Frequency characteristics of subnanosecond plasma switch.pdf Введение В работах [1, 2] было показано, что газоразрядные устройства на основе «открытого» разряда (ОР) с генерацией встречных электронных пучков - кивотронов - могут быть перспективными приборами для генерирования высоковольтных импульсов с предельно достигнутыми по отдельности значениями параметров: скорость нарастания тока до 500 A/(нсcм2); плотность тока j до 1 кА/cм2, рабочие напряжения U до 120 кВ; время коммутации (время спада напряжения на коммутаторе) τs до 100 пс при U = 25 кВ и характерных частотах следования импульсов f - несколько кГц; степень компрессии импульсов S = τd / τs - отношение времени задержки развития пробоя τd к величине τs до S ≈ 40-50 [3]. Одним из недостатков кивотрона является ярко выраженная зависимость времени задержки развития пробоя от частоты следования импульсов (ЧСИ) τd (f). Величина τd с ростом f сильно уменьшается, что связано с недостаточной скоростью рекомбинации плазмы в межимпульсном интервале [4]. Так, в гелии при U = 10 кВ и f = 10 кГц значение τd лежит в диапазоне τd ≈ 30-40 нс [5, 6]. Это вынуждает либо значительно уменьшать время подъёма напряжения на электродах устройства, что представляет непростую задачу, либо ухудшать коммутационные характеристики самого кивотрона за счет уменьшения давления гелия pHe и/или использования в качестве рабочего газа - водорода [6]. Последнее позволяет увеличить рабочий диапазон вплоть до f = 100 кГц. Но в этом случае значительно возрастают значения остаточного сопротивления коммутатора и времени коммутации τs (до τs ≈ 3-5 нс при U = 10 кВ). Это приводит к тому, что применение кивотронов в источниках питания, например газовых лазеров, при высоких ЧСИ становится неэффективным. Решение задачи повышения частоты следования импульсов кивотрона возможно за счёт введения в конструкцию секции, которая, с одной стороны, затруднила бы зажигание, но, с другой - слабо влияла на развитие и горение разряда и обеспечивала ускорение рекомбинации плазмы в межимпульсный период. В качестве такого устройства, например, можно использовать капилляр круглого или прямоугольного сечения. Исследования газового разряда в капилляре, в том числе с использованием в качестве плазменного катода (ПК) - разряда в полом катоде (РПК), в котором достигаются импульсы тока с наносекундным фронтом нарастания, известны [7-9]. В работе [8] продемонстрировано, что наличие интенсивного электронного пучка, генерируемого РПК, в значительной степени влияет на формирование проводимости в самом капилляре, позволяя получать скорость нарастания тока более 1 кА/нс, ограниченную только собственными ёмкостью и индуктивностью комбинированного устройства. Первые эксперименты с разрядным устройством на основе объединения в едином газоразрядном объеме двух последовательно включенных разрядов: «открытого» разряда и разряда в капилляре - эптроном (коаксиальный ОР - коаксиальный капиллярный разряд) продемонстрировали, что при использовании эптрона в диапазоне частоты следования импульсов f = 4-44 кГц и напряжения U =10-20 кВ на нагрузке формируется импульс с временем нарастания напряжения менее 1 нс, при этом степень компрессии первичного импульса составляет S ≈ 1000 [10]. В целом, эптрон обладает лучшими обострительными характеристиками, чем кивотрон, особенно при повышенных (более 10 кГц) частотах следования. Между тем задачи повышения предельной ЧСИ коммутаторов, достижение больших средних мощностей в режиме регулярных импульсов остаются актуальными, поэтому целью данной работы являлось исследование частотных характеристик коммутаторов на основе комбинации капиллярного разряда с открытым разрядом или разрядом в полом катоде. Экспериментальная установка и результаты исследования В работе [10] авторы встраивали капилляр в полость коаксиальной цилиндрической конструкции ОР, выполнявшей роль плазменного катода, что затрудняло его охлаждение при больших средних мощностях и достижение низкой индуктивности эптрона. В настоящей работе в отличие от устройств [10] были изменены компоновка коммутатора, а также геометрия плазменного катода и капилляра, в частности капиллярные разрядные секции встраивались с одной из сторон конструкции плазменного катода снаружи. В качестве плазменного катода использовались конструкция с коаксиальным цилиндрическим ОР с генерацией встречных электронных пучков; планарная конструкция на основе ОР без генерации встречных ЭП; планарный ОР со встречными ЭП; РПК с различной защитой плазменной области от капилляра. Были исследованы обострительные и частотные свойства разрядных устройств с капиллярами двух типов: капиллярная секция с круглым сечением переменного диаметра (круглый капилляр), состоящая из колец Al2O3-керамики с внешним диаметром 8 мм и внутренним диаметром 1 и 5 мм; капиллярная секция прямоугольного сечения (щелевой капилляр) размером 0.3×10 мм, собранной из пластин Al2O3-керамики. Эксперименты, проведенные в режиме цуга импульсов, продемонстрировали, что вынесение капилляра из внутренней области плазменного катода меняет свойства коммутатора, в том числе его главные преимущества: время задержки развития разряда τd на любых частотах следования импульсов f уменьшается до порядка величин, а сама частота f может уменьшиться до двух порядков величины при