Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

210 Глава

11. Разрядники

высоким давлением газа

§ 11.5 Разрядники с запуском от внешнего излучения

11.5.1 Ультрафиолетовый запуск

Разрядник, запускаемый от ультрафиолетового излучения вспомогательного раз-

рядника, называется искровым реле. Оно имеет два искровых промежутка (рис. 5, в),

основной - между электродами 1 и 2 и поджига - 3 [9]. Ультрафиолетовое излу-

чение искры в промежутке 5, попадая на катод 2, приводит к появлению фототока

с катода, который инициирует пробой основного промежутка. В работе [9] было

показано, что при недонапряжении на основном промежутке 1-2% и рабочем на-

пряжении около 10 кВ время запаздывания /

между пробоем инициирующего и

основного промежутка равно Ю

-8

с.

Искровые реле сыграли выдающуюся роль при разработке импульсных управ-

ляемых устройств для первых осциллографов, регистрирующих быстрые процес-

сы. Стекольников [9] показал, что при хорошей настройке такие реле имеют

» Ю

-8

, а А/

« 10~

с. В [22] исследован такой разряд при инициировании его от

ультрафиолетовой вспышки длительностью 6 не. Показано, что наиболее эффек-

тивно ультрафиолетовое излучение с длиной волны около 1100 А. Оно мало по-

глощается в воздухе и обеспечивает высокую фотоэмиссию с катода. Время за-

держки срабатывания разрядника /

с ростом напряжения уменьшается и прибли-

жается к некоторому пределу (рис. 12), который равен

с11у

Месяц [2], используя свою концепцию многолавинного разряда, объяснил этот

результат тем, что рост тока обусловлен лавинным размножением электронов,

образованных на катоде при ультрафиолетовой подсветке последнего. Основным

условием при этом является необходимость обеспечить такой ток начальных ини-

циирующих электронов /

, чтобы при газовом усилении порядка 10

, характерном

для критической лавины при пробое, близком к статическому, разрядный ток дос-

тигал величины, при которой его можно рассматривать как начало разряда.

Например, при токе инициирующих электронов /

« 10~

А и газовом усиле-

нии 10

ток в контуре достигнет значения -10 А. Если учесть, что за время развития

лавин до 10

электронов будет иметь место дополнительный приток электронов с

катода из-за фотоэффекта, то очевидно, что суммарный разрядный ток превысит

А. При таких условиях время задержки пробоя основного промежутка можно

оценить по формуле (6.37), которой мы пользовались при импульсном многоэлект-

ронном инициировании. Если в эту формулу вместо а подставить его значение из

условия Ретера [23] для статического пробоя а « 20/^, т.е. принять, что газовое уси-

ление лавины составляет величину порядка 10

, то время задержки пробоя:

а Щ1

с1/еМ

е0

) _ а

V, 20 ~ и

(11.4)

что и было получено экспериментально [24].

Если напряжение на основном промежутке существенно ниже статического

пробивного, то даже при большом числе инициирующих электронов для заверше-

ния разряда требуется несколько лавинных генераций. Это приводит к существен-

ному росту времени /

по сравнению с

с1/и

В работе [24] справедливость соотно-

шения /

« (11у

при приближении напряжения к статическому пробивному показа-

на и для других газов, таких, как гелий, аргон и углекислый газ.

11.5 Разрядники

запуском

от внешнего

излучения

211

500

300

200

7Г

" 100

0,8 1,2 1,6 2,0

V [кВ]

Рис. 11.12. Зависимость времени задержки пробоя воздушного промежутка

(<й

= 0,32 см) от

величины напряжения на нем при различных расстояниях / между основным и вспомога-

тельным разрядниками. (1) / = 1,25 см, (2) / = 1,9 см, (5) / = 2,54 см

В [25] рассчитано время (

при облучении кратковременными (~10~

с) вспыш-

ками ультрафиолетового излучения промежутков с напряжением, составляющим

90-95% статического пробивного значения. Было найдено, что (Ну

< /

СНУ

где

- скорость дрейфа положительных ионов. В этом расчете было учтено влияние

положительного заряда ионов, которые образуются в катодной области и искажают

электрическое поле в промежутке.

