Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

240 Глава

12. Разрядники низкого давления

Рис. 12.5. Схема двухэлектродного псевдоискрового ключа, управляемого импульсным

тлеющим разрядом. Сложная схема электродов необходима для предотвращения металлиза-

ции изолятора распыленным материалом электродов (1, 2, 3 - анод; 4,5 - катод; б - полый

катод;

- блокирующий электрод; 8,9- управляющие электроды)

промежуток. Напряжение на разряде падает до нескольких сотен вольт. Оно сосредо-

точено в слое толщиной Ю

-4

см и создает

поле

на

катоде Е =

(1-5)-10

В/см [23-25].

Микрорельеф катода

после

функционирования псевдоискр весьма

похож

на рельеф

после воздействия дугового разряда. Величина удельной эрозии, измеренная в [24],

равна ~10~

г/Кл и типична для дугового разряда - (5-8)-10"

г/Кл для молибденового

катода. Учитывая характер поражения катода, можно полагать, что высокая средняя

плотность тока

псевдоискре обеспечивается взрывной эмиссией электронов.

Исследование физических процессов инициирования и развития вакуумного

пробоя, механизм эмиссии в катодном пятне вакуумной дуги и в объемном газо-

вом разряде, рассмотренные выше, позволили установить ряд закономерностей,

Рис.

12.6.

Управляемый псевдоискровой разрядник.

- катод; 2 - анод; 3 - пусковая ультра-

фиолетовая лампа; 4 - стеклянный корпус; 5 - подача газа;

- кварцевое окно

Литература

главе

10 241

доказывающих, что механизм эмиссии в псевдоискре обусловлен взрывной эмис-

сией электронов [26]. Следами эрозии, как и в вакуумном разряде, являются мик-

рократеры, обусловленные отдельными микровзрывами.

Будем исходить из того, что среднюю плотность тока ~10

А/см

в псевдоиск-

ре могут обеспечить ~10

эктонов, каждый из них несет ток -10 А. Плотность

тока в них может достигать 10

А/см

. Возникновение эктонов за время и проис-

ходит при условии

}

\ = сопз*. При начальной плотности тока ~10

А/см

вели-

чина лежит в наносекундном диапазоне. Исследования [10] показали, что для

молибденового катода, кондиционированного в высоком вакууме,

< 10 не при

средней напряженности электрического поля на катоде Е

2-10

В/см. Поле, соз-

даваемое объемным разрядом в начальной стадии формирования псевдоискры,

такого же порядка величины, и, следовательно, есть условия для образования

эктона за К 10 не.

Важно отметить, что возникновение одного или нескольких эктонов не приво-

дит к шунтированию слоя и, значит, напряжение в слое не изменяется. Это создает

условия для возникновения новых эктонов в пределах времени запаздывания. Их

число растет до тех пор, пока суммарный ток не приведет к перераспределению

напряжения между источником и разрядником. Ситуация аналогична формирова-

нию сильноточного объемного разряда в газе, где также было замечено, что катод-

ное пятно появляется при достижении поля в прикатодном слое Е

(1-2)10

В/см.

Дальнейший переход в контрагированную искру зависит от Е!р и для условий

псевдоискры затруднителен из-за малого давления в межэлектродном промежутке

и одновременного возникновения большого количества эктонов.

В работе [24] наблюдали возникновение эктонов на катоде и контрагированную

искру при первых включениях тока. Затем, по мере тренировки разрядами, искры

исчезали и разряд переходил в диффузную стадию. Отсюда авторы пришли к выводу,

что возникает суперэмиссия. Этот эффект объясняется следующим образом [26].

При первых включениях тока с новыми некондиционированными электродами элек-

трическое поле в промежутке составляет Е « 10

В/см

. В этом случае поле на катоде

усиливается многократно, что приводит к автоэлектронной, а затем и взрывной

эмиссии электронов. Разряд развивается с отдельных катодных микроучастков, как

при вакуумном разряде. По мере кондиционирования электрическая прочность по-

вышается, и как только возникает объемная ионизация в межэлектродном промежут-

ке и поле менее чем за

не сосредоточивается в тонком прикатодном слое, создаются

условия для спонтанного возникновения взрывной эмиссии электронов и эктонов по

большой поверхности. Поскольку ток одного эктона, по-видимому, не превышает

А, а плазма в нем на 100% ионизирована и излучает в ультрафиолетовой области

(размер пятна менее 0,1 мм), то на фоне объемного свечения эти катодные пятна не-

заметны. О том, что так называемая суперэмиссия в псевдоискрах является взрывной

эмиссией, говорят результаты исследования эрозии электродов. Она больше в том

месте, где электрическое поле максимально,

т.е.

