Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

190 Глава

10. Вакуумные линии с магнитной самоизоляцией

значений (50 А/ем

), области эмиссии ионных утечек были локализованы в линии

и не приводили к значительным потерям. Последние зависели от расстояния вдоль

линии и определялись условиями формирования катодной плазмы (скоростью из-

менения электрического поля, амплитудой предвестника напряжения и напряжен-

ностью электрического поля).

§ 10.5 Применение линий с магнитной самоизоляцией

Магнитоизолированные вакуумные линии широко применяются для транспор-

тировки энергии в крупнейших установках «Ангара-5», «РВРА-1» и «РВРА-П»

[28-31]. Электромагнитная энергия с суммарной мощностью до 10

Вт от модуль-

ных генераторов электрических импульсов передается в этих установках по вакуум-

ным линиям к диоду или лайнеру. Наименее прочным элементом является диэлек-

трическая диафрагма, отделяющая вакуумную область МИВЛ от генератора. При

пробойной напряженности электрическое поле Е « Ю

В/см, плотность мощности

# = 0,25-10

Вт/см

, что на шесть-семь порядков меньше плотности потока энергии,

необходимой для инициирования микровзрыва. Плотность мощности можно увели-

чить на пять порядков до 10

Вт/см

, если использовать МИВЛ для концентрации и

передачи энергии. Дальнейшее увеличение может быть достигнуто в различных

подходах инерциального синтеза: в результате фокусировки ионного (электронного)

пучка или обжатия лайнера. В экспериментах, выполненных с линиями в квазиста-

ционарном и волновом режимах при напряжениях до 30 МВ, достигнуты рекордные

значения передаваемой мощности 10

Вт. Эффективность транспортировки элек-

тромагнитной энергии для практически важных диапазонов линий / = 5-10 м, на-

пряжений 2-3 МВ и длительностей импульсов 100 не и выше составляет 80%.

В связи с тем, что в крупных термоядерных установках принята модульная

компоновка, возникает задача объединения МИВЛ отдельных генераторов. Для

концентрации энергии в этих установках применяются трехмерные концентрато-

ры, использующие явление магнитной изоляции. Несинхронность работы отдель-

ных модулей (генераторов) может приводить к снижению эффективности передачи

энергии к нагрузке из-за увеличения длительности импульса и нарушения магнит-

ной изоляции. В работе [30] проведены расчеты транспортировки энергии в много-

канальном концентраторе, состоящем из восьми параллельно включенных МИВЛ

= 4 Ом, / = 1,6 м), с учетом несинхронного срабатывания модулей. Несинхрон-

ность моделировалась тем, что один из восьми генераторов отставал от других на

20 не. Из результатов расчетов, выполненных для импульса напряжения 1,2 МВ

длительностью 80 не, следует, что появляется переполюсовка тока в МИВЛ на вы-

ходе отставшего генератора, сопровождающаяся существенным увеличением элек-

тронных токов утечки, а также перераспределением областей энерговыделения в

линии. Если в случае одновременного срабатывания область максимального энер-

говклада локализована вблизи нагрузки, то при несинхронном срабатывании в

МИВЛ отставшего генератора появляется значительное дополнительное энерговы-

деление в начале линии. Запаздывание в срабатывании одного из генераторов от-

носительно остальных приводит к образованию областей с низкой напряженно-

стью магнитного поля, в которых возникают значительные потери. При этом если в

ранние моменты область находится в начале МИВЛ отставшего генератора, то со

§10.5

Применение линий с магнитной самоизоляцией

191

временем вследствие роста тока в линии она перемещается к нагрузке. Из-за не-

синхронности срабатывания генераторов полные потери в линиях увеличивались

на 50% по сравнению со случаем их одновременного включения.

