционного отверстия 7 (например, под действием силы Лоренца) вправо, приближаясь к экрану 6. При этом будет уменьшаться ток

и увеличиваться

и соответственно, изменяться (увеличиваться) отталкивающие силы между током дуги

и

, приводя к автоматической стабилизации положения дуговых каналов вблизи осевой линии тиратрона. Подбирая индуктивную связь (например, изменяя толщину экрана), можно обеспечить движение дуг в пределах диаметра инжекционных отверстий, а изменяя ширину наружных проводников и расстояния между ними, можно получить необходимую подвижность дуг, снижающую эрозию электродов.To analyze the effect of currents flowing through the electrodes parallel to the axis on the channels of the plasma arc, they can be represented (Fig. 2) as a set of strips with currents

Real currents

current in the electrodes when the thyratron is turned on, can be unequal and have different directions in different sections of the thyratron. In addition, the current distribution over the channels is determined not only by the resistance of the arcs and contact zones formed when the current leads are connected to the electrodes, but also by the simultaneous movement in the 3D space of the conducting channels during the switching process. The solution to this problem in a complete statement is very difficult. To simplify, the principle of superposition is applied and it is assumed that the current withdrawal from the thyratron is completely symmetric and there are no inhomogeneities of current densities around the circumference of the flanges. In this case, the currents flowing through the electrodes uniformly and symmetrically cancel each other out and will not affect the displacement of the arcs, so they can be ignored. We believe that only arc currents are unstable and the task when their heterogeneity appears is to create additional forces that hold the arc channels within the flat part of the electrodes near the injection holes. In FIG. 2 schematically shows the direction of action of the Lorentz forces

and

on channels of arcs from currents switched by thyratron

and

in opposite diameters of the electrodes. If the discharge is ignited simultaneously at all holes 7 and the currents are equal, then the Lorentz forces are equal, cancel each other out, which keeps the arcs near the injection holes. If this condition is not met, an arc with

current moves in the direction of the Lorentz force and is ejected onto the screen 3 or the side surface of the anode 4. If there is a metal screen 6, the passage of the anode current in the thyratron

through the gap between the cathode and the anodes, causes the appearance of induction currents on the screen

flowing in the opposite current

direction parallel to the arc channels and the axis of the thyratron. Suppose that an arc channel, for example, with current

, when the discharge is burning in the flat part of the gap, the anode-cathode will move from the injection hole 7 (for example, under the action of the Lorentz force) to the right, approaching screen 6. In this case, the current will decrease

and increase

and accordingly, the repulsive forces between the arc current change (increase)

and

, leading to automatic stabilization of the position of the arc channels near the center line of the thyratron. Choosing an inductive coupling (for example, changing the thickness of the screen), it is possible to ensure the movement of arcs within the diameter of the injection holes, and by changing the width of the outer conductors and the distance between them, it is possible to obtain the necessary mobility of the arcs, reducing the erosion of the electrodes.

На фиг. 3 показан простейший вариант экрана для тиратронов ТДИ1-200к/25 типа, имеющих реэнтрантную (reentrant) конструкцию электродов, в которой разряд происходит в верхней части анодной камеры. В этом случае для стабилизации дуги достаточно одного верхнего экрана-трубы. Этот экран ближе к каналам дуги, поэтому более эффективен, относительно конструкции фиг. 1 и фиг. 2 и, в то же время, не требует усиления электрической изоляции между частями снаружи тиратрона.In FIG. Figure 3 shows the simplest version of the screen for type TDI1-200k / 25 thyratrons having a reentrant electrode design in which discharge occurs in the upper part of the anode chamber. In this case, to stabilize the arc, one upper pipe screen is sufficient. This screen is closer to the arc channels, therefore, is more efficient with respect to the structure of FIG. 1 and FIG. 2 and, at the same time, does not require amplification of electrical insulation between parts outside the thyratron.