на внутренней кромке полого катода.

Литература к главе 12

Бугаев

СПМесяц

Г.А.

Искровой обостритель. А. с. 186033 СССР. 1964.

Месяц Г.А.

Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио, 1974.

16. Месяц Г.А.

242

Глава 12. Разрядники низкого давления

Бриги

А.А.,

Дмитриев

А.Б.,

Космарский Л.Н.

и др. Вакуумные искровые реле // ПТЭ.

1958. №5. С. 53-58.

На%егтап

В.С.,

ШШатз А.Н.

НщЬ-Родуег Уасиит 8рагк-Оар // Кеу. 8сь 1пз1гит. 1959.

Уо1. 30. Р.

182.

Ма1кег

ЗЖ,

ШШатз А.Н.

8оте Ргорегйез

оГ

а Огаёеё Уасиит 8рагк Оар // 1Ыё. 1960.

Уо1. 31,

3. Р.

297.

Ш1зоп З.М., Вохтап К.Ь., ТНотрзоп З.Е., ЗидагзНап Т.8.

Вгеакёошп Ите

оГ

а Тп§§егеё

Уасиит апё Ьочу-Ргеззиге

8\УИСЬ

// ШЕЕ

Тгапз.

оп

Е1ес*г. 1пзи1.

1983.

Уо1.

18.

Р.

238-242.

Сливков И.Н.

Процессы при высоком напряжении в вакууме. М.: Энергоатомиздат, 1986.

Коваленко В.П., Макаревич А.А., Родичкин В.А., Тимонин А.М.

Исследование вакуумного

заряда, инициируемого лазерным излучением //

ЖТФ.

1974.

Т.

44, вып. 11. С. 2317-2321.

Макаревич

А.А.,

Родичкин

В.А. Вакуумный разрядник с лазерным поджигом // ПТЭ.

1973. №6. С. 90-91.

10.

МезуаХз С.А.

Сайюёе РЬепошепа т а Уасиит 015сЬаг§е:ТЬе Вгеакёо\уп,

1Ье

8рагк апё

*Ье

Агс. МОЗСОЛУ:

Ыаика, 2000.

11.

ТНотрзоп З.Е.

Тп§§егеё Уасиит ЗдуксЬ Сопз1гис1:юп апё РегГогтапсе // Саз В1зсЬаг§е

С1озт§ 8\У11сЬез / Её. Ьу О. 8сЬаеГег, М. Клзйапзеп, апё А.

Оиеп1Ьег. Ы.У.:

Р1епит ргезз,

1990. Р. 271-285.

12. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том: В 4 т. Т. 4 / Под ред.

В.Е. Форгова. М.: Наука, 2000.

13.

Кого1еу Уи.В.,

Ргапк К. 01зсЬаг§е Рогтайоп Ргосеззез апё 01О\У-1О-АГС ТгапзШоп т

Рзеиёозрагк

8дуксЬ

// ШЕЕ

Тгапз.

Р1азта За. 1999.

Уо1.

27, N 5.

Р.

1525-1537.

14.

Сгеейоп 3.

Эезщп Рппс1р1ез апё Орегайоп СЬагас1епз1юз

оГ

ТЬугайопз // Оаз В1зсЬаг§е

С1озт§ 8\уксЬе5 / Её. Ьу О. 8сЬаеГег, М. Кпзйапзеп, апё

А.

ОиепШег. Ы.У: Р1епит ргезз,

1990.

Р.

379-407.

15.

РепеР-апХе В.М., КипИагЖ Е.Е.

Рипёатеп1а1 Ыткайопз

оГ

Нуёго§еп ТЬугайоп В1зсЬаг§ез //

1Ыё. Р.

451-472.

16.

Абрамович

Л.Ю., Клярфельд Б.Н., Настич Ю.Н. Сверхплотный тлеющий разряд с

полым катодом //

ЖТФ.

1966.

Т.

36, вып. 4. С. 714-719.

17. Лобов СИ,

Цукерман

В.А.,

Эйг Л.С.

Управляемый разрядник низкого давления // ПТЭ.

1960.

№1. С. 89.