В зависимости от вида соединения МИВЛ концентратор позволяет получать

высокие токи или напряжения. Для индуктивной нагрузки (лайнера) получение

токов I

< 1

МА достигается в результате применения низкоомных установок с низ-

коиндуктивным вакуумным концентратором. Для уменьшения индуктивности

можно использовать трехмерную систему подвода энергии на основе параллельно

включенных полосковых линий. На модуле установки «Ангара-5» в режиме с вы-

ходным сопротивлением 2

= 0,04 Ом для передачи энергии от генератора исполь-

зовался трехмерный концентратор энергии [32], представляющий собой 16 неод-

нородных трехполосковых МИВЛ (рис. 7). К центральным электродам МИВЛ под-

водился импульс напряжения отрицательной полярности до 150 кВ со временем

нарастания 70 не. В конце линии параллельно подсоединялись к дисковым токос-

борникам, где устанавливался лайнер. Средний межэлектродный зазор в линиях

составлял 0,5 см, максимальная напряженность электрического поля достигала

0,5 МВ/см. Выбранная геометрия и использование магнитной самоизоляции по-

зволили снизить индуктивность концентратора примерно до 1 нГн. Применение

концентратора дало возможность свести энергию с диаметра 1,2 м к лайнеру раз-

мером 1 см, т.е. увеличить плотность потока энергии в 10

раз и получить ток в

нагрузке, превышающий 3 МА.

На установке «РКОТО-П»

= 0,125 Ом, >

= 50 не, V = 1,1 МВ) [33] для

подвода энергии от генератора к лайнеру применялась вакуумная неоднородная

сходящаяся дисковая линия с магнитной изоляцией диаметром 36 см. Межэлект-

родный зазор в ней уменьшался от 18 мм у диэлектрической диафрагмы до 3 мм

вблизи лайнерной нагрузки. Низкая индуктивность вакуумного диода (8,4 нГн)

позволила получить ток в лайнерных экспериментах до 5 МА. Высокие напряжен-

ности в вакуумном промежутке линии обеспечили пропускание без потерь элект-

рической мощности тераваттного диапазона.

МИВЛ

Рис. 10.7. Трехмерный концентратор с магнитной самоизоляцией, с параллельным объеди-

нением МИВЛ на его выходе

192

Глава 10.

Вакуумные

линии с магнитной самоизоляцией

На установке «РВРА-1» продемонстрирована возможность различных типов

объединения МИВЛ [29]. В первом варианте для получения больших токов цен-

тральные и внешние электроды 36 коаксиальных МИВЛ подсоединялись к разным

электродам дисковой линии. Центральные электроды МИВЛ имели одинаковую

полярность. Во втором случае к разным электродам дисковой линии подсоединя-

лись центральные электроды МИВЛ одинаковой полярности, при этом одна часть

МИВЛ заряжалась до +2 МВ, а другая - до -2 МВ, так что полное напряжение ме-

жду электродами дисковой линии составляло 4 МВ. Высокие напряжения требу-

ются для реализации ионного управляемого термоядерного синтеза, генерации

рентгеновского излучения.

Для получения токов мегаамперного уровня на установках «ВЬАСК 1АСК 5'»

и «НУБКОМ1ТЕ» реализована схема с двусторонним подводом энергии к диоду

[34, 35]. Внешний и внутренний электроды служат анодами, а промежуточный -

катодом. Аноды соединялись через отверстия в катоде. Выбранная конфигурация

подвода энергии позволяла получить кольцевые электронные пучки с током до

3 МА. Потери тока до 30%, наблюдаемые в переходе от коаксиальной линии к три-

коаксиальной, могут быть связаны с дрейфом электронов из-за наличия градиента

магнитного поля и с возмущениями электронного потока в переходе.

В экспериментах, выполненных на установке «МСМ» (V = 350 кВ, I = 170 кА,

= 60 не) [36] аналогичной геометрии, удалось пропустить ток через переход с

эффективностью, превышающей 90%; при этом токи во внешнем и внутреннем

коаксиалах практически совпадали при изменении импеданса от

до 5 Ом.