Важность толщины экранов объясняется тем, что на движение дуги действует сила, зависящая от векторной суммы токов по внешней и внутренней поверхности экрана параллельных оси прибора

При толщине экрана, сравнимой с толщиной скин-слоя, эта сумма близка к нулю, так как при тонком экране, разнонаправленные вектора токов, например,

(фиг. 2), суммируясь, уменьшают значение магнитного поля

до мизерных величин, что не дает возможность затормозить движение дуги. Подтверждением этому служит факт, что имеющиеся внутри приборов: тиратронов (фиг. 1), разрядников и вакуумных камер, экраны 3 и электроды 4 из меди толщиной до 2,5 мм (в сумме около 5 мм), не оказывают заметного влияния на стабильность дуг. Поэтому токи, текущие по внутренней и внешней части, во-первых должны быть замкнуты (чего нет у электродов 3 и 4 на фиг. 3), и во-вторых, их необходимо разделить пространством не менее 3-х толщин скин-слоя Δ.The importance of the thickness of the screens is explained by the fact that the force acting on the arc movement depends on the vector sum of the currents along the external and internal surfaces of the screen parallel to the axis of the device

With a screen thickness comparable to the skin layer, this amount is close to zero, since with a thin screen, multidirectional current vectors, for example,

(Fig. 2), summing up, reduce the value of the magnetic field

to minuscule values, which does not make it possible to slow down the movement of the arc. This is confirmed by the fact that the inside of the devices: thyratrons (Fig. 1), arresters and vacuum chambers, screens 3 and electrodes 4 made of copper up to 2.5 mm thick (in total about 5 mm) do not significantly affect the stability of the arcs . Therefore, the currents flowing along the inner and outer parts must first be closed (which is not the case with

electrodes

3 and 4 in Fig. 3), and secondly, they must be separated by a space of at least 3 skin layer thicknesses Δ.

, где ρ - удельное сопротивление, μ_m - относительная магнитная проницаемость, ƒ - частота.

where ρ is the resistivity, μ _m is the relative magnetic permeability, and ƒ is the frequency.

Для выбора толщины экранов примем к сведению, что толщина скин-слоя для медного проводника (удельная проводимость σ=580 ксим/см, μ_m=1) при частоте электромагнитного поля в f=50 Гц (период колебаний соответствует Т=20 мс, стандартная частота тока в сети) составляет примерно Δ=10 мм, при частоте 5 кГц - примерно 1 мм, при частоте 10 кГц Δ=0,66 мм. Для стали σ=100 ксим/см, μ_m=1000 при f=50 Гц Δ=0,74 мм. {http://lib.sernam.ru/book_ell.php?id=40}To select the thickness of the screens, we note that the thickness of the skin layer for a copper conductor (specific conductivity σ = 580 ksim / cm, μ _m = 1) at an electromagnetic field frequency of f = 50 Hz (the oscillation period corresponds to T = 20 ms, standard current frequency in the network) is approximately Δ = 10 mm, at a frequency of 5 kHz - approximately 1 mm, at a frequency of 10 kHz Δ = 0.66 mm. For steel, σ = 100 ksim / cm, μ _m = 1000 at f = 50 Hz Δ = 0.74 mm. {http://lib.sernam.ru/book_ell.php?id=40}

Если дугогасительные камеры работают при синусоидальном токе на частотах 50-60 Гц, то тиратроны и разрядники работают в импульсных режимах, частоту тока в которых можно определить, разлагая функцию тока от времени в ряд Фурье и выбирая меньшие частоты. Однако для грубой оценки можно частоту тока выбрать по фронту и спаду импульса. Длительности 100 мкс соответствует 2,5 кГц, а 1 мс - Т=250 Гц. Обычно коммутируемый ток имеет колоколообразную форму, причем, длительность спада бывает больше фронта в несколько раз. Поэтому выбор толщины необходимо оценивать спадом. Таким образом, для экранов сильноточных коммутаторов с длительностями спада тока более 100 мкс толщину нужно выбирать в случае медных экранов не менее 20-30 мм, в случае стального экрана - не менее 5-10 мм (принимая во внимание его почти в 6 раз большее электрическое сопротивление, уменьшающее наведенный индуктивный ток).If the arcing chambers operate at a sinusoidal current at frequencies of 50-60 Hz, then thyratrons and arresters operate in pulsed modes, the current frequency in which can be determined by expanding the function of the current over time in a Fourier series and choosing lower frequencies. However, for a rough estimate, the current frequency can be selected by the edge and the decay of the pulse. A duration of 100 μs corresponds to 2.5 kHz, and 1 ms corresponds to T = 250 Hz. Typically, the switched current has a bell-shaped shape, moreover, the duration of the decline is several times longer than the front. Therefore, the choice of thickness must be evaluated by recession. Thus, for screens of high-current switches with durations of current decay of more than 100 μs, the thickness should be selected for copper screens at least 20-30 mm, in the case of a steel screen, at least 5-10 mm (taking into account its almost 6 times greater electrical resistance reducing the induced inductive current).