18.

СНпзИапзеп

ЗсНиШегзз

С. Ргоёисйоп

оГ

Ш§Ь Сиггеп! РаЛю1е Веаш Ьу ЬО\У Ргеззиге

8рагк В1зсЬаг§ез //

2*зсЬг. РЬуз. А.

1979. Вё. 290. 8. 30.

19.

МесЫегзНетег

С.,

КоЫег

К., Ьаззег

Т.,

Меуег

К.

Ш§Ь Кере1Шоп Яа1е Раз! СиггеШ; Клзе

Рзеиёо-8рагк 8^ИсЬ //1. РЬуз. Е. 1986.

Уо1.

19.

Р.

466.

20.

Кггктап

С.Е,

Сипдегзеп

М.А. Ьо\у Ргеззиге,

ЪщЫ

1пШа1её, 01о\у В1зсЬаг§е 8чуксЬ Гог

Ш§Ь

Ро^ег

АррИсаНопз

//Арр1. РЬуз. Ье«. 1986.

Уо1.

49.

Р.

494.

21.

ВосИкоу

КВ.,

Вуа%Иеч

КМ,

ХЗзЫсН

КС. е! а1. 8еа1её-ойГ Рзеиёозрагк 8^йсЬез Гог Ри1зеё

Ро\уег АррНсаНопз (Сиггеп! 81аШз

апё Ргозресй) //

ШЕЕ Тгапз.

Р1азша 8сь 2001.

Уо1. 29,

N 5.

Р.

802-808.

22. РЬузюз апё АррНсайопз

оГ

Рзеиёозрагкз / Её. Ьу М.А. Сипёегзеп апё С. ЗсЬаеГег. МУ:

Р1епит ргезз, 1989.

23.

СНпзИапзеп 3.

ТЬе Ргорегйез

оГ 1Ье

Рзеиёозрагк 015сЬаг§е // РЬузюз апё АррНсайопз о$

Рзеиёозрагкз. И.У, 1989.

Р.

1-13.

24.

Кггктап-Атетуа

С., Пои

К.Ь.,

Нзи

Т.Н., Сипдегзеп М.А.

Ап

Апа1уз1з оГ 1Ье

Ш§Ь-Сиггеп1

01ОАУ

01зсЬаг§е ОрегаНоп

оГ*Ье

ВЬТ 8^ксЬ //

1Ыё. Р.

155-165.

25.

НаПтап

Ж, Сипдегзеп М.А. Сайюёе-Ке1а1её Ргосеззез т Ш§Ь-Сиггеп1; Бепзйу, ЬО\У

Ргеззиге

01ОАУ

01зсЬаг§е //

1Ыё. Р.

77-88.

26.

Мезуа(з С.А., РисНкагеу

КЕ Оп МесЬатзт оГЕгшззюп т Рзеиёозрагкз // Ргос. XV 1п1егп.

8утр.

оп 01зсЬа1вез апё

Е1ес*пса11пзи1а1юп т Уасиит

(18ЭЕ1У).

БалпзЫ!,

1992. Р.

488-489.

Глава 13

РАЗРЯДНИКИ С ПРОБОЕМ ТВЕРДОГО

И ЖИДКОГО ДИЭЛЕКТРИКОВ

§ 13.1 Разрядники с пробоем в твердом диэлектрике

В мощных импульсных генераторах с высокой скоростью роста разрядного тока

(до 10

А/с и более) часто применяются коммутаторы с разрядом в твердом диэлект-

рике, имеющие ряд достоинств. Благодаря высокой электрической прочности твер-

дых диэлектриков (майлар, полиэтилен, полипропилен и др.) разрядный промежуток

может быть очень коротким, и индуктивность и активное сопротивление разрядника

весьма малыми, что позволяет получать импульсы тока и напряжения с очень кру-

тым фронтом при коммутируемых токах в миллионы ампер. Время запаздывания

пробоя твердых диэлектриков с ростом перенапряжения быстро уменьшается и при

перенапряжении в полтора и более раз составляет единицы наносекунд [1].

Первые твердотельные разрядники с механическим запуском (прокол диэлек-

трика острым металлическим пробойником) для получения микросекундных им-

пульсов тока с амплитудой до 10

А были разработаны Комельковым и Арето-

вым [2]. На возможность использования твердотельных разрядников в генераторах

мощных наносекундных импульсов обратил внимание Месяц [1], когда при анали-

зе пробоя кристаллов

КаС1

и фторопласта он получил время коммутации

-9

с.