Однако метод запуска от ультрафиолетового излучения вспомогательной искры

имеет два недостатка. Во-первых, узкий диапазон рабочих напряжений - только в

интервале 95-98% от статического пробивного напряжения

*У

В противном случае

резко возрастает время запаздывания /

и его стабильность (см. рис. 12). Во-вторых,

искровой ультрафиолетовый запуск не может быть использован при высоких напря-

жениях (выше 50 кВ), так как начинаются пробои между пусковыми электродами и

основными. Ситуацию можно несколько улучшить, если сделать сетчатый анод и

через него светить на поверхность катода, вызывая эмиссию фотоэлектронов.

На таком же принципе инициирования фотоэлектронов на катоде основан за-

пуск от других источников ультрафиолетового излучения, таких, как галогеновая

лампа, кварцевая лампа, а также эксимерный лазер.

11.5.2 Лазерный запуск

Запуск при отсутствии электрической связи основных и пусковых цепей особен-

но эффективен при использовании лазерных пусковых устройств при воздействии

сфокусированного луча лазера на газ в промежутке между катодом и анодом или

прямо на поверхность одного из электродов. Впервые лазерный запуск искровых

разрядников был предложен и реализован Пенделтоном и Понтером [26]. При воз-

действии мощного лазерного луча в газе появляется электронная лавина [27]. Пер-

вичные электроны образуются из-за многоквантовой фотоионизации газа, а размно-

жаются либо в результате прямой ионизации атомов электронным ударом, либо

вследствие отрыва электронов от возбужденных атомов под действием лазерного

14*

212

Глава 11. Разрядники

высоким давлением газа

излучения. Ионизация газа сильно зависит от напряженности электрического поля

световой волны. Существуют пороговое поле, зависящее от сорта газа и его давления,

и соответствующая ему плотность потока, при которых возможен световой пробой.

Механизм образования лазерной искры меняется, если луч фокусируется на ка-

тоде. При этом имеют место нагрев поверхности катода, термоэмиссия электронов и

даже взрыв металла на поверхности. Дальнейший процесс при наличии электричес-

кого поля развивается так же, как и при наличии инициирующей плазмы. Интересно,

что время задержки разряда в коммутаторе практически не зависит от того, на по-

верхности какого электрода лазер образует плазму - анода или катода. Это анало-

гично тому, как если бы развивался анодно- или катоднонаправленный стример.

Время /

зависит от электрического поля, длины промежутка и скорости стримера.

В работе [20] исследовано влияние излучения рубинового лазера на пробой

газового промежутка. Исследовалась временная задержка /

между приходом

импульса лазера и появлением тока разряда в воздухе, азоте и элегазе. Мощность

луча лазера составляла 80 МВт, давление газа 100-1400 мм

рт.

ст., расстояние меж-

ду катодом и анодом 0,4^-1,5 см и поле Е = 10ч-100 кВ/см. Время /

изменялось

обратно пропорционально электрическому полю, давлению газа и расстоянию фо-

куса от поверхности анода. Зависимость /

от Е/р для

приведена на рис. 13.

В работе [20] описана серия экспериментов с лазерным запуском одно- и двух-

канальных мегавольтных коммутаторов. На рис. 14 показан узел коаксиальной пе-

редающей 90-омной линии с согласованной нагрузкой из сульфата меди. Напряже-

ние на высоковольтном электроде 4 МВ. Лазерный луч входит с правой стороны

системы и, проходя через герметичное окно, фокусируется на поверхности высо-

ковольтного электрода. Мощность сфокусированного лазерного луча составляет

164 ГВт/см

. Поместив на пути луча оптический делитель, можно направить луч

по двум направлениям, обеспечив тем самым создание двух параллельных разряд-

ных каналов в зазоре. Наилучшие результаты по запуску разрядника были получе-

ны для зазора 11 см при давлении 21 атм и следующем составе газовой смеси:

Рис.

