Іскрові газові розрядники високого тиску
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Одним з основних елементів потужних імпульсних генераторів є комутуючі пристрої, що дозволяють в потрібний момент часу підключити окремі компоненти цих генераторів до загальної схеми. Ці пристрої повинні витримувати високу напругу (понад
100 кВ), швидко включатися (за
одиниці нс), і пропускати імпульсні струми високої амплітудою (не менше 10 кА). В даний час єдиними пристроями, що відповідають всім цим вимогам, є іскрові газові розрядники високого тиску.
Статичний пробою в газі
Коротко розглянемо, що означає «високий тиск» по відношенню до разрядникам, використовуваним в потужної імпульсної техніки.
З курсу фізики газового розряду відомо, що статичний пробою газового проміжку довжиною d відбувається при напрузі
де s - перетин пружних зіткнень електрона з молекулами (або атомами) газу, k - постійна Больцмана, Т - температура газу в Кельвіна, Ui - потенціал іонізації молекул (або атомів) газу, Р - тиск газу, g - коефіцієнт вторинної емісії електронів з катода. Співвідношення (6) являє собою «закон подібності», тому що напруга UC залежить тільки від добутку незалежних змінних Р і d.
Уравененіе (6) описує криву з мінімумом, яка називається «крива Пашена».
Мал. 3. Крива Пашена (чорним) і співвідношення (7) (червоним) для сухого повітря.
Значення (Pd) КР, при яких крива Пашена має мінімум, і відповідні мінімальні значення пробивної напруги для деяких газів наведені в таблиці:
Іскрові газові розрядники високого тиску - це розрядники, що працюють на правій гілці кривої Пашена при Pd ≥ 1 ата * см >> (Pd) КР. Права гілка кривої Пашена при таких тисках апроксимується рівнянням (для повітря)
см. червону криву на рис. 3. Підкреслимо, що в (7) тиск Р вимірюється не в відносних, а в абсолютних атмосферах (ата).
Крива Пашена (і співвідношення (7)) справедливі для рівномірного розподілу електричного поля в проміжку d. На практиці поле в проміжку рідко буває однорідним, тому співвідношення (7) слід розглядати лише як загальну тенденцію. Неоднорідність поля зменшує пробивну напругу, що можна врахувати деяким геометричним фактором, що перевищує одиницю, на який слід поділити праву частину (7). Важливо, однак, що і в цьому випадку виконується закон подібності, так що напруга пробою в газі при будь-якої геометрії електродів при Pd >> (Pd) КР визначається твором довжини проміжку d на тиск газу P.
Імпульсний пробою в газі
Критерій (7) дає необхідна умова для статичного пробою газового проміжку, але не пояснює, як цей пробій розвивається в часі. З фізики газового розряду відомо, що для пробою газового проміжку необхідно, щоб в електричному полі на довжині вільного пробігу електрон придбав енергію понад енергії ударної іонізації атомів (або молекул) даного газу. Після виникнення ударної іонізації процес набуває лавиноподібного характеру, коли при кожному акті іонізації число вільних електронів подвоюється. Такі електронні лавини виникають по всьому проміжку, і потім виникає т.зв. стример - вузький канал, заповнений слабо-іонізованої плазмою, пронизливий весь проміжок від катода до анода. Далі основний струм розряду перемикається в тіло цього стримера, воно нагрівається, розширюється, його опір в кінцевому підсумку падає, що і означає «пробою» газового проміжку. Для статичного пробою всі ці процеси не становлять інтересу, проте набувають вирішального значення для роботи іскрових розрядників в імпульсних генераторах.
Якщо час дії напруги на проміжок зменшується до менш, ніж
1 мкс, то пробивна напруга цього проміжку збільшується в порівнянні з (7). У цьому випадку говорять про «імпульсному пробої» газу. Збільшення імпульсного пробивної напруги в порівнянні зі статичним (7) відбувається тому, що електричний пробій є, взагалі кажучи, імовірнісним процесом, при якому не можна в точності передбачити, при якій напрузі (або напруженості поля) відбудеться пробій в тих чи інших умовах, а можна обчислити тільки ймовірність цієї події. Для імпульсного пробою газу необхідно (див. Рис. 4), по-перше, щоб напруга перевищило статичну пробивна напруга UC (на це йде час t0), по-друге, щоб в проміжку з'явилися вільні електрони і утворився стример (на це йде час tЗ), по-третє, щоб з цього стримера сформувався низькоомним іскровий канал, закорачивается міжелектродний проміжок (на це йде час tK - час комутації).