Чаще всего твердотельные разрядники применяются в генераторах с полосковы-

ми линиями передачи, в которых используется в качестве диэлектрика набор тонких

диэлектрических листов. В этом случае не требуется проходных изоляторов, отсут-

ствует неоднородность в стыках линии с коммутатором, появляется возможность

параллельного зажигания многих каналов, что позволяет получать предельно низкие

индуктивность и активное сопротивление коммутатора. Напряженность электриче-

ского поля, при которой наступает пробой диэлектрика Е

, составляет обычно не-

сколько МВ/см, причем она растет с уменьшением толщины диэлектрика. Например,

в тонких пленках майлара (5-Ю

-4

см) достигнута величина статической пробивной

напряженности Е

« 8 МВ/см. Поэтому твердотельные разрядники, как и полос-

ковые линии, делают из набора диэлектрических пленок, пропитанных жидким

16*

244

Глава 13. Разрядники

пробоем твердого и жидкого диэлектриков

диэлектриком. Но величина Е

зависит не только от толщины пленки, но и ее пло-

щади, на которую накладывается электрод. Поэтому можно говорить о зависимости

от объема V диэлектрика, к которому приложено поле. Мартин [3] рекомендует

эмпирическую формулу:

то

=К,

(13.1)

где электрическое поле Е

в МВ/см, а объем

см

. Величина К для тефлона и

полиэтилена равна 2,5; для полипропилена - 2,9; для люсита - 3,3, а для тонкого

майлара - 3,6.

Твердотельные разрядники могут работать на принципе самопробоя или путем

управления внешним воздействием. Самопробой можно осуществлять, разрушая

диэлектрик, расположенный между электродами разрядника. В простейшем случае

для разрушения изоляции и замыкания электродов применяют электродинамичес-

кий молоток, приводимый в движение импульсным магнитным полем [4]. Такой

разрядник имеет весьма малое активное сопротивление (-10"

Ом), определяемое

сопротивлением металлического стерженька, замыкающего электроды. Однако

время срабатывания разрядников составляет в лучшем случае десятки микросе-

кунд, что существенно ограничивает область их применения.

Другой случай самопробоя - это пробой под действием импульсного напряже-

ния, когда оно значительно превышает статическое пробивное. Однако в этом слу-

чае время запуска разрядника будет весьма нестабильным, так как пробой проис-

ходит в местах различных неоднородностей и включений, всегда присутствующих

в промышленных диэлектриках. Для устранения статистического влияния этих

включений предложено [3] стабилизировать пробивное напряжение созданием в

диэлектрике искусственных неоднородностей. Эти неоднородности могут быть

созданы различными способами, например, вдавливанием в поверхность диэлект-

рика маленьких металлических конусов или тонких проволочек. В таком разрядни-

ке с помощью нагретых тонких иголочек, вдавливаемых в диэлектрик, создавались

глухие каналы, по которым развивался разряд.

Один такой канал способен пропускать ограниченный ток, а нестабильность

пробивного напряжения по одному каналу составляет

-6%.

В связи с этим

диэлект-

рике делалось большое количество каналов - не менее 30. Нестабильность пробив-

ного напряжения в этом случае не превышала -2%. Увеличение числа каналов также

существенно уменьшает индуктивность разрядного контура и позволяет значительно

увеличить крутизну фронта формируемого импульса. Одновременность образования

большого числа каналов зависит от крутизны фронта прикладываемого к разряднику

импульса напряжения. Было обнаружено, что при подаче на диэлектрик импульса

напряжения с нарастанием сШ/Ж < 10

В/с образовывался только один канал. Для

одновременного пробоя всех каналов на диэлектрик необходимо подавать импульсы

с крутизной фронта

сОЛЖ >

В/с. При этом образование всех каналов происходит

за время ~10~

с. На

рис. 1

показана зависимость пробивного напряжения полиэтиле-

новой пластины толщиной 1,6 мм от отношения

Ыа,

где

- толщина непроколотой

части диэлектрика; а - толщина диэлектрика [5]. При этом использовались импульсы

длительностью 10 и 500 не, а также постоянное напряжение. Кроме того, менялась

полярность металлического конуса

диэлектрике.

13.1 Разрядники

пробоем

твердом диэлектрике

245

Ыа

Рис.

13.1.

