SU953686A1

SU953686A1 - Method of controlling arrester operation by means of laser beam

Info

Publication number: SU953686A1
Application number: SU803217115A
Authority: SU
Inventors: Игорь Васильевич Пищулин; Константин Иванович Козловский
Original assignee: Московский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физический Институт
Priority date: 1980-12-11
Filing date: 1980-12-11
Publication date: 1982-08-23

Description

Изобретение относитс к импульсной технике, в частности к быстродействующим высоковольтным коммутационным элементам - разр дникам, управл емым лазерным излучением. Известны способы управлени срабатывани разр дников с помощью луча лазера 1. Врем задержки срабатывани разр дника и стабильность его временных характеристик обусловлены способом введени лазерного излучени , энергией излучени и ее разбросом , геометрией разр дного проме жутка и газовым наполнением. Разброс времени задержки срабатывани существенно увеличиваетс в области малых времен из-за разброса энергии излучени и снижени уровн коммути руемого напр жени . Наиболее близким к изобретению вл етс способ управлени срабатыв нием разр дника с помощью луча лазе ра, заключающийс в том, что газ В разр дном промежутке между катодом и анодом ионизируют лучом лазера, который фокусируют на аноде t.23. Известный способ управлени обеспечивает минимальный разброс времени задержки срабатывани лишь при значительной энергии излучени . Кроме того, разброс времени задержки во многом определ етс свойствами газового наполнени и уровнем коммутируемого напр жени . Цель изобретени - повышение стабильности управл емого срабатывани разр дника в широком диапазоне коммутируемых напр жений. Эта цель достигаетс тем, что согласно способу управлени срабатыванием разр дника с помощью луча лазера , заключающемус в том, что га в разр дном промежутке между катодом и анодом ионизируют лучом лазера, который фокусируют на аноде, указанный луч лазера направл ют по касательной к поверхности катода, аThe invention relates to a pulse technique, in particular, to high-speed, high-voltage switching elements - gaps, controlled by laser radiation. Methods are known for controlling triggering of arrays using a laser beam 1. The delay time of triggering the arrays and the stability of its temporal characteristics are determined by the method of introducing laser radiation, the radiant energy and its spread, the geometry of the discharge gap and gas filling. The spread of the response delay time increases significantly in the region of short times due to the variation of the radiation energy and a decrease in the level of the switching voltage. Closest to the invention is a method for controlling the triggering of a discharge with a laser beam, which means that gas In the discharge gap between the cathode and the anode is ionized by a laser beam that is focused on the anode t.23. The known control method ensures a minimal variation in the delay time of the operation only at a considerable radiation energy. In addition, the variation in the delay time is largely determined by the properties of the gas fill and the level of the switched voltage. The purpose of the invention is to increase the stability of the controlled operation of an arrester in a wide range of switching voltages. This goal is achieved by the fact that according to the method of controlling the triggering of a glitter by means of a laser beam, the principle is that the laser beam is focused on the anode in the discharge gap between the cathode and the anode, which is focused on the anode tangent to the cathode surface , but

фокусировку луча лазера производ т на поверхности анода в точке, расположенной на минимальном рассто нии от катода, причем плотность мощности лазерного излучени на поверхности катода создают большей или равной минимальной плотности мощности , требуемой дл обеспечени с поверхности катода эффективной термоэлектронной эмиссии, а плотг ность мощности лазерного излучени в прианодной области создают из услови образовани в ней плазмы под действием лазерного излучени .the laser beam is focused on the anode surface at a point located at the minimum distance from the cathode, and the power density of the laser radiation on the cathode surface is greater than or equal to the minimum power density required for providing effective thermionic emission from the cathode surface Radiation in the anode region is created from the condition of plasma formation in it under the action of laser radiation.

На фиг, 1 представлена принципиальна схема разр дника, в котором осуществлен предлагаемый способ управлени срабатывани ; на фиг. 2 экспериментальные Лривые изменени времени задержки срабатывани Т в зависимости от коммутируемого напр жени и, пронормированного по напр жению пробо Urn, причем крива А соответствует известному способу фокусировки лазерного излучени на анод, а крива Б соответствует предлагаемому способу фокусировки излучени при одинаковой энергии излучени ; на фиг. 3 - зависимость времени задержки срабатывани Т от места расположени (координат Х) точки фокусировки лазерного излучени , направленного параллельно оси разр дного промежутка, причем точка соответствует границе металлгаз , точка соответствует располо , жению точки фокуса в газе, а точка - расположению точки фокуса в металле анода,.Fig. 1 shows a schematic diagram of the bit in which the proposed method of controlling the operation is carried out; in fig. 2 experimental curves of the response time delay T depending on the switching voltage and normalized by the sample voltage Urn, where curve A corresponds to the known method of focusing laser radiation on the anode, and curve B corresponds to the proposed method of focusing radiation with the same radiation energy; in fig. 3 - dependence of the response time T on the location (coordinates X) of the focal point of the laser radiation, directed parallel to the axis of the discharge gap, the point corresponding to the metalgas boundary, the point corresponds to the location of the focus point in the gas, and the point to the location of the focus point in the metal anode ,.

