SU1112431A1

SU1112431A1 - Adjustable switching device

Info

Publication number: SU1112431A1
Application number: SU833569629A
Authority: SU
Inventors: Юрий Николаевич Антонов; Федор Алексеевич Водопьянов; Владимир Алексеевич Коновалов; Михаил Петрович Кузяев
Original assignee: Предприятие П/Я Г-4097
Priority date: 1983-03-30
Filing date: 1983-03-30
Publication date: 1984-09-07

Abstract

УПРАВЛЯЕМЫЙ КОММУТАТОР, содержащий анод и катодный узел, закрепленные на изол торе, образующем камеру рабочего тока коммутатора, отличающийс тем, что, с целью повышени мощности, обеспечени регулировани длительности и величины тока коммутируемого импульса , катодный узел выполнен в виде дуоплазмотрона с дополнительным анодом , установленным между промежуточным анодом и антикатодом дуоплазмотрона , при этом дополнительный анод и термокатод дуоплазмотрона имеют вводы дл подсоединени к управл ющей ключевой схеме.A CONTROLLED SWITCH containing an anode and a cathode assembly mounted on an insulator forming a switch operating current chamber, characterized in that, in order to increase power, to provide control over the duration and magnitude of the switched pulse current, the cathode assembly is made in the form of a duoplasmatron with an additional anode installed between the intermediate anode and the anti-cathode of the duoplaschreducon, the additional anode and thermo-cathode of the duoplaschuaron have glands for connection to the control key circuit.