Кроме передачи и концентрирования энергии, вакуумные линии с магнитной

самоизоляцией используются по предложению Ковальчука и Месяца [37] в качест-

ве накопителей энергии в генераторах с плазменными эрозионными прерывателя-

ми тока. Такая установка работает следующим образом. Генератор Маркса разря-

жается на МИВЛ. Энергия, накопленная в его конденсаторах, преобразуется в маг-

нитную энергию индуктивности вакуумной линии. Плазменный прерыватель

монтируется прямо в МИВЛ и создается таким, чтобы его срабатывание происхо-

дило при достижении максимума тока в вакуумной линии. Нагрузка устанавлива-

ется в МИВЛ сразу за плазменным прерывателем. Использование МИВЛ в такой

конструкции генератора позволило одновременно решить три проблемы: накопле-

ние энергии, передачу ее к нагрузке и возможность накачки индуктивности током с

временем его нарастания не 10"

с, как было до работы [37], а Ю

-6

с. Последнее

обстоятельство крайне важно, так как позволяет избежать промежуточного сжатия

энергии импульса при помощи жидкостной линии и замыкающего коммутатора.

Более подробное изложение применения МИВЛ в качестве накопителей энергии

будет дано в главе 18. Обзор работ по вакуумным линиям с магнитной самоизоля-

цией дан в [7, 38].

Литература к главе 10

ВегпМет

В.,

8тИН

I. «Аигога», ап Е1ес1гоп Ассе1ега1ог // ШЕЕ Тгапз. Ыис1. 8ск 1973.

Уо1.

20, N3.

Р.

294-300.

Бакшт Р.Б., Месяц Г.А.

Влияние поперечного магнитного поля на ток электронного пуч-

ка

начальной фазе вакуумного разряда //

Изв.

вузов. Физика. 1970. №. 7. С. 144-146.

Литература

главе

10 193

ВгШоит

Ь. Е1ес1готс ТЬеогу

оГ 1Ье

Р1апе Ма§пе1гоп // Аёуапсез т Е1ес1готсз / Её. Ьу

Ь. МаПоп.

Ы.У.:

Асаё. ргезз, 1951.

Уо1.

Р.

85-144.

4. Данилов В.Н. Обобщенный бриллюэновский режим электронных потоков // РЭ. 1963.

№ 11. С 1892-1900; К теории бриллюэновских электронных потоков // РЭ. 1966. № 11.

С.1994-2007.

Воронин

В.С.,

Лебедев А.Н.

Теория коаксиального высоковольтного диода с магнитной

изоляцией //

ЖТФ.

1973.

Т.

43, вып. 12. С. 2591-2598.

6. Ше1асе К. К, Он Е. ТЬеогу оГ Ма^пеНс 1пзи1а{юп // РЬуз. ИиШз. 1974. Уо1. 17, N 6.

Р. 1263-1268.

Королев В.Д.

Вакуумные передающие линии с магнитной изоляцией // Генерация и фо-

кусировка сильноточных релятивистских электронных пучков / Под ред. Л.И. Рудакова.

М.: Энергоатомиздат, 1990. С. 43-81.

Коп

А.,

Мопс1еШ А.А., КозЮкег N.

ЕцшНЬпа

Гог

Ма§пе1ю 1пзи1айоп // ШЕЕ Тгапз. Р1азша

8С1. 1973.

Уо1. 1,

N 4.

Р.

85-93.

Согс1ееу А. К, Кого1еу

КВ.,

8ШОГОУ У.Ь., Зтггпоч У.Р.

Ргоёисйоп апё Росизт§ оГ №§Ь-

СиггеШ: Веашз

оГ Ке1а11У1з11с

Е1ес1гопз ир 1о №§Ь БепзШез // Апп. N.У. Асаё. 8сь 1975.

УЫ.

251.

Р.

668-678.

10.

Баранчиков Е.И., Гордеев А.В., Королев В.Д., Смирнов В.П.

Магнитная самоизоляция элект-

ронных пучков в вакуумных линиях//ЖЭТФ.

1978. Т. 75, вып. 6 (12). С.

2102-2121.

11. Гордеев А.В. Теория магнитной изоляции // Генерация и фокусировка сильноточных

релятивистских электронных пучков / Под ред. Л.И. Рудакова. М.: Энергоатомиздат,

1990. С. 81-122.

12. Аранчук Л.Е.,

Баранчиков

Е.И.,

Гордеев

А.В. и др. Исследование линии с магнитной

самоизоляцией в присутствии ионных утечек //

ЖТФ.

1989.

Т.

59, вып. 2. С. 142-151.