11.13.

Изменение времени запаздывания срабатывания разрядника под действием луча

лазера в зависимости от Е/р при различных значениях давления азота. (1) р = 614 мм

рт.

ст.,

(2) р

= 400 мм рт.

ст., (3) р

300

мм рт.

ст., (4) р

= 200 мм рт.

ст., (5) р

= 100 мм рт.

ст.

11.5 Разрядники

запуском

от внешнего

излучения

213

Рис. 11.14.

Разрядник с лазерным запуском:

- высоковольтный электрод, 2 - фокусирующая

линза, 3 - корпус разрядника, 4 - нагрузка из сульфата меди, 5 - коаксиальная передающая

линия

50% аргона, 40% азота и 10% элегаза. При этом средняя величина времени за-

держки срабатывания при напряжении 3,05 МВ (94% от напряжения самопробоя)

составляла 10 не при величине пульсации ±1 не. Если время задержки меньше

длительности лазерного импульса, то плотность мощности луча лазера на мише-

ни не влияет на задержку включения. В противном случае при уменьшении

плотности мощности на мишени от 164 ГВт/см

до 65 ГВт/см

время задержки

увеличивается с 10±2 не до 18±7 не для 7-сантиметрового зазора при Е!р =

= 26 В/см-мм рт. ст. и напряжении пробоя, равном 83% от напряжения самопро-

боя. Более полную информацию о лазерных искрах можно найти в обзоре [28] и

монографии [29].

11.5.3 Электронно-лучевой запуск

В [30, 31] показана возможность запускать искровой разрядник с наносекунд-

ной точностью при помощи пучка быстрых электронов. Последующие экспери-

менты в этом направлении показали, что при заполнении разрядника смесью

20% 8Р

и 80%

с суммарным давлением 8,5 атм при импульсном зарядном на-

пряжении линии до 210

В было получено время запаздывания 30 не.

Основная проблема таких коммутаторов заключается в получении малого и

стабильного времени запаздывания /

при малом токе электронного пучка. Эффек-

тивный способ решения данной задачи - инжекция пучка с большой долей элек-

тронов, имеющих низкую энергию, что приводит к сильному повышению поля

объемного заряда электронов, термализованных в газе промежутка. В процессе

инжекции электронов в газ повышение поля обусловлено объемным зарядом тер-

мализованных электронов и неоднородностью проводимости плазмы из-за немо-

нохроматичности инжектируемого пучка. Электроны пучка с малой энергией име-

ют меньшую глубину проникновения и большее сечение ионизации. Поэтому

проводимость при инжекции электронов через катод будет уменьшаться от катода

к аноду, усиливая электрическое поле в анодной области.

Особенно резко увеличивается электрическое поле в результате термализации

быстрых электронов, когда их полный пробег в газе меньше длины межэлек-

тродного зазора. Тогда электрическое поле между фронтом термализованных

214

Глава 11. Разрядники

высоким давлением газа

электронов и противоположным электродом возрастает на величину:

—, (И.5)

где

у'п

~ плотность тока пучка; / - время;

8о

- диэлектрическая постоянная. Если у

А/см

, то уже через время / = 10"

с, Е

= 10

В/см. Для образования искры при ат-

мосферном давлении в воздухе в таком поле достаточно времени ~10

-9

с (см. главу 6).

В работе [18] наблюдалось уменьшение времени /

при снижении энергии ин-

жектированных электронов, что достигалось уменьшением ускоряющего напряже-

ния ускорителя. При этом понижаются ток электронов в диоде ускорителя и про-

зрачность фольги, выпускающей электроны в газ. Схема экспериментальной уста-

новки приведена на рис. 15. Результаты экспериментов представлены на рис. 16. Из

зависимостей времени задержки появления искры /

от напряжения, приложенно-

го к межэлектродному промежутку следует, что даже сильное уменьшение тока

инжектируемых электронов приводит к снижению времени /

. При токе пучка /

= 1-50 А, напряжении Ц

= 150-180 кВ время /

составляет ~10~

с.