Description

toto

со Изобретение относитс к импульсн технике, а более конкретно - к техн ке коммутации сильных токов высоког напр жени , и может быть использова в сильноточных импульсных источника питани инжекторов электрофизических и электроннолучевых технологических установок. Известны коммутирующие устройства дл формировани мощных высоковольтн импульсов. Наиболее широко примен емыми из них вл ютс импульсные тиратроны и искровые разр дники, содер жащие основные и управл ющий электро ды из. Серийно выпускаемые отечественные и зарубежные тиратроны имеют ограничени по параметрам, которые определ ют быстродействие и величину коммутируемой мощности. Недостатками искровых разр дников вл ютс больша нестабильность момента начала основного пробо и.необходимость подачи мощных пусковых импульсов с крутыми фронтами. Существенным общим недостатком этих коммутаторов вл етс принципиальна невозможность управл ть длительностью импульса разр дного тока. Наиболее близким по технической сущности к изобретению вл етс коммутатор большой мощности, содержащий анод и катодный узел, закрепленные на изол торе,, образующем камеру рабочего тока коммутатора. Известный коммутатор представл ет собой сверхмощный водородный тиратрон в котором катодный узел выполнен в виде термокатода с плоским кольцевым эмиттером из гексаборида лантана с графитовым подогревателем и отражателем , установленным на рассто нии нескольких сантиметров от эмиттера и имеющим потенциал катода. Катодный узел этого тиратрона позвол ет при больших импульсных нагрузках замыкать значительную (свыше 80) часть импульсного тока через отражатель, за счет чего достигаетс существенна разгрузка термокатода. Тиратрон сохран ет устойчивую работу при значительном уменьшении плотности газа в катодной области в пределах 0,010 ,1 торр. Дл поддержани стабильнос ти давлени в указанном диапазоне в герметичный объем прибора помещен генератор водорода и датчик давлени в соответствии с показани ми которог осуществл етс управление мопцюстью 31 накала генератора водорода. Управление тиратроном осуществл етс с помощью инициирующего электрода и управл ющего электрода в виде сетки, на которую подаетс управл ющий, сигнал амплитудой более 3000 В и током 10 А. Запаздывание зажигани тиратрона относительно управл ющего импульса составл ет 0,2-0,3 мкс, электрическа прочность анодной камеры не вьш1е 120 кВ при высоте прибора 1500 мм, потребл ема катодным узлом мощность 5 кВт :21. Недостатком известного коммутатора вл етс невозможность управлени длительностью импульса коммутируемого тока. Целью изобретени вл етс повышение мощности и обеспечение регулировани длительности и величины тока коммутируемого импульса. Указанна цель достигаетс тем, что в управл емом коммутаторе большой мощности, содержащем анод и катодный узел, закрепленные на изол торе , образующем камеру рабочего тока коммутатора, катодш 1й узел выполнен в виде дуоплазмотрона с дополнительным анодом, установленным между промежуточным анодом и антикатодом дуоплазмотрона, а дополнительный анод и термокатод дуоплазмотрона выполнены с вводами дл подключени к управл ющей ключевой схеме. На фиг.1 изображен предлагаемый коммутатор, разрез; на фиг.2 - схема его питани . Коммутатор содержит айод 1 и катодный узел 2, закрепленные на изол торе 3, образующем камеру 4 рабочего тока коммутатора. Катодный узел 2 коммутатора выполнен в виде дуоплазмотрона , выполн ющего функцию плазменного катода с разр дной камерой 5. Камера 4 служит дл обеспечени высокой электрической прочности промежутка плазменный катод-анод. Разр дна камера 5, обеспечивающа генерацию эмиттирующей плазмы, образована системой .четырех электродов: оксидный термокатод 6, промежуточный анод 7, главный анод 8 и антикатод 9 с эмиссионным отверстием 10. Оксидный катод крепитс на катодном фланце 1 t с помощью изолированных от фпанца и охлаждаемых проточной водой вводов - катодных ножек 12. Промежуточный анод 7 гальванически соединен с антикатодом 9 кожухом магнитопровода 13, Промежуточный анод в конической части имеет канал. Между промежуточным анодом 7 и антикатодом 9 действует аксиальносимметричное магнитное поле, создаваемое катушкой 14, расположенной внутри незамкнутого магнитопровода, Оптимальный выбор конфигурации разр дного промежутка и напр женности магнитного пол в нем позвол ет эффективно производить отбор электрон из газоразр дной плазмы. Главный анод 8, выполненный из меди, имеет отверстие, аксиальное с каналом np межуточного анода 7 и антикатодом 9 и изолирован от промежуточного анод и антикатода с помощью изолирующих прокладок 15, Диаметр эмиссионного отверсти 10 антикатода, имеющего немагнитную вставку, составл ет 2 мм, поскольку при диаметре, большем 2 мм, возникает нестабильность замыкани дуги в разр дной камере из-за провисани внешнего электриче кого пол . Анод 1 коммутатора полусферической формы крепитс к анодно фланцу с помощью резьбового штока, позвол ющего мен ть длину пробивног промежутка. Резервуар 16 рабочего газа соединен с разр дной камерой через импульсный электромагнитный натекатель 17, Источник питани плазменного катода , выполненный в виде формир к ще линии 18, предназначен дл зажигани разр да. Коммутатор работает следующим об разом. Включаютс накал термокатода 6 и выпр мители, питающие магнитную катушку и формирующую линию дуговог разр да плазменного катода. На элек ромагнитный натекатель 17 подаетс импульс; после открывани натекател через врем , необходимое дл установлени давлени газа 3-10 торр в разр дной камере (,3с) с формирующей линии 18 (фиг,2) включением управл ющего тиристора 19 подаетс поджигающий отрицательный импульс н термокатод 6, Амплитуда поджигающег импульса составл ет 400 В при токе дуги до ВО А, Эмиттируемые термокатодом 6 электроны попадают на проме жуточный анод 7, наход щийс в моме времени t О под потенциалом общей шины. Протека по сопротивлению 20 ( 120 Ом), включенному между промежуточным анодом и главйым анодом 8, ток создает разность потенциалов, обеспечивающую выт гивание дуги в канал промежуточного анода. Нарушение однородности разр дного промежутка каналом промежуточного анода приводит к образованию двойного сло полусферической формы, который фокусирует и ускор ет электроны дугового разр да. За счет фокусировки электрическим полем и сжати магнитным полем, образуемым магнитной катушкой 14 и незамкнутым магнитопроводом (анод 7, магнитопровод 13 и антикатод 9), электроны проход т через канал главного анода и осциллируют в зазоре промежуточный анод 7 - антикатод 9, Это позвол ет получить в анодной области разр дной -камеры степень ионизации, близкую к 100%, За счет высокого парциального давлени носителей в разр де и сильного сжати разр да плазма вытесн етс через эмиссионное отверстие 10 антикатода 9 в рабочую вакуумную камеру коммутатора, где происходит отбор электронов из плазмы и формирование рабочего тока коммутатора. Благодар тому, что вакуумна камера непрерьгоно откачиваетс , а разр дна камера св зана с вакуумной камерой лишь эмиссионным отверстием диаметром 2 мм, между ними можно легко создавать значительный перепад давлений. В результате в промежутке ме аду электродами коммутатора обеспечиваетс высокий вакуум, и электрическа прочность промежутка определ етс только вакуумным пробоем. Под действием приложенного электрического, пол в вакуумной камере возникает ток электронов и происходит коммутаци рабочего напр жени на нагрузку. Электрическое питание.