13.

8тИН 1.В., СНатрпеу Р.В., Сгеес1оп З.М.

Ма^пейс 1пзи1айоп // Ргос. I ШЕЕ 1теш. Ри1зеё

Ро\уег

СопГ.

ЬиЬЬоск, 1976.

Р.

11-18.

14.

Баранчиков Е.И., Гордеев А.В., Королев В.Д., Смирнов В.П.

Транспортировка и фокуси-

ровка сильноточных релятивистских электронных пучков в коаксиальных линиях с маг-

нитной самоизоляцией // II Симпоз. по коллектив, методам ускорения (Дубна, 29 сент. -

2 окт, 1976). Дубна, 1977. С. 271-274.

15.

Баранчиков Е.И., Гордеев А.В., Королев В.Д., Смирнов В.П.

Волновой режим магнитной

самоизоляции в вакуумной линии // Письма

ЖТФ. 1977.

Т.

3, вып. 3. С. 106-110.

16.

Уоготп К.8., Ко1отепзку А.А., КгазШуеч Е.С.

е!

а1.

Епег§у Тгапзрой т Ма§пе1юа11у 1пзи-

1а*её Уасиит Ыпез // Ргос. III 1п1ет. Торюа1 СопГ. №§Ь Ро^ег Е1ес1гоп апё 1оп Веаш.

Ыоуоз1Ыгзк, 1979.

Уо1.

Р.

593-602.

17.

В1 Сариа М.8., РеШпеп

В.С. Ргора§а1юп оГРошег

Ри1зез

т Ма§пеИса11у

1пзи1а*её

Уасиит

Тгапзгшззюп Ыпез //

1.Арр1.

РЬуз. 1979.

Уо1.

50, N 5.

Р.

3713-3720.

18.

Кап

ВечеМег АР Ьоп§ 8е1Г-Ма§пейса11у 1пзи1а*её Рошег Тгапзрог! ЕхрептеЩз // 1Ыё.

1979.

УЫ.

50, N 6.

Р.

3928-3934.

19. Вг

Сариа М.8., РеШпеп

В.С.,

СНатрпеу Р.В.,

МасВатеIВ. Ма§пе*ю 1пзи1айоп т Тпр1а*е

Уасиит Тгапзгшззюп Ыпез // II 1тегп. СопГ. №§Ь Рошег Е1ес1гоп апё 1оп Веатз. ИЬаса

(ША), 1977.

УЫ.

Р.

781-792.

20.

Катаев

КГ. Ударные электромагнитные волны. М.: Сов. радио, 1963.

21.

Айрапетов А.Ш., Крастелев Е.Г., Яблоков Б.Н.

Работа вакуумной передающей линии с

подмагничиванием //ЖТФ. 1981.

Т.

51, вып. 7. С. 1548-1550.

22. ЖооШ Н.К,

8ПппеП

РЖ. ЩесЮг Ьоззез оп М1ТЕ // Ргос. V ШЕЕ Ри1зеё Рошег СопГ.

АгИп§1оп, 1985. Р*III.

Р.

499-501.

23.

8ПппеП К. Ж, ЩюОаИ

Н.К КлпеНс Ьозз Ехрептетз оп

М1ТЕ

1Ыё.

Р.503-506.

24.

8ИппеП КЖ., АНеп С.К., Ваугз

Н.Р е! а1. Сайюёе Р1азта Рогтайоп т Ма§пейса11у 1пзи-

1а*её

Тгапзгшззюп Ыпез // ШЕЕ

Тгапз. Е1ес1г. 1пзи1.

1985.

УЫ.

20, N 4.

Р.

807-809.

25.

8тсегпу Р.,

Вг

Сариа

М,

ЗПп^геШ М. еХ а1.

ТЬе Ытй оГРошег Р1ош а1оп§ а Н1§Ь-Ро\уег

М1ТЬ

Ргос.

V 1тегп.

СопГ.

№§Ь Ро\уег

РаПю1е

Веатз. 8ап Ргапызсо, 1983.

Р.

267-271.

26.

Жагзтап

Е.,

СНартап

М. Уасиит ТгапзШоп Ыпез т 1Ье Ргезепсе оГ К.ез1зйуе СаШоёе

Р1азта //1.