Время запаздывания /

зависит от полярности напряжения на разрядном про-

межутке (рис. 16). Минимальное

~ 10"

с для инжекции быстрых электронов че-

рез катод достигается при значительно (на 30%) большем напряжении, а диапазон

управления разрядника уменьшается. При неизменных параметрах инжектируемого

Рис.

11.15.

Схема установки с рабочим напряжением 2,5 МВ. ГИН - генератор Маркса;

ПИ

проходной изолятор; НП, ВП - наружный и внутренний проводники формирующей линии;

Э] и Эг - электроды исследуемого газового разрядника; И - изолятор; Ш - шпильки из орг-

стекла; УЭ - ускоритель электронов; УР - управляемый разрядник; Ф - анодная фольга ва-

куумного диода (в экспериментах с электродным пучком); К - катод; БС - блок синхрониза-

ции; Д

Дг,

Дз

- делители напряжения

^ 11.5

Разрядники

запуском от внешнего излучения

215

Рис.

11.16.

Зависимость времени срабатывания разрядника от напряжения при инжекции

пучка через катод (1-3) и через анод (4). 1-4 - ток пучка электронов /

= 50, 10, 1, 10 А

соответственно

пучка эффективность быстрого пробоя разрядника возрастает с увеличением про-

изведения рс1 в газовом промежутке (р - давление газа, й - длина промежутка),

что объясняется ростом плотности тока электронов, которые термализуются в газе,

и увеличением поля их объемного заряда.

Обсудим этот вопрос более подробно. Пусть толщина алюминиевой фольги,

через которую инжектируются электроны, 50 мкм, причем произведение толщи-

ны фольги А на плотность алюминия р составляет Ар = 12,5-Ю

-3

г/см

. Потери

электронов в фольге будут небольшими, если глубина их пробега 8 А. Для

энергии электронов 0,15 МэВ < Т

< 0,8 МэВ 8р«0,4Г

4/3

[32]. Следовательно,

необходимо иметь энергию электронов Т

0,1 МэВ. Пусть Т

= 0,2 МэВ. Элект-

роны с такой энергией в азоте будут иметь пробег 8р = 4-10

см-Па [32]. Следо-

вательно, для значительной термализации электронов необходимо, чтобы рд >

> 4-10

см-Па. В соответствии с кривой Пашена при таких рй статическое про-

бивное напряжение в азоте

*У

2Л0~

рс1

[4], где

измеряется в киловольтах.

Следовательно, в данных условиях следует ожидать высокой скорости срабаты-

вания коммутатора при 1/

> 800 кВ.

Из сказанного можно сделать вывод, что при переходе в область мегавольтных

промежутков следует ожидать возрастания быстродействия разрядников. Экспери-

менты с мегавольтными разрядниками подтвердили этот вывод [18]. Использова-

лись разрядники с напряжением до 2,5 МВ. Длина разрядного промежутка (1 =

= 5,5 см. В качестве газового наполнителя применялись азот или его смеси с элега-

зом при давлении р = (4-11>10

Па. Энергия электронов 200-300 кэВ, ток после

фольги 15-130 А.

Экспериментальная зависимость времени запаздывания /

и электрической

прочности Е

1р промежутка длиной 5,5 см от процентного содержания элегаза в

смеси элегаза с азотом показана на рис. 17 [18]. Зависимость получена при одном и

том же зарядном напряжении 1,4 МВ при изменении давления газа от 1,1-10

(чис-

тый N2) до 4-10

Па (50% N2 : 50% 8Р

). Видно, что небольшая добавка элегаза

216 Глава

11.

Разрядники с высоким давлением газа

8Р

[%]

Рис. 11.17. Зависимость электрической прочности (7) и времени запаздывания пробоя раз-

рядника (2) от содержания 8Р

в азоте.

(-10%) увеличивает пробивную напряженность промежутка с чистым азотом в

2 раза; дальнейшее увеличение процентного содержания элегаза в смеси изменяет

электрическую прочность незначительно. По данным [33], относительная проч-

ность элегаза по сравнению с азотом на постоянном напряжении равна 2,3-2,5.

