вакуумный разрядник

Формула изобретения

1. ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК, содержащий герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными друг против друга, причем катод покрыт активирующим веществом из металла или сплава, отличающийся тем, что в кристаллическую решетку упомянутого металла или сплава введен водород в количестве не менее 0,1 ат/ат.

2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что в качестве упомянутого металла или сплава использованы Ti и/или Pd.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вакуумным электрическим разрядникам, и может быть использовано для коммутации больших импульсных токов.

В настоящее время для многих целей требуются электрические разрядники, способные за короткое время пропустить большой, порядка нескольких кулонов, заряд и при этом иметь достаточный ресурс долговечности при сохранении электрических характеристик. Кроме того, напряжение на выводах разрядника при зажигании разряда должно значительно снижаться для защиты оборудования от перенапряжения.

Замыкание тока на катоде происходит через катодные пятна, поведение которых при указанных условиях сильно затрудняет получение требуемых параметров. При скоростях нарастания тока порядка 10⁹-10¹¹ А/с катодные пятна, образующиеся на чистых металлах, например на Сu, двигаются по поверхности катода гораздо медленнее, чем это необходимо для равномерного стравливания поверхности, в результате чего образуются макродефекты, выводящие разрядник из строя. Кроме того, при указанных скоростях нарастания тока напряжение на дуге увеличивается до нескольких киловольт и более, что значительно превышает обычное напряжение порядка 100 В. Для того, чтобы уменьшить эти отрицательные эффекты, катоды покрывают активирующими веществами, которые призваны увеличивать скорость движения пятен по катоду, более равномерно распределять их по поверхности, уменьшать эрозию и катодное падение напряжения.

Известны разрядники [1-3] содержащие герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными напротив друг друга, причем по крайней мере один из электродов покрыт активирующим веществом. В качестве активирующего вещества используются смеси из щелочных и щелочноземельных металлов с малыми добавками других элементов. Добавками служат, например, боросиликатное стекло [1] сплав Ba c Al, а также W и (или) Mo [2]

Наиболее близким к предлагаемому является вакуумный разрядник [2] содержащий герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными напротив друг друга, причем по крайней мере один из электродов покрыт активизирующим веществом. В качестве активирующего вещества используется сплав бария с алюминием с добавлением вольфрама и/или молибдена.

Однако указанные разрядники осуществляют разряд, в недостаточной степени равномерно распределенный по электроду, что приводит к значительной эрозии, поэтому они имеют недостаточный ресурс долговечности при больших пропускаемых зарядах.

В основу изобретения положена задача разработать разрядник, который позволил бы увеличить ресурс долговечности при больших пропускаемых зарядах.

Решение указанной задачи достигается тем, что в вакуумном разряднике, содержащем герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными напротив друг друга, причем по крайней мере один из электродов покрыт активирующим веществом из металла или сплава, согласно изобретению в кристаллическую решетку упомянутого металла или сплава введен водород не менее 0,1 ат/ат.

Указанная задача решается, если в качестве металла или сплава использованы Ti и/или Pd.

Установлено, что в изобретении при возникновении пятна на катоде, покрытом слоем металла или сплава, наполненного водородом, водород выходит из металла под пятном, ионизуется и участвует в токопереносе, составляя существенную часть от общей эрозии и уменьшая тем самым эрозию самого металла. Чем выше коэффициент наполнения решетки металла водородом, тем меньше эрозия металла при фиксированном пропущенном заряде, поэтому следует выбирать металлы, допускающие большие коэффициенты наполнения. Слабо наполненные металлы эрозию катода сколько-нибудь заметно не уменьшают. Эффект уменьшения эрозии металла при увеличении степени наполнения (атомного соотношения) не носит порогового характера, однако при использовании атомного соотношения меньшем, чем 0,1 ат/ат, эрозия катода практически не уменьшается. Обнаружено, кроме того, что газоотделение из электрода способствует уменьшению тока на пятно и увеличению скорости перемещения пятен. Это приводит к более равномерному распределению тока по поверхности катода и меньшему повреждению последнего. Установлено также, что катодное падение напряжения в газонаполненном металле при больших скоростях нарастания тока существенно меньше, чем на чистом металле, что дает возможность снижать напряжение на выводах разрядника при разряде. Таким образом, установлено, что наполнение металла водородом уменьшает ток на пятно, увеличивает скорость перемещения пятен по катоду и тем самым уменьшает эрозию катода, делает ее равномерной по катоду и, в конечном счете, увеличивает ресурс долговечности разрядника.