Мал. 4. Тимчасові інтервали різних стадій при розвитку імпульсного пробою в газі.
Ймовірність утворення стримера відмінна від нуля тільки при U (t)> UC, де UС - статичну електрику самопробоя, яке визначається співвідношенням (7). Ця ймовірність має падати зі зменшенням часу спостереження tЗ, але рости з підвищенням напруги на проміжку U (t). Тому можна очікувати, що ймовірність імпульсного пробою повинна залишатися приблизно постійної при постійній величині твору U (t) tЗ.
Тривалість (t0 + tЗ) в значній мірі визначається характеристиками імпульсу напруги U (t), в той час як час комутації tK визначається властивостями самого розрядника. «Ідеальний» розрядник - це такий, у якого опір падає від нескінченності до нуля за час tK = 0. У реального розрядника опір падає (чи не від нескінченності і не до нуля) за цілком певний час tK, яке залежить в тому числі від конструкції розрядника .
Опір іскрового каналу
Після того, як стример перетнув міжелектродний проміжок, що утворився іскровий канал (або просто «іскра») має деяку малу, але кінцеву провідність, так що протікання струму по цьому каналу призводить до виділення в ньому теплової енергії. Ця енергія витрачається на нагрів плазми в іскрі, збудження залишкового газу, випромінювання і т.д. Існуючі теоретичні моделі іскри (Ромпей-Вейцель, Теплера, Брагінського) в різному ступені враховують ці процеси і тому по-різному описують еволюцію опору іскри в часі. Проте, всі вони дають залежність опору іскри у вигляді
де d - довжина газового проміжку, С0 - параметр, який визначається опором іскри в початковий момент часу t = 0, за який прийнятий момент замикання стримером межелектродного зазору; k, g і d - параметри, які визначаються моделлю іскри.
З (8) випливає, що швидкість падіння опору R (t) визначається швидкістю наростання інтеграла
Час комутації іскрового проміжку
За искровому проміжку з опором R (t) протікає струм i (t), і тому на ньому виділяється напруга R (t) i (t), яке падає з плином часу t. Час падіння цього напруги визначає час комутації tK, і тому час tK визначається падінням опору R (t). Для визначення цієї залежності розглянемо схему на рис. 3, в якій джерело постійної напруги з амплітудою UB в момент t = 0 включається ідеальним разрядником на активне навантаження RН через змінний опір R (t), що імітує іскровий проміжок. Будемо вважати, що величина опору R (t) визначається співвідношенням (7).
Мал. 5. Джерело постійної напруги UВ. включений на навантаження RH через газовий проміжок, опір якого R (t) змінюється в часі згідно (8).
Рівняння ланцюга цієї схеми при t> 0 має вигляд
.
Відлік часу t = 0 ведеться з моменту замикання стримером іскрового проміжку, коли його опір R (0) ще дуже велике, так що при будь-якому кінцевому RH виконується: R (0) >> RH. Тоді при 0 £ t £ tK. де tK - характерний час, за яке опір R (t) падає від R (0) >> RH до R (tK)
RH, в рівнянні ланцюга можна знехтувати опором RH в порівнянні з R (t).
В імпульсній техніці використовуються два типи іскрових газових розрядників - некеровані і керовані. Некеровані розрядники - це розрядники, в яких пробою ініціюється і розвивається під впливом самого напруги UB. яке наростає до величини UB> UC, де UC - статичне пробивна напруга, яке визначається законом подібності (4). Поклавши UB = UC + DU, запишемо tK у вигляді
З (9) випливає, що в некерованих розрядниках:
(1) - час tK падає при зменшенні довжини зазору d і пропорційному збільшенні тиску P. При цьому твір (Pd) не змінюється, тому UC і разом з ним робоча напруга розрядника зберігаються, і зменшується тільки час комутації - розрядник починає спрацьовувати швидше.
(2) - час tK падає з ростом перенапруги DU при інших рівних умовах. Але з упущені (10)
,
випливає, що необхідне для пробою розрядника перенапруження DU зростає з ростом швидкості наростання робочої напруги. Отже, час комутації некерованих розрядників падає з ростом швидкості наростання робочої напруги (див. Рис.6).
Керовані розрядники - це розрядники, що не пробиваються під впливом робочої напруги UB. для ініціювання пробою керованих розрядників потрібне зовнішнє пусковий імпульс. Цей пусковий імпульс може бути електричним або, наприклад, лазерним, його завдання полягає в тому, щоб створити початковий стример, в тілі якого розвивається пробою іскрового проміжку під дією робочого імпульсу напруги UB. У керованих розрядниках UB Схожі статті