ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 3, с. 59-62
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
УДК 621.316.933.6
КОАКСИАЛЬНЫЙ СРЕЗАЮЩИЙ РАЗРЯДНИК, ЗАПОЛНЕННЫЙ ВОЗДУХОМ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ, С ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ СПАДА ИМПУЛЬСА НАПРЯЖЕНИЯ <100 пс
© 2009 г. В. Ф. Тарасенко, Ä. Г. Бураченко, Е. X. Бакшт, И. Д. Костыря, М. И. Ломаев, Д. В. Рыбка
Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 E-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru Поступила в редакцию 24.09.2008 г.
Приведены результаты исследований коаксиального срезающего разрядника, заполненного воздухом атмосферного давления. При фронте 100-300 пс и амплитуде импульса напряжения 30-145 кВ получена длительность спада импульса напряжения <100 пс. Высокая стабильность срабатывания разрядника достигается при наличии кромки с малым радиусом кривизны на одном из электродов, а быстрый спад напряжения на промежутке обусловлен предыонизацией промежутка убегающими электронами.
PACS: 52.38.Ph, 52.80.Tn
ВВЕДЕНИЕ
Для формирования короткого спада импульсов напряжения амплитудой в десятки-сотни киловольт используют срезающие разрядники [1]. Для получения импульсов напряжения с субнано-секундной длительностью спада обычно применяют коаксиальные срезающие разрядники с малыми зазорами, которые заполняются азотом или водородом до давлений в десятки атмосфер [1-3]. Регулировка длительности импульса напряжения обеспечивается изменением межэлектродного зазора и давления газа в срезающем разряднике. Однако использование высоких давлений в срезающем разряднике существенно усложняет его конструкцию, тогда как известно (см., например, [4]) о возможности пробоя миллиметровых промежутков, заполненных воздухом или аргоном при давлении <1 атм, за время в сотни пико-секунд.
Цель данной работы - создать коаксиальный срезающий разрядник, работающий в воздухе атмосферного давления, и получить импульсы напряжения с длительностью на полувысоте ~100 пс.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ
Исследования характеристик разрядника проводились при скорости нарастания напряжения на промежутке ~400 кВ/нс. Для формирования импульсов напряжения применялся генератор СЛЭП-150 [5], в котором использовалась традиционная схема с импульсным трансформатором и
обострительным разрядником [1]. От импульсного трансформатора заряжался отрезок коаксиальной линии длиной ~5 см, образованной корпусом обострительного разрядника Р-43 и трубой из дюралюминия с внутренним диаметром 68 мм. Ко второму электроду обострительного разрядника подсоединялся цилиндрический стержень, который фиксировался изолятором. На выходе генератора СЛЭП-150 устанавливалась дополнительная передающая линия с волновым сопротивлением ~140 Ом (при заполнении линии воздухом) или ~100 Ом (при заполнении трансформаторным маслом). Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
В экспериментах со срезающим разрядником передающая линия заполнялась воздухом атмосферного давления. Центральный электрод срезающего разрядника изготовлен из латунного стержня диаметром 6 мм. Заземленный электрод выполнен из медной фольги толщиной 250 мкм и имел в центре круглое отверстие. Эксперименты проводились при кольцевых промежутках в срезающем разряднике 1, 3 и 5 мм. Генератор обычно формировал импульсы напряжения с амплитудой в падающей волне ~135 кВ и фронтом ~250 пс (рис. 2а), которые регистрировались двумя емкостными делителями (см. рис. 1). Здесь и далее длительности фронта и спада импульсов напряжения приведены по уровню 0.1-0.9. При некоторых срабатываниях генератора (~10% импульсов) фронт импульса напряжения увеличивался до 400-1000 пс. Это позволило получить данные по влиянию фронта импульса напряжения на работу
60
Генератор СЛЭП-150 и1
Емкостные делители
ТАРАСЕНКО и др.
и2
Коллектор
Срезающий разрядник
Передающая линия
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
воздушного срезающего разрядника. В большинстве экспериментов использовались импульсы напряжения отрицательной полярности.
На выходе передающей линии устанавливался дополнительный разрядный промежуток (газовый диод). Катодом служила трубка (диаметром
Рис. 2. Снятые с помощью емкостных делителей осциллограммы волны напряжения: а - падающей на срезающий разрядник б-г - после срезающего разрядника Ц при межэлектродном зазоре 5 мм (б), 3 мм (в) и 1 мм (г).
либо 6, либо 20, либо 28 мм) из нержавеющей стали с толщиной стенок —100 мкм или стальной шар диаметром 9.5 мм. Анод был выполнен плоским из алюминиевой фольги толщиной 15 мкм. В качестве анода также использовалась дискообразная приемная часть токовых шунтов, которые обеспечивали регистрацию тока разряда через газовый диод. В шунтах использовались чип-резисторы или полосковые линии. В ряде экспериментов за фольгой газового диода с помощью конического коллектора регистрировался пучок убегающих электронов (сверхкороткий лавинный электронный пучок (с.л.э.п.) [6]).