Арр1.

РЬуз. 1982.

Уо1.

53, N 1.

Р.

724-730.

13. Месяц Г.А.

194

Глава 10. Вакуумные линии с магнитной самоизоляцией

27.

Королев

В.Д.,

Смирнов

В.П.,

Тулупов М.В.

и др. Формирование плазменных потоков в

сильноточных диодах // Докл. АН

СССР.

1983.

Т.

270, № 5. С. 1109-1112.

28.

Алъбиков

З.А., Велихов Е.П.,

Веретенников

А.И. и др. Экспериментальный комплекс

«Ангара-5-1» // Атом, энергия. 1990.

Т.

68, вып. 1. С. 26-35.

29.

Уап

Ие^еп^ег 1Р,

8ИппеП К. Ж, Апдегзоп К. V.

№§а11Уе 1оп Ьоззез т Ма§пе1юа11у 1пзи-

1а*её

Уасиит Сара //Арр1. РЬуз. Ье«. 1981.

Уо1.

36, N 4.

Р.

229-233.

30.

Тигтап В.М, МагПп Т.Н., Иеаи Е.1. е! а1.

РВРА-И, а

1001ЛУ Ри1§её

Ро^ег Опуег

&г 1Ье 1пей1а1

СопйпетеШ;

Ршюп

Рго§гаш

Ргос. V ШЕЕ Ри1зес1

Ро^ег

Соп1 АгНп§1оп, 1985. Р.

155-161.

31.

ЗИппеП К. Ж, 8Шп1еу Т.

Ые§айуе

1оп

Рогтайоп т Ма§пе1юа11у

1пзи1а1ес1

Тгапзпшзюп Ыпез

5. Арр1.

РЬуз. 1982.

Уо1.

53, N 5.

Р.

3819-3823.

32.

Гордеев Е.М., Заживихин В.В., Королев В.Д.

и др. Эффекты локального плазмообразова-

ния при концентрации энергии в линиях с магнитной самоизоляцией // Физика плазмы.

1983. Т. 19, вып. 9. С. 1101-1109.

33.

Топаз

С.

1пеШа1

Ршюп КезеагсЬ 1Мп§ Ри1зеё Ро^ег Эпуегз // Ргос. X Еигор. СопГ. Соп-

1ТО1.

РШЮП апё

Р1азша РЬузюз.

Мозсо^,

1981. Уо1. 2. Р.

134-138.

34.

Жаге

К.,

Ьо1ег

N..

Моп(§отегу М.

е* а1. 8оигсе Оеуе1оршеп1 оп «В1аск 1аск 5» // Ргос. У

ШЕЕ Ри1зеё Роууег

СопГ.

АгНп^оп, 1985.

Р.

118-121.

35.

МсС1епаНап С.К., Васкз1гот

КС.,

()ит1еп21Р.

е!

а1. ЕШс1еп1

Ьоуу-1треёапсе №§Ь Роууег

Е1ес1гоп Веаш Эюёе // Ргос. V

1п*егп. Торюа1

СопГ. №§Ь Рошег Е1ес1гоп апё

1оп

Веаш Ке-

зеагсЬ апё

ТесЬпо1о§у.

8ап Ргашизсо, 1983.

Р.

147-150.

36.

Бабыкин В.М., Гордеев Г.Т., Королев В.Д.

Динамика РЭП в сильноточном диоде с ноже-

вым катодом // Физика плазмы. 1991. Т. 17, вып. 9. С. 1102-1110.

37.

Ковалъчук Б.М., Месяц Г.А.

Генератор мощных наносекундных импульсов с вакуумной

линией и плазменным прерывателем //

Докл.

АН СССР. 1985.

Т.

284, № 4. С. 857-859.

38. Месяц

Г.А.

Эктоны: В 3 ч. Ч. 3. Эктоны в электрофизических устройствах. Екатерин-

бург: УИФ «Наука», 1994.