Экран из трубы с такой толстой стенкой имеет достаточно большой вес, что в большинстве применений нежелательно. Поэтому предлагается легкий экран объемной конструкции, состоящий из полой цилиндрической части, выполненной с внутренними и наружными цилиндрическими проводниками. Лучшим вариантом будет экран из неферромагнитного металла - меди (фиг. 4, поз. 8в и 8н).A pipe screen with such a thick wall has a sufficiently large weight, which is undesirable in most applications. Therefore, a lightweight three-dimensional screen is proposed, consisting of a hollow cylindrical part made with inner and outer cylindrical conductors. The best option would be a screen of non-ferromagnetic metal - copper (Fig. 4, pos. 8c and 8n).

При этом ток

в силу высокой электропроводности меди будет больше, чем в стальном и более эффективно действует на стабилизацию дуг. Увеличение этого тока важно, т.к. внешние экраны удалены от расположения инжекционных отверстий, а сила Лоренца уменьшается от расстояния в квадратичной зависимости. Для усиления экранировки тока протекающего по части экрана 8в от тока по части 8н и экранировки от внешних полей (например, рядом установленного другого тиратрона), затруднения пинчевания плазмы, особенно при больших коммутируемых зарядах, в устройство может быть добавлен тонкий ферромагнитный экран (9 на фиг. 4) из углеродистой стали. В такой конструкции, ток дугового разряда 10 между анодом и катодом (например, ток

), индуцирует в экране ток, циркулирующий вверх

по внутренней (8в) и вниз

по наружной (8н) частям экрана.In this case, the current

due to the high electrical conductivity of copper, it will be more than in steel and more effectively affects the stabilization of arcs. An increase in this current is important because external screens are removed from the location of the injection holes, and the Lorentz force decreases with distance in a quadratic dependence. To enhance the screening of the current flowing along part of the screen 8c from the current along part 8n and the screening from external fields (for example, another thyratron installed nearby), to make pinching of the plasma difficult, especially with large commutated charges, a thin ferromagnetic screen can be added to the device (9 in FIG. .4) carbon steel. In such a design, an arc discharge current of 10 between the anode and cathode (e.g., current

), induces a current circulating in the screen

on the inside (8c) and down

on the outer (8n) parts of the screen.

Вариант применения подобной конструкции с объемным экраном в анодной части тиратрона классической конструкции показан на фиг. 5.An application of a similar design with a three-dimensional screen in the anode part of a thyratron of classical design is shown in FIG. 5.

Увеличение объема экрана позволяет разделить друг от друга токи индукции

циркулирующие по образующей экрана, достаточным пространством. В этом случае наружный ток

не снижает магнитное поле от тока

протекающего по внутренней поверхности медного экрана и который определяет противодействие смещению дугового канала на периферию прибора.The increase in screen volume allows you to separate induction currents from each other

circulating along the generatrix of the screen, ample space. In this case, the external current

does not reduce the magnetic field from the current

flowing along the inner surface of the copper screen and which determines the opposition to the displacement of the arc channel to the periphery of the device.

В таких устройствах внешняя часть экрана может быть выполнена также из полупроводникового материала с нелинейной ВАХ типа варистора (или набора цепи из варисторов), что уменьшает потери проводимости. При движении канала разряда к оболочке растущее индукционное напряжение вызовет резкое увеличение проводимости и соответственно тока, циркулирующего по образующей и приведет к восстановлению движения канала разряда на оси.In such devices, the outer part of the screen can also be made of a semiconductor material with a nonlinear I – V characteristic such as a varistor (or a set of circuits of varistors), which reduces conductivity losses. When the discharge channel moves to the shell, a growing induction voltage will cause a sharp increase in the conductivity and, accordingly, the current circulating along the generatrix and will lead to the restoration of the movement of the discharge channel on the axis.