В качестве металла, наполненного водородом, наиболее целесообразно выбирать Ti и/или Pd, так как они относятся к металлам, допускающим наибольшую по сравнению с другими степень наполнения.

Покажем, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию изобретения "изобретательский уровень". Металлы с большим коэффициентом наполнения водородом известны и находят применение в технике. В частности, известно применение гидрида титана в качестве поджигающего электрода в управляемом вакуумном разряднике. В этом разряднике поджигающий газонаполненный электрод соединен с положительным полюсом источника поджигающего напряжения, при подаче поджигающего импульса разогревается и за счет этого выделяют водород, что способствует надежности поджига основного разряда и стабилизации времени его задержки. В изобретении металл, наполненный водородом, используется в качестве активирующего слоя на электроде, соединенном с отрицательным полюсом источника питания (на катоде). Катодные пятна, возникающие на катоде в процессе разряда, приводят к эрозии катода и определяют ресурс долговечности разрядника. Обнаружено, что использование активирующего слоя на катоде на основе металла или сплава, кристаллическая решетка которого наполнена водородом, приводит к тому, что ток, приходящийся на одно пятно, уменьшается, скорость движения пятен по катоду увеличивается, в результате чего эрозия катода уменьшается и ресурс долговечности разрядника растет.

На чертеже представлен вакуумный разрядник.

Он содержит герметичный корпус 1, изготовленный из керамики. В корпусе размещены два электрода: анод 2 и катод 3 с внешними выводами 4 и 5 соответственно. На поверхности электрода 3 (катода) имеется слой 6 из титана, наполненного водородом.

Разрядник работает следующим образом.

При превышении напряжением на внешних выводах 4 и 5 величины пробойного напряжения промежуток между анодом 2 и катодом 3 пробивается и на поверхности катода образуются катодные пятна 7 со струями плазмы, летящими в сторону анода и замыкающими ток. Водород, заполняющий титан, из областей, расположенных под пятнами, выходит в разрядный промежуток, ионизуется и вместе с ионами титана образует струи плазмы, замыкающие ток. При этом скорости движения пятен по поверхности катода и величина тока, приходящаяся на одно пятно (а значит, количество пятен при заданном токе) таковы, что на временах порядка микросекунды поверхность катода как бы равномерно покрыта пятнами. Выделившийся при разряде водород частично перепоглощается катодом.

Пример конкретного исполнения. Был изготовлен макет вакуумного разрядника, состоящий из герметичного корпуса из алундовой керамики диаметром 45 мм и длиной 65 мм и двух электродов диаметром 20 мм с межэлектродным расстоянием 8 мм. Электроды выполнены из бескислородной меди. Поверхность катода, обращенная к аноду, покрывалась слоем титана толщиной 30 мкм, наполненного водородом из газовой фазы под давлением с атомным соотношением порядка единицы (ат/ат). Был изготовлен также идентичный разрядник, но и без слоя титана. Проводились сравнительные испытания двух макетов.

Результаты испытаний. Скорость нарастания тока при фиксированных параметрах цепи на макете с газонаполненным катодом была более чем на порядок величины выше, чем на макете с медным катодом. При этом скорость эрозии титанового покрытия 2 10^-5 г/Кл против 2 10^-4 г/Кл в случае меди. В проведенных испытаниях полный заряд, перенесенный через разрядник, составлял Q 10³ Кл. После пропускания заряда такого порядка величины слой титана в 30 мкм практически полностью эродировал. Для пропускания больших зарядов нужно наносить пропорционально более толстые слои.

Изобретение позволяет значительно уменьшить эрозию металла из катода, сделать эту эрозию равномерно распределенной по поверхности катода и тем самым увеличить срок службы разрядника. Кроме того, напряжение на разряднике быстро снижается и большую часть времени разряда незначительно превышает обычные значения в десятки вольт.

Изобретение может быть использовано в устройствах, где необходимо за малый промежуток времени пропустить заряд в несколько кулонов и при этом иметь достаточный ресурс долговечности при сохранении электрических характеристик.