Искровые газонаполненные разрядники. Основные закономерности пробоя искровых промежутков

4.3 Искровые газонаполненные разрядники.

Искровые разрядники – основной тип коммутаторов МИТ. При мощностях в нагрузке 10⁹ – 10¹⁰ Вт и времени подачи энергии 10^-6 – 10^-7 с используются исключительно искровые разрядники. Рекордные на сегодняшний день параметры:

- по мощности – 10¹³ – 10¹⁴ Вт;

- по току – 10⁷ А;

- по напряжению – 10⁷ В;

- по скорости нарастания мощности – 10²² Вт/с получены на  искровых разрядниках. Наиболее распространены разрядники с газовыми накопителями.

Преимущества газового наполнения по сравнению с другими средами:

1)  малые t_K при большом давлении;

2)  возможность смены рабочего тела в ходе эксплуатации;

3)  регулирование параметров разрядника по рабочему напряжению изменением давления газа;

4)  малые времена восстановления и, следовательно, большая частота следования импульсов.

4.3.1. Основные закономерности пробоя искровых промежутков.

4.3.1.1. Модели формирования газового разряда.

В настоящее время, несмотря на значительное число работ и монографий, нет полностью законченных и непротиворечивых количественных теорий разряда. Однако основные выводы, вытекающие из анализа достаточно простых моделей разряда, в большинстве случаев имеют практическую ценность и с успехом могут использоваться пр разработке мощных коммутаторов.

Формирование газового разряда есть начальная стадия, протекающая от момента приложения напряжения к промежутку до начала образования проводящей плазмы. Эта стадия определяет время и стабильность срабатывания разрядника, которые характеризуются t_З и s(t_З), t_З – среднеарифметическое время и s(t_З) – среднеквадратичный разброс времени срабатывания.

Для определения времени формирования разряда широко привлекаются таунсендовский и стримерный механизмы развития разряда.

1) Таунсендовский механизм – медленный и характеризуется образованием большого числа электронных лавин.

2) Стримерный – быстрый механизм, при котором уже первая лавина приводит к пробою. Стример переходит в канал искры.

В таунсендовском механизме основная роль отводится вторичной эмиссии электронов с катода и последовательному процессу генерации электронных лавин. Вторичная эмиссия электронов возникает при взаимодействии положительных ионов и фотонов с катодом. Этот механизм является медленным, т.к. время развития заряда пропорционально 1/υ_t:

где     d – длина межэлектродного промежутка,

υ_t – скорость дрейфа положительных ионов в газе в электрическом поле (по порядку υ_t ~ 10⁵ см/с << υ_e ~ 10⁷ см/с).

Учитывая, что υ_t = k∙E, где k – подвижность ионов, имеем:

Теория Таунсенда удовлетворительно предсказывает t_ф и пробивные напряжения только при низких давлениях газа (P<1атм) и малых расстояниях между электродами. При d > 1см, P > атм наблюдается сильное расхождение между выводами теории и экспериментом. Это связано с тем, что в теории Таунсенда не учитывается поле объемного заряда ионов, остающихся в промежутке после прохождения лавин.

Стримерный механизм основан на роли объемного заряда ионов и фотоионизации в объеме газа. Условие перехода лавин в стример было предложено Ретером и Миком и записывается в виде: Е₁ = к∙Е, где к ≈ 1, Е₁ – поле объемного разряда, Е = υ/d – внешнее поле. Если приложить к промежутку более высокое U, то это условие выполняется ещё до достижения лавиной анода. В этом случае стример возникает в межэлектродном пространстве и распространяется к катоду и аноду. Скорость распространения стримера в однородном поле υ_Р ~ 10⁹ см/с, что на порядок выше скорости дрейфа электронов υ_е ~ 10⁸ см/с. При этом число электронов в лавине, при котором поле объемного заряда сравнимо с приложенным полем, называется критическим числом электронов N_кр, и длина лавины критической длиной х_кр.

α – коэффициент ударной ионизации

α∙ х_кр ≈ 20 – эмпирическое условие возникновения стримера.

Отсюда можно рассчитать время формирования разряда, если предположить, что оно равно времени развития лавин до критического размера:

Данное допущение справедливо, когда х_кр ~ d.

Если х_кр << d, то необходимо учитывать конечное скорость распространения стримера:

При этом рост давления (Р↑) приводит к понижению t_ф.

где p∙d = const при U_O = const (из закона Пашена)

t_ср = t_стат + t_ф         – общее время развития разряда.