Пробивное напряжение полиэтиленового листа толщиной 1,6 мм в зависимости от

относительной глубины конуса в диэлектрике

Ь/а. 1

- 500 не, 2 - 10 не,

- 500 не, 4 - посто-

янное напряжение

Для управления твердотельным разрядником используют различные мето-

ды. Простейшим из них является управление по принципу трехэлектродного

разрядника, когда металлическая пластина встраивается между двумя листами

диэлектрика, зажатыми между катодом и анодом. При подаче пускового им-

пульса пробивается диэлектрик между пусковым и одним из основных элект-

родов, а затем из-за перенапряжения пробивается второй диэлектрик. Исполь-

зуются также разрядники, в которых диэлектрик разрушают при помощи взры-

ва небольшого заряда взрывчатого вещества, либо взрывающейся проволочки

[6] и фольги [7]. При использовании взрывающейся проволочки пробой проис-

ходит по трещинам в диэлектрике, образовавшимся под действием ударной

волны. Разрядники с использованием взрывчатого вещества имеют несколько

меньшее сопротивление, так как замыкание электродов производится струей

металла, образующейся при взрыве. Время срабатывания «взрывных» коммута-

торов составляет единицы микросекунд. В работе [8] описан разрядник, в кото-

ром для разрушения диэлектрика используется газокинетическое и магнитное

давление искры, образующейся между расположенными внутри разрядника

двумя вспомогательными фольгами, разделенными диэлектриком с отверстием,

в котором происходит инициирующий разряд. Для поджига такого разрядника

используются мощные батареи конденсаторов, а ток поджига составляет сотни

килоампер. Обстоятельный обзор твердотельных разрядников дан в моногра-

фии Витковицкого [5].

246 Глава

13. Разрядники

пробоем твердого и жидкого диэлектриков

§ 13.2 Разрядники с пробоем по поверхности

твердого диэлектрика

Физические основы работы поверхностных разрядников в газе рассмотрены

нами выше (см. § 6.6). Они состоят в том, что в области контакта катода с диэлект-

риком имеются тройные точки (ТТ) (металл-диэлектрик-газ). Даже единичный

электрон, появившийся в такой точке, попадая на поверхность диэлектрика, приво-

дит к возникновению плазмы разряда по поверхности. В зависимости от электри-

ческого поля на поверхности металлического острия в ТТ возможны три случая

развития разряда. Во-первых, если поле так велико (~10

В/см), что за счет авто-

электронной эмиссии происходит джоулев разогрев и взрыв острия в ТТ, то появ-

ляется катодное пятно, начинается распространение плазмы по диэлектрику и воз-

никает разряд. Большое электрическое поле на острие обеспечивается высокой

крутизной фронта

с11Лс11

или большой величиной диэлектрической проницаемо-

сти. Во-вторых, если поле в ТТ не слишком велико (5 10

В/см), то за время дли-

тельности импульса появляется достаточно электронов, вызывающих поверхност-

ный разряд. Движущаяся плазма приводит к возникновению тока смещения, кото-

рый проходит через металлическое острие в ТТ, разогревает его джоулевым теплом

и взрывает. При этом появляется катодное пятно, а также катодная плазма, которая

ускоряет процесс поверхностного разряда. Наконец, третий случай имеет место, в

частности, при статическом пробое, когда единичные электроны в ТТ попадают на

катод, вызывают лавину вторично-эмиссионных электронов, заряжают диэлектрик

положительным зарядом и ионизируют газ в области поверхности диэлектрика. В

этом случае катодное пятно может появиться при взаимодействии разрядной плаз-

мы с поверхностью катода или после перемыкания плазмой промежутка. Во вто-

ром и третьем случаях на поверхности диэлектрика развивается коронный разряд.

Физика поверхностного разряда в газе в наносекундном диапазоне исследована

в [9]. Скорость роста напряжения составляла > 10

В/с при времени задержки

пробоя ~10~

с. Первые газовые поверхностные одноканальные разрядники для

постоянного напряжения разработал Лумс [10]. Импульсные многоканальные раз-

рядники разработали Дашук и его группа [11, 12]. Дальнейшее развитие эти разра-

ботки получили в работах [13-15].