Луч лазера 1 направл ют после фокусирующей линзы 2 по касательной к поверхности катода 3 и фокусируют на границе, обращенной к катоду поверхности анода k, обеспечива при этом плотности мощности излучени в прикатодной и в прианодной област х , достаточные дл эффективной темоэлектронной эмиссии и образовани плазмы, соответственно (фиг. 1). Стбильность временных характеристик разр дника повышаетс за счет того, что одновременно с термоэлектронной эмиссией в прикатодной области происходит интенсивное образование пламы в прианодной области, привод щее к деформации пол и ускор ющее проп, цесс развити электронной лавины и переход ее в стриммер.The laser beam 1 is directed after the focusing lens 2 tangentially to the surface of the cathode 3 and focused on the boundary facing the cathode of the anode surface k, while ensuring the radiation power density in the cathode and anode areas is sufficient for effective temperature emission and plasma formation, respectively (Fig. 1). The stability of the time characteristics of the discharge increases due to the fact that simultaneously with thermionic emission in the cathode region, an intense formation of a flame occurs in the near-anode region, leading to field deformation and accelerating the process, the development of an electron avalanche and its transition to a streamer.

Кроме того, луч лазе|5а, проход разр дныйпромежуток, вл етс дополнительным источником ионизации газа, обеспечивающим снижение статкстических флуктуации в течение времени нарастани электронной лавины и распространени стриммера. Требуемые значени плотности мощности излучени , получаемые при относительноIn addition, the laser beam | 5a, the passage of the discharge gap, is an additional source of gas ionization, which provides a reduction in static fluctuations during the time of an electron avalanche rise and streamer propagation. The required values of radiation power density, obtained at relatively

небольшой энергии лазера, обеспечивают стабильность характеристик разр дника в широком диапазоне коммутируемых напр жений.low laser energy, ensure the stability of the discharge characteristics in a wide range of switching voltages.

Проведенные экспериментальные исследовани показали, что дл обеспечени времени срабатывани воздушного разр дника в 10 не с разбросом не более 1 не требуетс вдвое меньша энерги , чем в случае фокусировкиExperimental studies have shown that to ensure the response time of an air glitter of 10, with a spread of no more than 1, half the energy is not required than in the case of focusing

луча лазера на анод или катод и более , Чем на пор док меньша , чем в случае эффективной ионизации воздуха в разр дном промежутке. Разброс времени срабатывани , кроме вышеперечисленных факторов, был обусловлен разбросом энергии лазера, составл ющим около 10%. При уменьшении уровн коммутируемого напр жени от 0,95 пробойного напр жени доan anode or cathode laser beam and more than an order of magnitude smaller than in the case of effective ionization of air in the discharge gap. The scatter of the response time, besides the factors listed above, was due to the scatter of the laser energy of about 10%. Decreasing the switching voltage level from 0.95 breakdown voltage to

Q 0,5 врем задержки и его разброс в разр днике, управл емом по предлагаемому способу был меньше, чем в разр днике с фокусировкой излучени лазера на анод или катод.Q 0.5 The delay time and its spread in the discharge controlled by the proposed method was shorter than in the discharge with the focusing of the laser radiation on the anode or cathode.

При фокусировке луча лазера на границе металл-газ обеспечиваетс минимальное врем задержки (фиг. 2 и З). Процессы развити электронной лавины и образовани плазмы при фокусировке излучени на границе металл-газ интенсифицируютс за счет полного поглощени излучени в тонком поверхностном слое металла.When the laser beam is focused at the metal-gas interface, a minimum delay time is provided (Fig. 2 and 3). The processes of electron avalanche development and plasma formation during focusing of radiation at the metal – gas interface are intensified due to the complete absorption of radiation in a thin surface metal layer.

Полученные экспериментальные данные показали, что предлагаемый способ позвол ет обеспечить стабильность характеристик разр дника при управлении лазером с меньшей мощностью.The obtained experimental data showed that the proposed method allows to ensure the stability of the characteristics of a gaiter when controlling a laser with a lower power.

Claims

1. The UK patent number 1059080, cl. H 1 X, 1967. Z

2.Bettis J.R. IEEE Jornal of Quantum Electronics. QE-6, N 8, 1970, c.t83- "91 (prototype).