Часть IV ИСКРОВЫЕ КОММУТАТОРЫ

Глава 11

РАЗРЯДНИКИ С ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ ГАЗА

§ 11.1 Параметры коммутаторов

В зависимости от способа накопления энергии в импульсном генераторе ис-

пользуют замыкающие или размыкающие коммутаторы. Первые применяются в

генераторах с емкостным накоплением энергии, а вторые - с индуктивным. В этой

главе мы будем рассматривать замыкающие газоразрядные искровые коммутаторы

с разрядом при высоком давлении. Это означает, что условия в разрядном проме-

жутке соответствуют правой ветви кривой Пашена. Кроме того, используется так-

же разряд при низком давлении, разряд в вакууме, в среде жидких и твердых элек-

тролитов, а также разряды по поверхности диэлектрика.

Параметры искровых коммутаторов зависят от их назначения в тех или иных

генераторах. Во-первых, это временные характеристики. Нужно иметь малое время

коммутации /

(Ю~

-ИО~

с), малое время задержки срабатывания /

(10~

-И0~

с),

малый разброс этой задержки Д/

(10~

М0~

с). Во-вторых, это характеристики,

касающиеся тока и напряжения коммутаторов. Обычно амплитудный ток, пропус-

каемый одним коммутатором, составляет /« 10

-И0

А,

а напряжение II« 10

ч-10

В.

В ряде случаев нужен широкий диапазон рабочих напряжений, который характери-

зуется отношением наибольшего рабочего напряжения 11

так

к наименьшему

т.е. 5 = (/

гаах

/(/

т1п

. В-третьих, важными параметрами, определяющими коэффици-

ент полезного действия генератора, являются его остаточное сопротивление и ин-

дуктивность. Причем если первый параметр определяется физическими свойства-

ми плазмы разряда в промежутке, то второй - также геометрией и конструкцией

элементов коммутатора. В-четвертых, в ряде случаев необходим импульсно-пери-

одический режим работы генераторов, причем частоты могут составлять от долей

герц до 10

Гц и более.

Заметим, что не существует таких генераторов, коммутаторы которых отвечали

бы всем указанным выше параметрам. Однако есть один параметр, без соблюдения

которого не может быть техники мощных наносекундных импульсов. Это малое

время коммутации Мы уже говорили, что одна из возможностей получения ма-

лого времени

- это увеличение давления газа в разряднике, а вторая - увеличение

13*

196

Глава 11. Разрядники

высоким давлением газа

перенапряжения на промежутке. При перенапряжении время /

определяется из

соотношения: р1

~[(а/р)у

] и при #>100 кВ/см в воздухе при атмосферном

давлении /

< 10"

с. Здесь р - давление, а - коэффициент ударной ионизации,

- скорость дрейфа электронов.

Для промежутка, работающего в условиях статического пробоя, для качествен-

ной оценки зависимости времени от давления газа р воспользуемся моделью

Ромпе и Вайцеля. Согласно этой модели, р!

(Е/р)~

При неизменном напряже-

нии статического пробоя газа

= сош! согласно закону Пашена (см. главу 6) про-

изведение давления газа на длину промежутка

р<1

тоже должно оставаться неиз-

менным, а следовательно, неизменной будет и величина

!р

/рс1.

Это значит,

что время

уменьшается с ростом давления газа как

Ир

[1]. На рис.

приве-

дены зависимости Г

от р для различных газов [2]. Время измерялось на харак-

теристике коммутации Щ) между уровнями 0,8 и 0,1 от статического пробивного

напряжения 15 кВ. Производился разряд заряженного коаксиального кабеля через

коммутатор. Амплитуда тока составляла 100 А.

Из рис. 1 следует, что время действительно уменьшается с ростом давления

газа р. Например, для воздуха при атмосферном давлении 20 не, а при 10 атм -

порядка наносекунды. Различные газы имеют разные коммутационные характерис-

тики. Например, аргон имеет лучшие коммутационные характеристики. Он уже

при атмосферном давлении имеет время - 5 не, в то время как гелий даже при

р « 10 атм имеет « 30 не. Водород при атмосферном давлении имеет « 100 не,

но уже при 6 атм /

не.

°Ю

[мм рт.

ст.]

Рис.

11.1.