одинаковых параметрах первичных импульсов. Предполагаемая причина состоит в исключении из механизма задержки развития пробоя первоначального наиболее продолжительного периода слабого размножения электронов в капилляре, вызванного свободным пролетом электронов до внутренней поверхности капилляра. При отсутствии условий для нейтрализации поверхностных зарядов происходит их быстрое накопление, что препятствует уходу электронов на стенки. Рис. 1. Зависимость τd (f) для конструкции ОР + круглый капилляр, U = 15 кВ, pHe = 6.9 Торр при различных значениях длины l металлического экрана Эта проблема была решена путем организации емкостного разряда между внутренней поверхностью капилляра и экраном, охватывающим внешнюю стенку капилляра. На рис. 1 приведены τd (f) - частотные характеристики эптрона при давлении рабочего газа - гелия pHe = 6.9 Торр для случая, когда плазменным катодом является ОР без генерации встречных электронных пучков с SiC-катодом диаметром 30 мм и сетчатым анодом, установленным на расстоянии 3 мм от катода. Кривая 0 относится к случаю, когда внешний экран отсутствовал, остальные кривые соответствуют ситуации с установленным внешним экраном различной длины (l = 1-4 см), соединённым (и соответственно заземленным) с катодом ОР. Из рис. 1 видно, что наличие внешнего экрана увеличивает τd, причем величина задержки развития пробоя зависит от длины экрана и максимальна при ее наибольшей длине. Полная экранировка капилляра приводит к наилучшим характеристикам устройства, сравнимым с таковыми для эптрона с коаксиальным расположением электродов, полученным в [10]. Использование плазменного катода на основе ОР без встречных ЭП не приводит к субнаносекундным временам нарастания напряжения на нагрузке 50 Ом. Для реализации субнаносекундной коммутации с использованием внешнего капилляра применялись помимо ОР три варианта плазменного катода на основе разряда в полом катоде: а) РПК с внутренним диаметром катода 50 мм, длиной 70 мм, с одного торца которого устанавливался капилляр; б) аналогичная конструкция плазменного катода, но с двумя защитными сетками с характерным размером отверстий ~ 0.5 мм, установленными перед капилляром, причём каждая из них могла быть использована в качестве анода в РПК; в) РПК, но с сетчатым коаксиальным анодом, расположенным на расстоянии 5 мм от катода с размером ячейки 3×3 мм. Все указанные плазменные катоды на основе РПК проще в изготовлении, чем конструкция ОР со встречными ЭП, используемая в кивотронах, и поэтому в случае хороших коммутационных характеристик было бы предпочтительнее их использование в серийных приборах. На рис. 2 показана эволюция времен задержки развития пробоя τd при времени подъёма напряжения на коммутаторе τ ≈ 150 нс для различных вариантов конструкций РПК. Исследование показало, что варианты (б) и (в) обладают практически одинаковыми характеристиками, близкими к полученным в эптроне в работе [10] и превышающими вариант с классическим РПК (а). Отметим, что при пониженных частотах следования импульсов время задержки τd больше при низком напряжении U = 15 кВ, а при высоких f наблюдается обратная картина - τd больше при высоких напряжениях U = 30 кВ. Рис. 2. Зависимости τd (f): а) РПК без защитных сеток + круглый капилляр, pHe =10 Торр; б) РПК с защитными сетками + круглый капилляр, pHe = 4.4 Торр; в) РПК с коаксиальной сеткой-анодом + круглый капилляр (○, Δ, □, ■) и планарный ОР со встречными ЭП + щелевой капилляр (×); pHe = 2.2 (■), 2.6 (○, Δ, □), 7 Торр (×); U = 15 (×), 20 (○); 25 (Δ); 30 кВ (□, ■) Рис. 3. Зависимости fmax(pHe): ОР со встречными ЭП + круглый капилляр (○, Δ, □); ОР со встречными ЭП + щелевой капилляр (●) На рис. 3 показаны максимально достижимые частоты следования в зависимости от давления гелия - fmax(pHe) при τ ≥ 150 нс для устройств с ОР со встречными ЭП и двумя вариантами капилляров - круглым и щелевым. Из рис. 3 видно, что частота следования импульсов f = = 100 кГц при U = 30 кВ достигается при pHe ≤ 2.6 Торр для круглого капилляра и pHe ≤ 3.5 Торр для щелевого. В отдельных измерениях время пробоя щелевого капилляра достигало величины 0.5 нс, подробное же измерение коммутационных характеристик выходит за пределы данной работы. Подробные исследования со щелевым капилляром 0.3×10 мм продемонстрировали превосходство его характеристик по сравнению с круглым капилляром: меньшие времена коммутации; более высокие частоты следования; большие времена задержки; меньшее остаточное сопротивление разряда. Заключение Представлены результаты исследования частотных характеристик субнаносекундного плазменного коммутатора, основанного на комбинации разрядов: «открытого» разряда / разряда в полом катоде и разряда в капилляре, вынесенного из внутренней полости плазменного катода. Показано, что при различных устройствах плазменного катода и капиллярной секции при наличии внешнего экрана, обеспечивающего емкостной разряд и соответственно исключение из механизма задержки развития периода накопления электронов в капилляре, обеспечиваются высокие значения частоты следования импульсов. Продемонстрировано, что при напряжении U = 30 кВ достигается частота следования импульсов f = 100 кГц для капилляра круглого сечения при pHe ≤ 2.6 Торр и для щелевого капилляра при pHe ≤ 3.5 Торр.

Скачать электронную версию публикации