Таким образом, нецелесообразно использовать смеси с содержанием элегаза более

50%. Следует принимать во внимание и то обстоятельство, что при большом со-

держании 8Р

в смеси электрическая прочность газа зависит от числа разрядов.

Так, для С/

1,45 МВ, р = 4-10

Па (50% N2 : 50% 8Р

) уже после 30 разрядов с

током I = 40 кА, длительностью 60 не (протекающий суммарный заряд 5-Ю

-2

Кл)

прочность газа уменьшалась на 10%. В этих экспериментах получено минималь-

ное /

= 15 не при стабильности ±0,8 не = 85%). Более подробную информа-

цию об электронном пуске коммутаторов можно найти в обзоре [34].

§ 11.6 Последовательный многоэлектродный разрядник

11.6.1 Принцип работы

Устройство с соединением большого числа искровых разрядников называют

последовательным многоэлектродным разрядником. Такой разрядник был предло-

жен Гарднером [35]. Воробьев [36] предложил его использовать для укорочения

фронта импульса, так как из-за большого перенапряжения можно иметь малое

время коммутации. Месяц [2, 37] провел обстоятельное исследование свойств та-

кого разрядника и показал возможность построения мощных наносекундных ком-

мутаторов с малыми и (Ю

-8

с) и Д/

(±10~

с) для получения серии жестко привя-

занных друг к другу импульсов в схемах задержки, обострителях и др.

Схема последовательного разрядника в общем виде приведена на рис. 18. На-

пряжение по промежуткам, число которых равно И, распределяется при помощи

омического делителя К, причем каждый промежуток шунтируется на землю

емкостью С

. Потенциалы верхних электродов относительно земли составляют

11.

Последовательный

многоэлектродный разрядник 217

Рис. 11.18.

Схема многозазорного разрядника.

- накопительная емкость; Л

- нагрузка;

межэлектродные емкости;

- емкости электродов на

землю; К

- делитель напряжения;

разделительная емкость;

- пусковой импульс; 1,2,Ы- номера промежутков

соответственно 11\, С/

, Запуск такого разрядника можно производить, пода-

вая пусковой импульс на какой-либо из промежутков. Если первым пробивается

промежуток 7, то на него разряжается емкость С, создавая проводящий путь в про-

межутке. Емкость С

удерживает постоянный потенциал в точке ее подключения,

поэтому промежуток пробивается с перенапряжением (11\ + С^У^с» где

- стати-

ческое пробивное напряжение промежутка 2. Разряд С

создает в разряднике 2 и

поддерживает в 7 проводящий путь. Так последовательно пробиваются все N про-

межутков. Запуск такого разрядника возможен и путем подачи пускового импульса

на любой другой электрод, как это показано на рис. 18.

На стабильность работы такого разрядника влияет отношение емкости электро-

дов относительно земли к собственной межэлектродной емкости, т.е. С

/С. Обыч-

но для стабильной работы необходимо иметь Со/С > 5. Время запуска уменьшает-

ся, а стабильность работы таких разрядников возрастает, если искры в промежут-

ках подсвечивают соседние промежутки своим ультрафиолетовым излучением.

Если пусковой импульс подается на какой-то промежуточный разрядник, то обыч-

но достаточно подсветки только соседних промежутков [37]. При напряжениях до

100 кВ в таких разрядниках можно иметь общее время запаздывания в десятки

наносекунд со стабильностью в единицы наносекунд. Достоинством таких комму-

таторов являются очень широкий диапазон рабочих напряжений - десятикратный

и более - и малое напряжение запуска, так как обычно достаточно осуществить

разряд только в одном промежутке, и тогда каскадно срабатывают все остальные.

Такие разрядники имеют малое время коммутации даже при атмосферном давле-

нии газа, так как работают при большом перенапряжении.

В ряде случаев невозможно обеспечить большое отношение емкостей С

/С.