Зависимость длительности фронта импульса от давления газа в промежутке: 1 -

воздух, 2 - углекислый газ, 3 -

азот, 4

- водород,

- фреон,

- гелий,

- аргон

§11.1

Параметры коммутаторов

197

На ряде характеристик Х^р) при переходе от низких давлений к высоким спад /

с давлением становится круче. Это объясняется затянутым ступенчатым спадом на-

пряжения на промежутке [3] при низких давлениях (р<

атм) для ряда газов.

При статическом пробое уменьшение длины промежутка ведет к уменьшению

Действительно, в правой ветви кривой Пашена, в области, близкой к минимуму:

4+4" <

11Л

Р<*

Для воздуха

= 62-Ю

В/см-атм,

В,

= 340 В. Следовательно,

/!*

> (П.2)

т.е. при неизменном давлении газа время /

будет уменьшаться с уменьшением

длины промежутка А. Этот вывод иллюстрируется графиками

(р)

при различ-

ных

(рис. 2). При

= 0,2 мм имеем малое время (

« 10~

с даже при атмосфер-

ном давлении воздуха. Этот эффект используется при создании многозазорных

коммутаторов (см. § 11.6), которые имеют время /

« Ю

-9

даже при атмосферном

давлении воздуха и азота [2].

Коммутатор в общем случае запускается в результате воздействия на его про-

межуток (или промежутки) какого-либо фактора, при котором создается условие:

Е>Е

С9

(11.3)

где Е

- напряженность электрического промежутка при статическом пробое, Е -

напряженность поля в промежутке. Условие (3) можно выполнить при увеличе-

нии Е или при уменьшении Е

. Поэтому есть коммутаторы двух типов. К первому

типу относятся трехэлектродные и многочисленные модификации многоэлектрод-

ных коммутаторов, коммутаторы с инжекцией в газ низкоэнергетических электро-

нов, двухэлектродные разрядники со сбросом давления газа и т.д. Ко второму -

газовые искровые реле, тригатроны, коммутаторы, управляемые лазером и т.д.

Рис.

11.2.

Зависимость времени (

от давления воздуха при различных длинах промежутков:

(1)

й =

2,2

мм, (2) й =

0,98

мм,

(3)

й =

0,7

мм,

(4)

й = 0,4

мм, (5)

й =

0,2

мм

198

Глава 11. Разрядники

высоким давлением

газа

§ 11.2 Двухэлектродные коммутаторы

Простейшим типом коммутаторов генераторов мощных наносекундных им-

пульсов являются двухэлектродные разрядники со сжатым газом, которые управ-

ляются приложенным напряжением. Их называют еще разрядниками с самопробо-

ем. Разряд в них наступает тогда, когда согласно (3) напряженность электрического

поля Е превосходит статическую пробивную напряженность Е

. Обычно через

такие коммутаторы происходит разряд на нагрузку накопительной линии или кон-

денсатора, которые импульсно заряжаются от генератора Маркса или импульсного

трансформатора. При использовании таких коммутаторов желательно иметь быст-

рую зарядку линии, чтобы уменьшить габариты, а следовательно, и индуктивность

коммутатора. Однако при быстрой зарядке появится нестабильность пробоя про-

межутка, поэтому его нужно настраивать так, чтобы пробой происходил не на мак-

симуме зарядного напряжения, а за некоторое время до него. Это ведет к сниже-

нию амплитуды напряжения наносекунднош импульса на нагрузке. По-видимому,

оптимальным для импульса, заряжающего линию, является время до максимума

заряжаемого импульса от микросекунды до нескольких микросекунд.

При таких временах двухэлектродный разрядник работает практически в ре-

жиме закона Пашена. Поэтому его запуск, кроме увеличения напряжения на элек-

тродах, может производиться снижением давления газа р или уменьшением длины

промежутка между катодом и анодом Двухэлектродные коммутаторы использу-

ются в генераторах Маркса, а также в качестве основного коммутатора в мощных

наносекундных генераторах.