разр дной камеры осуществл етс от модул торного блока, формирующего пр моугольные импульсы длительностью 10 - 1000 мкс с амплитудой тока до 100 А, При необходимости укорочени длительности импульса коммутатора дополнительным управл ющим импульсом отпираетс модул тор 21 (фиг.2), который шунтирует нагрузку 22 и обрывает разр д, в результате чего прекращаетс поступление плазмы в вакуумную камеруThe invention relates to a pulse technique, and more specifically to a technique for switching high-current high-voltage currents, and can be used in a high-current pulsed power supply source for injectors of electrophysical and electron-beam process plants. Switching devices are known for generating high-power high-voltage pulses. The most widely used of them are pulsed thyratrons and spark gaps containing the main and control electrodes from. Serially produced domestic and foreign thyratrons have limitations on the parameters that determine the speed and magnitude of the switched power. The disadvantages of spark gaps are the large instability of the moment of the beginning of the main sample and the necessity of supplying powerful starting pulses with steep fronts. A significant common drawback of these switches is that, in principle, it is impossible to control the duration of a discharge current pulse. The closest in technical essence to the invention is a high-power switch comprising an anode and a cathode assembly mounted on an insulator, forming a switch operating current chamber. The known switchboard is a heavy duty hydrogen thyratron in which the cathode assembly is made in the form of a thermal cathode with a flat ring emitter from lanthanum hexaboride with a graphite heater and a reflector installed at a distance of several centimeters from the emitter and having a cathode potential. The cathode assembly of this thyratron allows, at large pulsed loads, to close a considerable (over 80) part of the pulsed current through the reflector, thereby achieving a substantial unloading of the thermal cathode. The thyratron maintains stable operation with a significant decrease in the gas density in the cathode region in the range of 0.010.1 torr. To maintain the stability of the pressure in the specified range, a hydrogen generator is placed in the sealed volume of the device and a pressure sensor is installed in accordance with the indications that the hydrogen generator 31 is controlled. The control of the thyratron is carried out with the help of the initiating electrode and the control electrode in the form of a grid, to which the control signal is applied, an amplitude of more than 3000 V and a current of 10 A. The delay of the thyratron ignition relative to the control pulse is 0.2-0.3 μs, The electrical strength of the anode chamber is not higher than 120 kV at a height of the device of 1500 mm, the power consumed by the cathode assembly is 5 kW: 21. A disadvantage of the known switch is the impossibility of controlling the duration of a switching current pulse. The aim of the invention is to increase the power and provide control over the duration and magnitude of the current of the switched pulse. This goal is achieved by the fact that in a controlled high-power switch that contains an anode and cathode assembly mounted on an isolator forming the switch's operating current chamber, the cathode 1st node is in the form of a duoplasmatron with an additional anode installed between the intermediate anode and the anti-cathode of the duoplasmotron, the additional anode and thermo cathode of the duoplasmuron are made with inlets for connection to the control key circuit. Figure 1 shows the proposed switch section; Fig. 2 is a diagram of its power. The switch contains an iod 1 and a cathode assembly 2, mounted on insulator 3, forming the switch operating chamber 4. The cathode assembly 2 of the switch is made in the form of a duoplasmotron, which performs the function of a plasma cathode with a discharge chamber 5. Chamber 4 serves to provide a high electrical strength of the plasma cathode – anode gap. The discharge chamber 5, which generates an emitting plasma, is formed by a system of four electrodes: an oxide thermo cathode 6, an intermediate anode 7, a main anode 8 and an anticathode 9 with an emission hole 10. The oxide cathode is mounted on the cathode flange 1 t using insulated from fan section and cooled running water inlets - cathode legs 12. The intermediate anode 7 is galvanically connected to the anti-cathode 9 by a casing of the magnetic circuit 13, the intermediate anode in the conical part has a channel. Between the intermediate anode 7 and anticatode 9, an axially symmetric magnetic field created by the coil 14 located inside an open magnetic circuit acts. The optimal choice of the configuration of the discharge gap and the magnetic field intensity in it allows efficient selection of the electron from the gas-discharge plasma. The main anode 8, made of copper, has an orifice axial with the channel np of the intermediate anode 7 and anticatode 9 and is isolated from the intermediate anode and anticatode with insulating gaskets 15. The diameter of the anticathode emission hole 10 having a nonmagnetic insert is 2 mm, since with a diameter greater than 2 mm, an instability of the arc closure in the discharge chamber arises due to the sagging of the external electric floor. The anode 1 of the hemispherical switch is attached to the anode flange with a threaded rod, which allows the length of the gap to change. The working gas tank 16 is connected to the discharge chamber through a pulsed electromagnetic leak detector 17. The plasma cathode power supply, made in the form of a line 18, is designed to ignite the discharge. The switch works as follows. The heat of the thermal cathode 6 and the rectifiers feeding the magnetic coil and forming the arc discharge line of the plasma cathode are switched on. An impulse is applied to the electromagnetic leak detector 17; After opening the intake, after a time required to establish a gas pressure of 3-10 Torr in the discharge chamber (3c) from the forming line 18 (Fig. 2), turning on the control thyristor 19, the ignition negative pulse is applied to the thermal cathode 6, the ignition pulse amplitude is 400 V at the arc current to VO A, the electrons emitted by the thermal cathode 6 fall on the intermediate anode 7, which is in the time moment t 0 under the potential of the common bus. A leakage across a resistance of 20 (120 Ohms) connected between the intermediate anode and the main anode 8, the current creates a potential difference that stretches the arc into the channel of the intermediate anode. The violation of the uniformity of the discharge gap by the channel of the intermediate anode leads to the formation of a double hemispherical layer, which focuses and accelerates the electrons of the arc discharge. Due to the focusing by the electric field and the compression by the magnetic field formed by the magnetic coil 14 and the open magnetic circuit (anode 7, magnetic circuit 13 and anticathode 9), electrons pass through the main anode channel and oscillate in the gap intermediate anode 7 - anticathode 9. in the anodic region of the discharge chamber, the degree of ionization is close to 100%. Due to the high partial pressure of the carriers in the discharge and the strong compression of the discharge, the plasma is displaced through the emission hole 10 of the anti-cathode 9 into the working vacuum chamber mmutator, where the selection of electrons from the plasma and the formation of the operating current of the switch. Due to the fact that the vacuum chamber is pumped out uninterruptedly, and the discharge chamber is connected to the vacuum chamber only by an emission orifice 2 mm in diameter, a significant pressure drop can easily be created between them. As a result, a high vacuum is provided in the gap between the electrodes of the switch, and the electrical strength of the gap is determined only by vacuum breakdown. Under the action of an applied electric field in a vacuum chamber, a current of electrons arises and the operating voltage is switched to the load. Electric power. The discharge chamber is supplied from a modulator unit that forms rectangular pulses with a duration of 10-1000 μs with a current amplitude of up to 100 A. If the switching pulse duration is shortened, the modulator 21 opens with an additional control pulse (Figure 2), which shunts the load 22 and cuts off the discharge, as a result of which plasma supply to the vacuum chamber is stopped