Самое важное свойство такого разрядника в том, что он может обеспечить мно-

гоканальную коммутацию, а поэтому иметь малые Ь и К искры в процессе ком-

мутации. Это объясняется тем, что при ленточных катоде и аноде на катоде имеет-

ся много эффективных тройных точек. Из этих точек при скорости роста

напряжения

сШШ1

> 10

В/с начинается много поверхностных разрядов. Время

прорастания канала разряда и замыкания промежутка (I катод-анод составляет

(Ну, где V - скорость движения плазмы по диэлектрику, которая растет с ростом

сИЛЖ.

Эта величина должна быть достаточно большой, чтобы одновременно воз-

никло много разрядов в ТТ катоде. Регулируя длину

и <Я7/<#, можно достичь

того, что практически одновременно появится N каналов.

Поверхностные разрядники работают как в режиме самозапуска, т.е. при им-

пульсном воздействии на коммутатор, так и в режиме пуска от внешнего импуль-

са. Схема разрядника, работающего в режиме самозапуска, показана на рис. 2.

13.2 Разрядники

пробоем по поверхности твердого диэлектрика

247

Сх:

Рис.

13.2.

Расположение электродов и диэлектрика в неуправляемом поверхностном разряд-

нике. А и К - электроды, П - подложка, Д - диэлектрик, С\ - удельная объемная емкость,

Сг

- поверхностная емкость диэлектрика

Диэлектрик в процессе разряда ведет себя как цепочка объемных и поверхностных

удельных емкостей С\ и С

. Соотношение этих емкостей С\ и С

определяет ско-

рость развития разряда [9]. На рис. 3 показаны различные схемы запуска поверх-

ностного разрядника. На верхнем рисунке (рис. 3, а) разрядник работает на само-

запуске, а на нижних - от триггерного импульса [15]. На рис. 3, б пусковой элект-

род накладывается на поверхность диэлектрика, на рис. 3, в он встроен внутрь

диэлектрика, а на рис. 3, г располагается на некотором расстоянии от поверхности.

На рис. 4 [15] показана картина многоканального управляемого разряда при раз-

личных напряжениях между катодом и анодом для случая встроенного пускового

электрода (рис. 3, в).

Такие разрядники коммутируют токи в несколько мегаампер, с напряжением

до 100 кВ, временем задержки срабатывания « 10

-ь10"

с, при стабильности

А/

< 10~

-И0~

с. Они могут работать в импульсно-периодическом режиме при час-

тотах следования импульсов 10

-И0

Гц, при токах 10 кА и напряжении до 30 кВ,

при скорости прокачки газа > 10

см/с. В качестве диэлектрика используются кера-

мика, плексиглас, полиэтилен и т.д. Давление газа (воздуха, азота, смеси азота и

(в)

(г)

Рис.

13.3.

Типичные геометрии управляемых поверхностных разрядников. 1 и 2 - электро-

ды,

- пусковой электрод,

- диэлектрик,

- ленточные проводники

248

Глава 13. Разрядники

пробоем твердого и жидкого диэлектриков

(а)

(б)

(с)

Рис. 13.4. Фотографии поверхностного разряда, демонстрирующие многоканальный харак-

тер разряда: а-в - пусковое напряжение 10, 20 и 30 кВ соответственно. Зарядное напряже-

ние 30 кВ. Длина разрядного промежутка

мм

элегаза и т.д.) колеблется в пределах 10-^760 мм рт. ст. При токах -10 кА такие раз-

рядники выдерживают 10

включений, а при 10

А - порядка 10

-И0

включений,

из-за покрытия поверхности диэлектрика пленкой металла электродов. Количество

каналов на 1 метр в подобных коммутаторах иногда превышает 100. Такие разряд-

ники используются в системах накачки газовых лазеров, в ускорителях заряжен-

ных частиц в качестве обострителей фронта импульсов большого тока и т.д. В им-

пульсных газовых лазерах они используются также в качестве источников ультра-

фиолетового излучения для предыонизации газа. Обзор работ по созданию таких

разрядников дан Бергманом [15].

§ 13.3 Жидкостные коммутаторы

В импульсных генераторах с жидкостными накопительными и передающими

линиями в качестве коммутаторов часто используют жидкостные разрядники. Из-

за высокой импульсной электрической прочности жидких диэлектриков длина

промежутка между катодом и анодом выбирается малой, и соответственно малы

индуктивность канала разряда и время коммутации. Кроме того, замена традици-

онных газоразрядных коммутаторов на жидкостные позволяет упростить конст-

рукцию генератора, так как при этом нет необходимости в использовании проход-

ных изоляторов между газом коммутатора и жидким диэлектриком линии. С дру-

гой стороны, такие коммутаторы имеют ряд недостатков. Во-первых, жидкость

разлагается при электрических разрядах и загрязняется, поэтому при большом

числе импульсов требуется очистка жидкости. Во-вторых, при мощных разрядах в

жидкости возникают ударные волны, для чего внутри линии требуются достаточно

прочные механические узлы, чтобы не было поломок.