Дальнейшее упрощение конструкции, важное для пользователей тиратронов, разрядников и камер достигается выполнением экранов, отделенными друг от друга пространством не менее толщины скин-слоя в материале этого электрода в виде единого узла с электродами прибора (фиг. 6 и фиг. 7). Между ними в этом пространстве (либо снаружи экрана 8) для снижения эффекта пинчевания каналов дуги при коммутируемых зарядах свыше 0,1 Кулона, или токов более 100 кА могут быть помещены вставки из ферромагнитного материала как на фиг. 4.A further simplification of the design, which is important for users of thyratrons, arresters, and chambers, is achieved by making screens separated by at least the skin layer thickness in the material of this electrode in the form of a single unit with the electrodes of the device (Fig. 6 and Fig. 7). Between them in this space (or outside the screen 8), in order to reduce the effect of pinching the arc channels with switched charges of more than 0.1 Coulomb, or currents of more than 100 kA, inserts of ferromagnetic material can be placed as in FIG. four.

При импульсном режиме работы тиратрона в экране, кроме наведенных в осевом направлении будут возникать также индукционные токи по его поперечному сечению (окружности экрана). Для устранения потерь энергии в экране (как за счет снижения его индуктивности, так и тока проводимости) в нем необходимо выполнить рассечки (одну или несколько) параллельные оси тиратрона. Можно также экран выполнять в виде набора полос (проволок), изолированных друг от друга и располагающихся по образующей цилиндрической поверхности экрана.When the thyratron operates in pulsed mode, in addition to induction in the axial direction, induction currents will also appear along its cross section (screen circumference). To eliminate energy losses in the screen (both by reducing its inductance and conduction current), it is necessary to perform cuts (one or several) parallel to the thyratron axis in it. You can also perform the screen in the form of a set of strips (wires), isolated from each other and located along the generatrix of the cylindrical surface of the screen.

Приборы могут быть как вакуумными, так и газонаполненными. К примеру, управляемые приборы (фиг. 1-7) наполняются водородом или его изотопом дейтерием при давлении 0,3-0,7 мм рт. ст. для обеспечения высоких пробивных напряжений на левой ветви кривой Пашена. В качестве источника водорода используется титановый генератор (резервуар) водорода.Devices can be both vacuum and gas-filled. For example, controlled devices (Fig. 1-7) are filled with hydrogen or its isotope deuterium at a pressure of 0.3-0.7 mm RT. Art. to ensure high breakdown voltages on the left branch of the Paschen curve. A titanium generator (reservoir) of hydrogen is used as a source of hydrogen.

Конструкция искровых и дуговых разрядников с предлагаемыми экранами показана на фиг.8 и 9. Это могут быть как неуправляемые, так и управляемые трех- и более электродные приборы, наполненные газом при давлении выше атмосферного.The design of spark and arc arresters with the proposed screens is shown in Figs. 8 and 9. These can be either uncontrolled or controlled three or more electrode devices filled with gas at a pressure above atmospheric.

В ускорителях плазмы и плазменных коллайдерах при транспортировке плазмы обычно используются окружающие плазменный канал герметизирующие оболочки, изготовленные из кварцевого стекла. Снаружи оболочек размещаются магнитные катушки, ускоряющие и сжимающие плазму. Кроме высоких тепловых характеристик (температура плавления, возгонки и низкому давлению паров), к материалу оболочек выставляются требования по высокой чистоте, отсутствию инородных включений и газовых пузырей, низким потерям проводимости и диамагнитным или парамагнитным свойствам. Учитывая большие размеры оболочек (диаметр порядка 1 метра) и сложность изготовления (в России нет производства кварцевых труб диаметром более 300 мм), весьма высокую стоимость, кварц - не самый хороший материал для высокотемпературного применения в чистых условиях. Тем более, его срок службы недостаточен в коммерческой установке при круглосуточной работе, когда появляется расстекловывание и потеря герметичности.Plasma accelerators and plasma colliders typically use quartz glass seals around plasma channels to transport plasma. Magnetic coils are placed outside the shells, accelerating and compressing the plasma. In addition to high thermal characteristics (melting point, sublimation, and low vapor pressure), requirements are imposed on the shell material for high purity, the absence of foreign inclusions and gas bubbles, low conductivity losses, and diamagnetic or paramagnetic properties. Given the large size of the shells (diameter of about 1 meter) and the complexity of manufacturing (in Russia there is no production of quartz pipes with a diameter of more than 300 mm), the cost is very high, quartz is not the best material for high-temperature applications in clean conditions. Moreover, its service life is insufficient in a commercial installation during round-the-clock operation, when devitrification and loss of tightness appear.