и прерываетс рабочий ток коммутатора .and the switch operating current is interrupted.

Величина рабочего тока коммутатора регулируетс в пределах от нул до максимального значени , определ емого геометрией совокупности электродов плазменного эмиттера, посредством изменени длительности разр да модул тора 21 и величины контрагирующего магнитного, пол в разр дной камере.The value of the operating current of the switch is adjusted from zero to the maximum value determined by the geometry of the set of plasma emitter electrodes by varying the discharge duration of the modulator 21 and the magnitude of the contractive magnetic field in the discharge chamber.

Предлагаемый управл емый коммутатор большой мощности с плазменным катодом выгодно отличаетс от импульсного тиратрона, который вл етс базовым объектом. Он сочетает в себе все известные достоинства импульсных тиратронов и частично устран ет их недостатки. Отличительной особенность коммутатора большой мощности вл етс то, что в нем использован плазменныйThe proposed high power controlled plasma switch with a plasma cathode is advantageously different from a pulsed thyratron, which is a basic object. It combines all the known advantages of pulsed thyratrons and partially eliminates their disadvantages. A distinctive feature of a high power switch is that it uses plasma

катод, который способен отдавать килоамперные токи в диапазоне длительностей импульсов до 1000 мкс при малой потребл емой катодным узлом мощности (60 Вт). Кроме того, применение плазменного катода в коммутаторе открывает эффективный путь управлени током разр да вплоть до полного его прерывани . Эффективное управление рабочим током коммутатора осуществл .етс путем изменени эмиссионной способности плазмы регулировкой тока разр да, котора может производитьс маломощным модул тором. Так как в коммутаторе используетс режим отбора электронов из плазмы и вакуум, то имеетс возможность коммутировать напр жени до 200 кВ и более. Достоинствами коммутатора вл ютс также простота конструкции, значительный (2000 ч) срок службы и малое - пор дка 5-7 с врем включени .a cathode that is capable of delivering kiloampere currents in the range of pulse durations up to 1000 µs with a small power consumption of the cathode node (60 W). In addition, the use of a plasma cathode in a switch opens an effective way to control the discharge current up to its complete interruption. Effective control over the operating current of the switch is accomplished by changing the plasma emissivity by adjusting the discharge current that can be produced by a low-power modulator. Since the switch uses the mode of taking electrons from plasma and vacuum, it is possible to switch voltages up to 200 kV or more. The advantages of the switch are also simplicity of design, considerable (2000 hours) service life and short - about 5-7 seconds on-time.

f9f9

/V - // V - /

22 гj22 gj

Фи9.2Fi9.2

Claims

A CONTROLLED SWITCH containing an anode and a cathode assembly, mounted on an insulator forming a switch operating current chamber, characterized in that, in order to increase power, to provide regulation of the duration and magnitude of the switched pulse current, the cathode assembly is made in the form of a duoplasma with an additional anode installed between an intermediate anode and a duoplasmatron anticathode, while the additional anode and a duoplasmatron thermocathode have inputs for connecting to the control key circuit.

1 1112431