Разряд в трансформаторном масле для получения коротких волн использовался

еще в работах Герца. Описание других ранних работ в этом направлении дано в

монографии Биндера [16]. В [17] показано, что водяной разрядник можно исполь-

1Ш

\ шин

§13.3

Жидкостные коммутаторы

249

зовать для получения времени коммутации в несколько наносекунд. Возможность

работы жидких разрядников в многоканальном режиме является очень важным их

свойством.

Многоканальные водяные разрядники работают в двух режимах: самопробоя и

в управляемом. Левин и Витковицкий [18] показали, что в воде при напряжении

250 кВ можно зажигать в режиме самопробоя до трех каналов с разбросом времени

10~

с. Для этого на катоде делали выступы для локального увеличения электриче-

ского поля. Авторы [19] с использованием генератора «ОашЫе II» изучали влияние

на эффективность многоискровой работы времени зарядки накопителя, степени

усиления поля на положительном электроде и расстояния между соседними искро-

выми каналами. Использовались импульсы напряжения с амплитудой 4 МВ и бо-

лее и временем нарастания до максимума 100 и 600 не, которые прикладывались к

электродам длиной 30 мм и диаметром 7,6 см. Степень усиления электрического

поля регулировалась путем помещения на электрод стержней различного диамет-

ра. В экспериментах с одноканальным пробоем при длительности фронта зарядно-

го импульса напряжения /ф « 100 не было установлено, что при коэффициенте

усиления поля $

= 1-ь2,4 и напряжении 6,8 МВ среднеквадратичный разброс вре-

мени срабатывания составляет 10 не. При (3/г = 10 он уменьшается до 6 не, а при

ря

= 28 - до 3 не. Успешная многоканальная работа в этом эксперименте наблюда-

лась при

/ф

= 100 не и

ря

= 10-4-28. С увеличением фронта импульса до 600 не мно-

гоканальная работа существенно ухудшалась. Например, два канала наблюдались в

пяти случаях из двадцати. Таким образом, многоканальная работа в режиме само-

запуска возможна при < 100 не.

В генераторе «Тритон» [20] многоканальную коммутацию удалось осуществить

также при быстрой зарядке линии (/ф = 130 не). Шесть разрядников были располо-

жены равномерно по периферии внешнего электрода накопительной линии Блюм-

ляйна. В пределах 5 не включалось более трех разрядников с вероятностью 90%.

При напряжении 5-10

В, токе 2,2-10

А время коммутации составило 15 не.

В [21] описаны исследования многоканальной коммутации при напряжениях до

3 МВ. Для исследования использовался генератор с полосковыми линиями и раз-

рядниками с протяженной острой кромкой 1,12 м, равной ширине полосковых ли-

ний. Генератор состоял из трех полосковых линий и двух последовательных водя-

ных разрядников. Первая полосковая линия заряжалась от генератора Маркса за

время (2-5-5) 10~

с. При этом функционировало в среднем пять каналов. После сра-

батывания этого разрядника вторая линия заряжалась за время 610~

с. Благодаря

этому напряженность поля во втором разряднике достигала 1,6 МВ/см, и разряд в

нем происходил в среднем по двадцати каналам. Разброс в срабатывании первого

разрядника составлял -10 не при /

= 2,6-10"

с и возрастал до -20 не при /

= 5-10

-7

с. Второй разрядник имел разброс 3 не. Выходной импульс имел амплиту-

ду напряжения 1,510

В, ток 7,5-Ю

А, фронт /

= 3 не при длительности импульса

1,3-10

-9

с. Таким образом, для обеспечения устойчивой многоканальной коммута-

ции необходимо иметь время зарядки накопителя не более 100^200 не, а электроды

разрядника должны иметь специальные неоднородности на поверхности в виде

выступов или протяженных лезвий.

При больших временах зарядки накопителей (> 0,5 мкс) используют управ-

ляемые жидкостные коммутаторы. Для управления применяют трехэлектродные