Низшая граница расстекловывания кварца находится при температуре близкой к 1000°. При повышении температуры скорость расстекловывания возрастает. Кварцевое стекло между температурой приблизительно 1000 и 1500° находится в неустойчивом состоянии, легко переходя в кристаллическую модификацию - кристобалит. При температуре около 1500° превращение в кристобалит, может быть полностью закончено в течение нескольких часов (Глаголев СП. Кварцевое стекло. Его свойства, производство и применение. Под редакцией проф. Н.Н. Яроцкого - Л.-М.: ОНГИ, 1934. - 216 с.).The lower devitrification limit of quartz is at a temperature close to 1000 °. With increasing temperature, the devitrification rate increases. Quartz glass between a temperature of approximately 1000 and 1500 ° is in an unstable state, easily turning into a crystalline modification - cristobalite. At a temperature of about 1500 ° C, conversion to cristobalite can be completely completed within a few hours (Glagolev SP. Quartz glass. Its properties, production and use. Edited by Prof. N.N. Yarotsky - L.-M .: ONGI, 1934 . - 216 p.).

Кварцевое стекло без особой опасности весьма продолжительное время выдерживает высокую температуру. Необходимо лишь, чтобы температура эта не опускалась ниже температуры перехода р-кристобалит → а - кристобалит, т.е. 275-200°. В противном случае названное превращение произойдет и благодаря связанному с ним изменению объема в значительной степени нарушит механическую прочность. Все вышеизложенное вполне подтверждается на практике. Так, например, защитные трубки для пирометров спокойно выдерживают весьма высокие температуры без всякого для себя вреда. Но стоит лишь охладить их ниже 200-275°, как возникают трещины, начинают отваливаться целые слои, и трубки приходят в полную негодность.Quartz glass can withstand high temperatures for very long periods of time without any particular danger. It is only necessary that this temperature does not fall below the transition temperature p-cristobalite → a - cristobalite, i.e. 275-200 °. Otherwise, the named transformation will occur and, due to the associated volume change, will significantly violate the mechanical strength. All of the above is fully confirmed in practice. So, for example, protective tubes for pyrometers calmly withstand very high temperatures without any harm to themselves. But it is only necessary to cool them below 200-275 °, as cracks occur, whole layers begin to fall off, and the tubes come into complete disrepair.

Поэтому, например, в термоядерных коллайдерах с температурой плазмы (хотя и отдаленной от кварца) до 10 млн. градусов и работающих в импульсном режиме, что определяет циклический резкий нагрев и остывание, срок службы кварцевых труб весьма ограничен.Therefore, for example, in thermonuclear colliders with a plasma temperature (albeit distant from quartz) of up to 10 million degrees and operating in a pulsed mode, which determines cyclic sharp heating and cooling, the service life of quartz tubes is very limited.

В связи с этим, металлическая (неферромагнитная) труба лучший материал и для транспортировки высокотемпературной плазмы, как в импульсном, так и постоянном режиме.In this regard, a metal (non-ferromagnetic) pipe is the best material for transporting high-temperature plasma, both in pulsed and continuous mode.

Тугоплавкий проводящий материал, например, молибден (рабочая температура до 1800°С), имеет нулевую пористость и высокие вакуумные свойства. Чистота молибдена вакуумной плавки выше, чем кварца. Из молибдена можно удалить практически все примеси. Так, например, электронно-лучевой плавкой 99,8%-ного Мо при 2700°С и остаточном давлении 10^{^}-6 мм рт. ст. получают молибден чистотой выше 99,99% Мо. В результате плавки содержание кислорода, азота, углерода, кремния, фосфора, железа, меди, марганца и кобальта снижается практически до нуля.Refractory conductive material, for example, molybdenum (operating temperature up to 1800 ° C), has zero porosity and high vacuum properties. The purity of vacuum smelting molybdenum is higher than that of quartz. Almost all impurities can be removed from molybdenum. For example, electron beam melting of 99.8% Mo at 2700 ° C and a residual pressure of 10 ^{^} -6 mm Hg. Art. get molybdenum with a purity higher than 99.99% Mo. As a result of smelting, the content of oxygen, nitrogen, carbon, silicon, phosphorus, iron, copper, manganese and cobalt is reduced to almost zero.