В [1] описан наносекундный релаксационный генератор, в котором разрядник с

давлением азота 10 атм пробивался по мере зарядки конденсатора с емкостью С

через сопротивление Я. В таком генераторе частота следования импульсов опреде-

лялась постоянной времени КС. В [5] описаны двухэлектродные разрядники с эле-

газом, которые работали при мегавольтных напряжениях и нагрузке 2

= 10 Ом

(рис. 3). Данные генератора с таким разрядником приведены в таблице 1.

Таблица 11.1.

Выходное

напряжение,

МВ

Разрядник типа указанного

на рис. 1, а,

Разрядник типа указанного

на рис. 1,

Выходное

напряжение,

МВ

Индуктивность Ь,

нГн Омнс

Индуктивность Ь,

нГн

^н'ф»

Омнс

0,5

116 55 80

1,0

135

169 100 130

2,0

248 305 190

240

Из данных, представленных в таблице, следует, что длительность фронта импульса

определяется в основном индуктивностью разрядника, т.е. /

« Ы1

Двухэлектродные разрядники высокого давления широко используются в им-

пульсно-периодических генераторах с частотами следования 10

-ь10

Гц («Синус»,

«Радан», «8Р» и др.) с напряжением 10

^10

В и средней мощностью вплоть до

100 кВт и более, созданных в ИСЭ и ИЭФ. В разрядниках генераторов «Синус»

§11.2

Двухэлектродные коммутаторы

199

Рис. 11.3. Конструкции неуправляемых газовых коммутаторов: (а) 1, 4 - электроды, 2 -

шпильки, 3 - 8Р

при давлении 4-5 атм, 5 - корпус; (б) 1 - электроды, 2, 6 - внутренние

проводники, 3)5

—

внешние проводники, 4 - 8Р

при давлении 4-5 атм, 7 - изоляторы;

(в)

- электроды, 2, 5 - внутренние проводники, 4 - 8Р

при давлении 12-15 атм, 3 - внеш-

ний проводник,

- монолитный изолятор

проводится прокачка газа, причем скорость прокачки имеет оптимальную величи-

ну. Она должна быть достаточно высокой, чтобы убрать плазму из промежутка за

время между импульсами, но не слишком высокой, чтобы сохранить на катоде на-

гретой зону разряда для появления инициирующих электронов при разряде на ло-

вом импульсе. Подробнее об этом будет сказано ниже.

Одним из факторов, которые ограничивают частотные свойства двухэлектрод-

ных коммутаторов, является канал разряда, через который протекает ток. Этот ка-

нал, с одной стороны, имеет большую индуктивность, что мешает получать пре-

дельно короткие фронты импульсов. С другой стороны - из-за высокой плотности

тока в канале он оставляет на электродах зону сильно разогретого металла, а также

медленно деионизирующую плазму с сильно нагретым газом. Для устранения всех

этих проблем предложено использовать разрядники с многолавинным объемным

разрядом [2]. В таком разряднике индуктивность очень мала (<

нГн), а газ и элект-

роды не нагреваются из-за малой плотности тока разрядника, так как у ~ 1/8, где

5 - площадь электродов, I- ток. Такие генераторы позволяют иметь частоту следо-

вания до 10

Гц и более.

Устройство коммутирующего элемента, использованного в генераторе, схемати-

чески показано на рис. 4. Между пластинами 1 и 3 имеется газовая прослойка 5,

которая образуется за счет того, что пластины соприкасаются по местам микровы-

ступов на поверхности керамики и металла. Средняя высота зазора между элемен-

тами 1 и 2 определяется степенью обработки поверхностей и обычно находится в

пределах 10-30 мкм. При приложении к электродам импульсного напряжения в

точках касания по поверхности керамики развивается разряд, свет которого вызы-

вает появление у катода электронов, инициирующих лавинный разряд в воздуш-

ном зазоре между керамикой 1 и металлическим электродом 3.

Для запуска такого коммутатора использовался генератор с водородным

тиратроном, который генерировал импульсы с амплитудой 2 кВ и фронтом 50 не.

Для уменьшения длительности фронта использовался ферромагнитный дроссель.

Время коммутации составляло 0,5 не при атмосферном давлении воздуха. Частота

следования импульсов генератора регулировалась изменением частоты запускаю-

щих импульсов. Максимальная частота следования определяется максимальной