В [38] показано, что возможна эффективная работа многоэлектродного разрядника

без увеличения емкости относительно земли. На рис. 19 показана одна из схем та-

кого варианта разрядника. Параллельно искровым промежуткам через сопротивле-

ние К\ = (3-5)-10

Ом подключены дополнительные емкости С = 47-Ю

-11

Ф. Вели-

чины К\ и С подобраны с таким расчетом, чтобы постоянная времени разряда К\С

218 Глава

11.

Разрядники с высоким

давлением

газа

Рис.

11.19.

Схема разрядника без увеличенных емкостей электродов на землю. ВН - высокое

напряжение, Ь

- индуктивность нагрузки

была больше времени запаздывания /

пробоя отдельных искровых промежутков:

К\С « 10~

с, а /

< 5-Ю"

с. При таком соотношении т и /

при замыкании на

землю пускового кабеля с помощью разрядника Рм потенциал пускового электрода

существенно изменяется, а потенциалы соседних электродов практически не изме-

няются из-за большой величины т = К\С\ в результате соседние с пусковым элект-

родом промежутки пробиваются с большим перенапряжением. После пробоя этих

промежутков аналогично пробиваются остальные вплоть до полного срабатывания

разрядника.

11.6.2 Последовательный разрядник с микрозазорами

Как мы показали в §

этой главы, если промежутки разрядника составляют до-

ли миллиметра, то даже при атмосферном давлении время коммутации составляет

10"

с. Это свойство коротких зазоров сохраняется и при последовательном соеди-

нении большого их числа. Например, при числе промежутков N = 10, длинах зазо-

ров 100 мкм и давлении воздуха р =

атм время /

» Ю

-9

с. Это время почти на

порядок меньше времени /

для одиночного промежутка при р =

атм со статиче-

ским пробивным напряжением, равным суммарному напряжению всех зазоров, т.е.

-10 кВ, и примерно равно времени коммутации при 10 кВ ир = 10 атм. Следо-

вательно, при последовательном соединении коротких зазоров можно на порядок

снизить время /

при неизменных давлении и пробивном напряжении, или во

столько же раз снизить давление газа при неизменных /

и пробивном напряжении.

Короткие промежутки имеют также малое время деионизации, причем оно

уменьшается, если промежуток разделен на много зазоров. Это обусловило широ-

кое применение промежутков с малыми зазорами в энергетических разрядниках, в

схемах управления импульсными источниками света и т.д. В последнем случае при

заполнении многосекционного разрядника водородом при токе 6 кА частота следо-

вания импульсов составила 10 кГц [39].

В [40] был предложен и разработан коммутатор, который имеет одновременно

высокую стабильность времени пуска без вспомогательных источников, низкую

амплитуду пускового импульса, широкий диапазон рабочих напряжений при не-

$ 11. б

Последовательный

многоэлектродный разрядник 219

изменных длинах промежутков и, наконец, сравнительно низкое давление при

времени коммутации 10~

с. При этом коммутатор запускался без гальванического

контакта между формирующим и пусковым устройствами. Устройство этого ком-

мутатора приведено на рис. 20 [40]. Шайбы 7, которые являются электродами, раз-

делены промежутками и надеты на полое изолирующее основание 2. Напряжение

по промежуткам распределяется с помощью сопротивлений 3. Накопительный ка-

бель 4 присоединяется к последней шайбе сверху, а формируемый импульс отво-

дится по кабелю 5, который присоединяется к последней шайбе снизу. Пусковым

электродом является металлический цилиндр б

к которому импульс поступает по

кабелю 7. Все устройство находится в металлическом корпусе который для изо-

ляции от высокого напряжения насажен на изолирующий цилиндр Р.

Рис.

11.20.

Устройство коммутатора с короткими газовыми промежутками. 1 - шайбы, 2 -

изолирующее основание, 3 - сопротивление, 4 - накопительный кабель, 5 - передающий

кабель,

- пусковой электрод,

- пусковой кабель,

- корпус,

- изолирующий цилиндр