Давление пара при температуре плавления (1500°С) даже чистого кварца - диоксида кремния составляет 1⋅10^-1 Торр, что намного выше, чем молибдена 5⋅10^-12 Торр при этой же температуре.The vapor pressure at the melting temperature (1500 ° C) even of pure quartz - silicon dioxide is 1⋅10 ^-1 Torr, which is much higher than molybdenum 5⋅10 ^-12 Torr at the same temperature.

Молибден как кварц имеет относительно малый коэффициент температурного расширения 50⋅10^-71/град (при температуре до 700°С), в отличие от кварца обладает пластичностью, поэтому он не боится резких изменений температуры.Molybdenum, like quartz, has a relatively small coefficient of thermal expansion of 50⋅10 ^-7 1 / deg (at temperatures up to 700 ° C), unlike quartz, it has plasticity, so it is not afraid of sharp changes in temperature.

Кроме того металлическую трубу можно охлаждать водой, или другим теплоносителем.In addition, the metal pipe can be cooled with water, or another coolant.

Таким образом, тугоплавкие материалы обладают значительно лучшими вакуумными свойствами, чем лучший из диэлектриков - кварц.Thus, refractory materials have significantly better vacuum properties than the best of dielectrics - quartz.

Что касается магнитных свойств молибдена, то и они не хуже кварца.As for the magnetic properties of molybdenum, they are no worse than quartz.

1) Молибден - парамагнетик, как и воздух {атомная магнитная восприимчивость (-90)⋅10^-6 при 20°С}.1) Molybdenum is a paramagnet, like air {atomic magnetic susceptibility (-90) ⋅10 ^-6 at 20 ° С}.

2) Предлагаемая конструкция трубы обладает минимальной индуктивностью, если сделать, по крайней мере, один разрез по образующей цилиндра (фиг. 10).2) The proposed design of the pipe has a minimum inductance if at least one cut along the generatrix of the cylinder is made (Fig. 10).

Молибден, доступен, хорошо обрабатывается. Трубу можно свернуть из листов и затем сварить или спаять. Стыковать трубы последовательно до любой длины можно также сваркой (например, лазерной).Molybdenum, available, well processed. The pipe can be rolled up from sheets and then welded or welded. Joining pipes in series to any length can also be done by welding (for example, laser).

Так как труба должна иметь обратный токопровод, то она изготавливается как минимум с двумя стенками, электрически соединенными между собой по торцевым частям (фиг. 11). В такой конструкции будет подавляться неустойчивость плазменного канала, как известно, являющаяся одной из основных проблем всех установок с высокотемпературной плазмой, в том числе Токамаков и плазменных коллайдеров.Since the pipe must have a reverse current lead, it is manufactured with at least two walls electrically connected to each other along the end parts (Fig. 11). In this design, the instability of the plasma channel will be suppressed, as is known, which is one of the main problems of all installations with high-temperature plasma, including Tokamakov and plasma colliders.

Применение металлических труб-экранов при транспортировке плазмы в коллайдере аналогично тиратронам. Внешняя стенка может быть герметизирующей. Так как она будет находиться в зоне относительно малой температуры, то ее можно сделать из дешевого материала, например, алюминия с таким же, как у внутренней трубы разрезом, или из двух полутруб. Такие полутрубы с фланцем по длине просто разбираются и их можно герметизировать прокладками из вакуумной резины или витона (фиг. 12). Можно выполнять с такой же конструкцией и внутреннюю трубу с разделением ее частей более высокотемпературным диэлектриком. Внутреннее пространство между двумя металлическими трубами (фиг. 11) можно охлаждать водой, или другим теплоносителем.The use of metal tube screens for transporting plasma in a collider is similar to thyratrons. The outer wall may be sealing. Since it will be in a relatively low temperature zone, it can be made of cheap material, for example, aluminum with the same cut as that of the inner pipe, or of two half pipes. Such half pipes with a flange are simply disassembled along the length and can be sealed with gaskets made of vacuum rubber or Viton (Fig. 12). You can perform with the same design and the inner tube with the separation of its parts by a higher temperature dielectric. The inner space between two metal pipes (Fig. 11) can be cooled with water, or another coolant.