Для регистрации сигналов с емкостного делителя, коллекторов и шунтов применялся осциллограф БРО 70604 (6 ГГц и 25 выборок/нс). Представленные ниже результаты получены в режиме однократных импульсов и при частоте следования импульсов <1 Гц.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Характерные осциллограммы импульсов напряжения после обостряющего разрядника приведены на рис. 2 и рис. 3. Амплитуда падающей на срезающий разрядник волны напряжения составляла —135 кВ. Длительность фронта импульса напряжения определялась обострительным разрядником Р-43 и обычно составляла —250 пс. В некоторых импульсах, как мы уже отмечали, режим работы разрядника изменялся, и длительность фронта импульса напряжения увеличивалась до —1000 пс. Напряжение пробоя срезающего разрядника с зазором 5 мм составляло —115 кВ и уменьшалось на —20% при увеличении длительности фронта импульса напряжения до —500 пс (см.
КОАКСИАЛЬНЫЙ СРЕЗАЮЩИЙ РАЗРЯДНИК
61
рис. 3). При уменьшении зазора срезающего разрядника до 3 мм напряжение пробоя уменьшалось до ~75 кВ, а при зазоре 1 мм - до ~45 кВ (см. рис. 2).
Длительность спада импульса напряжения прямо пропорционально зависела от длительности фронта импульса напряжения (см. рис. 3). При уменьшении зазора обострительного разрядника сокращался как фронт (за счет более раннего пробоя), так и спад импульса напряжения. Причем определение минимальной длительности спада (составившей при измерении <100 пс) ограничивалось предельным разрешением нашей системы регистрации ~100 пс. Следует отметить, что высокая стабильность срабатывания использованного обострительного разрядника (разброс времени срабатывания <100 пс при длительности фронта импульса напряжения ~100 пс) была получена только при наличии кромки с малым радиусом кривизны на одном из электродов срезающего разрядника.
Как показали эксперименты, высокая стабильность срабатывания срезающего разрядника сохранялась при обеих полярностях импульса напряжения, подаваемого на электрод, имеющий кромку малого радиуса кривизны. При наличии кромки малого радиуса кривизны на обоих электродах стабильность срабатывания разрядника оставалась высокой, но пробивное напряжение при этом уменьшалось. Таким образом, при коротком фронте импульса напряжения, подаваемого на коаксиальный срезающий разрядник, заполненный воздухом атмосферного давления, формировался импульс напряжения со спадом <100 пс и амплитудой (волны, прошедшей разрядник) 30-120 кВ.
Короткие времена срабатывания срезающего разрядника и его стабильную работу можно объяснить генерацией убегающих электронов в разрядном промежутке [6]. Для доказательства этого предположения полученные импульсы напряжения различной длительности и амплитуды (см. рис. 2) подавали на разрядный промежуток в конце передающей линии. Этот промежуток работал в режиме, подобном режиму работы срезающего разрядника. При отрицательной полярности импульса напряжения разрядный промежуток работал в режиме газового диода, который используется для генерации пучка убегающих электронов [5, 6]. Как мы уже отмечали, один электрод (обычно анод) в газовом диоде был плоским, а второй - изготовлен из стальной трубки или имел форму шара. Минимальная длительность импульса напряжения, подаваемого на газовый диод, при зазоре срезающего разрядника 1 мм равнялась ~100 пс на полувысоте (см. рис. 2г). Межэлектродный зазор в газовом диоде мог изменяться от 0 до 12 мм.
Как показали эксперименты, при межэлектродных зазорах >1 мм за фольгой из алюминия
г, нс
Рис. 3. Осциллограммы волны напряжения после срезающего разрядника с межэлектродным зазором 5 мм при длительности фронта напряжения: ~250 пс (а), ~300 пс (б) и ~500 пс (в) - и тока электронного пучка (г). Импульсы напряжения и тока электронного пучка не синхронизированы во времени.
регистрировался пучок убегающих электронов (с.л.э.п.), длительность импульса которого на полувысоте обычно не превышала 100 пс (см. рис. 3г). Это близко к предельному разрешению используемой системы регистрации. Амплитуда тока с.л.э.п. на коллектор диаметром 20 мм с импульсом напряжения, представленным на рис. 2г, составила ~0.2 А при зазоре в газовом диоде 4 мм. При зазоре в газовом диоде 12 мм амплитуда тока с.л.э.п. с импульсом напряжения, представленным на рис. 2г, составила ~0.05 А, с импульсом на рис. 2в -~2 А и с импульсом на рис. 26 —7.5 А. Максимальная амплитуда тока пучка за всей площадью фольги с генератором СЛЭП-150 была получена без срезающего разрядника и составила ~25 А при зазоре в газовом диоде ~7 мм и диаметре катода 28 мм.
Запаздывание времени генерации с.л.э.п. относительно времени прихода импульса напряжения на промежуток зависело от величины зазора в газовом диоде и напряжения на промежутке. Минимальные запаздывания были получены при максимальных напряженностях электрического поля, т.е. при минимальных зазорах и максимальных напряжениях на промежутке. Стабильность генерации с.л.э.п. зависела от конструкции катода и была наилучшей при использовании катода в виде трубки, т.е. при наличии на электроде кром-
62
ТАРАСЕНКО и др.
ки малого радиуса кривизны. Одновременно с ре-гистраций с.л.э.п. мы регистрировали и рентгеновское излучение, причем как из промежутка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.