В устройстве с протяженным разрядным промежутком, экраны выполняются составными из последовательно включенных труб, общей длиной не менее длины разрядного промежутка, разделенных изолятором (для снижения потерь и облегчения сборки).In a device with an extended discharge gap, screens are made of composite pipes connected in series with a total length of at least the length of the discharge gap separated by an insulator (to reduce losses and facilitate assembly).

Управляемое коммутирующее сильноточное устройство - тиратрон ТДИ-типа, имеющий конструкцию фиг. 1 (с внутренним диаметром керамической оболочки 108 мм) испытывался в источнике питания импульсного плазматрона в режиме - анодное напряжение до 10 кВ, импульсных токах до 100 кА, коммутируемом заряде до 6 кулон, частотой до 5 Гц. При этом обеспечивается время запаздывания тока анода 0,1-0,3 мкс, срок службы более 500 тыс. срабатываний. Дуговой защитный разрядник с конструкцией фиг. 8 испытывался при коммутируемом заряде до 200 Кулон и обеспечил работоспособность в течение 100 импульсов, в то время как его аналоги без экрана до выхода из строя при коммутации 90 Кулон обеспечивают максимум 10 импульсов. Важно, что происходит равномерная выработка (эрозия) поверхностей электродов без пинчевания дуговых каналов. В то же время практически дуга не выходит за рамки катода 1, обеспечивая высокий срок службы прибора, что является показателем эффективности конструкции и достижения поставленной цели.The controlled switching high-current device is a TDI-type thyratron having the structure of FIG. 1 (with an inner diameter of the ceramic shell of 108 mm) was tested in a pulsed plasmatron power supply in the mode - anode voltage of up to 10 kV, pulsed currents of up to 100 kA, switched charge up to 6 coulomb, frequency up to 5 Hz. At the same time, the anode current delay time of 0.1-0.3 μs is provided, and the service life is more than 500 thousand operations. Arc protective arrester with the design of FIG. 8 was tested with a switched charge of up to 200 Coulomb and ensured operability for 100 pulses, while its analogs without a screen before failure when switching 90 Coulomb provide a maximum of 10 pulses. It is important that there is a uniform production (erosion) of electrode surfaces without pinching of the arc channels. At the same time, practically the arc does not go beyond the cathode 1, providing a high service life of the device, which is an indicator of the design efficiency and achieving the goal.

Данная конструкция может быть использована не только в коммутирующих приборах, но и в других устройствах, включая электрофизические и термоядерные установки, где важна задача поддержания плазмы в стабильном пространственном положении.This design can be used not only in switching devices, but also in other devices, including electrophysical and thermonuclear installations, where the task of maintaining the plasma in a stable spatial position is important.

Claims

1. Switching high-current device containing a volume in the enclosure that is isolated from the external medium, into which the plasma of a high-current arc is injected, moving under the action of external forces, with a screen of conductive material surrounding the plasma drift space symmetrically to the axis of the device, characterized in that the screen has a thickness exceeding more than 2-3 times the size of the skin layer of the screen material with a minimum value of the component of the frequency of the pulse of the switched current, or is made of at least two parts - internal and external s that are closed together at the ends, with the distance between them over the thickness of the skin layer.

2. Switching high-current device according to claim 1, characterized in that in the device the screen is made with at least one cut along the generatrix, or from a set of metal strips or rods isolated from each other.

3. The switching high-current device according to claim 1, characterized in that in this device between the external and internal cylindrical screens made of non-ferromagnetic material, a screen of ferromagnetic material is placed.

4. The switching high-current device according to claim 1, characterized in that in the device with an extended discharge gap, the screens are made of composite pipes connected in series, with a total length of at least the length of the discharge gap, separated by an insulator.

5. The switching high-current device according to claim 1, characterized in that in the device the outer part of the screen is made of a semiconductor material with a non-linear CVC of the varistor type.

6. The switching high-current device according to claim 1, characterized in that in the device the screens are made inside the housing as part of the electrode system.